細看3D打印技術如何推動現(xiàn)代醫(yī)學的進步

　　1. Circulation Res：重磅!3D打印補丁或有望修復心臟病患者受損的心臟

　　近日，發(fā)表在國際雜志Circulation Research上的一篇研究報告中，來自明尼蘇達大學等機構的研究人員通過研究開發(fā)出了一種具有革命性的3D生物打印補丁，其能夠幫助修復心臟病發(fā)作后患者的出現(xiàn)疤痕的心臟組織，該研究對于后效治療心臟病發(fā)作患者機體的組織損傷非常關鍵。

　　據(jù)美國心臟協(xié)會數(shù)據(jù)顯示，心臟病是引發(fā)美國人死亡的頭號兇手，其每年會引發(fā)超過36萬人死亡;在心臟病發(fā)作期間，患者機體的血流往往不會泵入到心臟肌肉中，從而就會引發(fā)心臟細胞死亡;我們的機體無法替換掉這些心肌細胞，因此機體的心臟中就會形成疤痕組織，從而就會使得患者處于心臟功能受損以及未來暴發(fā)心力衰竭的風險之中。

　　這項研究中，研究人員利用基于激光的3D生物打印技術將衍生自成體心臟細胞的干細胞摻入到了一種特殊支架中，這種干細胞就能夠在特殊支架生長，并且在實驗室的培養(yǎng)皿中還可以實現(xiàn)同步跳動。當將細胞補丁置于模仿心臟病發(fā)作的小鼠模型機體中時，研究者發(fā)現(xiàn)在接下來四周時間里小鼠機體的心臟功能發(fā)生了明顯的增加，由于這種補丁是由心臟中土生土長的結構蛋白和細胞組成，其會轉變成為心臟中的一部分并且被機體所吸收，這樣就可以讓患者免于手術了。

　　研究者Brenda Ogle說道，這是治療心臟病的一項巨大突破，未來我們或許應該擴展到對大型動物的心臟進行修復，比如人類。這項研究不同于此前研究的一點就在于研究者能夠根據(jù)原始心臟組織的數(shù)字三維結構蛋白開發(fā)出這種補丁，這種數(shù)字模型能夠通過3D打印技術制造出心臟天然的物理結構，未來或有望對衍生自干細胞的心臟細胞類型進行整合，僅利用3D打印技術，研究人員就能夠達到一微米的分辨率來模擬原始心臟組織的結構。

　　研究者非常驚訝這種3D補丁能夠讓心臟組織具有復雜性，他們也能夠觀察到支架中排列整齊的細胞，以及跨越補丁結構的持續(xù)電信號波。最后Ogle說道，下一步他們還將通過更為深入的研究來開發(fā)在豬心臟中進行檢測的大型補丁，而豬的心臟和人類心臟在尺寸上非常相似。

　　2. J Neurointerv Surg：顱內(nèi)動脈的3D打印模型推動高分辨MRI的進步

　　來自南卡羅琳娜醫(yī)科大學的中風神經(jīng)學家們與與來自麻省理工學院的生物工程師合作完成了一個顱內(nèi)狹窄動脈的3D仿真模型。這一模型可以被用于規(guī)范高分辨MRI掃描的診斷方法。相關結果發(fā)表在最近的《Journal of NeuroInterventional Surgery》雜志上。

　　高分辨的血管壁MRI技術主要用于研究腦血管中的斑塊成分，對于顱內(nèi)動脈粥樣硬化的病理分析具有重要的作用。然而，由于高分辨MRI的操作流程一直以來不夠規(guī)范，使得不同診療單位之間無法共享數(shù)據(jù)。因此該技術沒有得到長足的發(fā)展。

　　為了解決這一問題，來自南卡羅琳娜醫(yī)科大學的神經(jīng)學家Turan與來自麻省理工學院的生物工程師們合作設計了一款顱內(nèi)動脈仿真血管模型。該模型能夠逼真地反映顱內(nèi)動脈的狹窄狀態(tài)以及內(nèi)部存在的斑塊結構。目前，該模型正在各大研究所廣泛研究，并將用于建立標準化的MRI診療方法。文章中的成像試驗結果分別來自于6項美國境內(nèi)的醫(yī)學試驗以及兩組來自于中國的醫(yī)學試驗。

　　精細的“操作平臺”是建立高分辨MRI成像技術標準流程的重要前提條件。然而，要想完成這一平臺的設計需要若干年的時間。對于研究者們來說，下一個重點研究的問題是在不同的生產(chǎn)廠商出品的MRI儀器之間建立能夠相互識別的網(wǎng)絡。

　　中國是該“平臺”的共享地之一，同時也是顱內(nèi)動脈粥樣硬化高發(fā)的國家之一。Turan正在與協(xié)和醫(yī)學院的研究者們建立合作，利用更多的試驗數(shù)據(jù)完善這一基于3D模型建立的平臺?！爸挥屑訌姾献鳎拍軌蚋斓厝〉眠M展，而這一平臺為我們的合作提供了有利的工具”，Turan說道。

　　3. Biomaterials：什么?菠菜可以用來做心臟組織?

　　研究人員已經(jīng)成功地使用菠菜葉來造出具有完整血管、能輸送血液的的功能良好的人體心組織。為了解決捐助器官長期的短缺問題，科學家一直致力于在實驗室里培養(yǎng)各種組織甚至整個器官。 但是培養(yǎng)細胞只是解決方案的一部分 ——如果沒有恒定的血液供應，他們根本就不會茁壯成長。

　　構建可以工作的精細血管(也稱為脈管系統(tǒng))網(wǎng)絡是非常困難的，特別是毛細血管，只有5到10微米寬。 血管的功能是傳輸這些組織樣本所需的氧氣和營養(yǎng)?，F(xiàn)在由伍斯特理工學院(WPI)的科學家領導的團隊已經(jīng)通過使用植物中已存在的微小的靜脈網(wǎng)絡，將菠菜葉成功地轉化為活的心臟組織。

　　科學家在他們的文章中寫道：“植物和動物用來輸送液體、化學物質和大分子的方法從根本上是不同的，但是在血管網(wǎng)絡結構方面也有驚人的相似之處?！把芯咳藛T不用試圖從頭開始構建脈管系統(tǒng)，他們只需剝離菠菜葉，直到僅剩將葉子保持在一起的精細纖維素結構。

　　植物中的纖維素是實驗室生長樣品中使用的重要材料，因為它已經(jīng)被很好地研究過，與生物組織相容，而且還便宜--植物資源非常豐富且容易生長。 在這項研究里，科學家是在當?shù)厥袌錾腺徺I的菠菜。為了獲得菠菜的細小血管結構，該團隊通過在葉子中循環(huán)一種洗滌劑溶液來將植物細胞沖走，這個過程稱為脫細胞。

　　首席研究員Joshua Gershlak說：“我之前已經(jīng)對人類心臟進行了脫細胞化工作，當我看著菠菜葉時，它讓我想到主動脈。”“所以我想，讓我們來灌注植物的莖。我們一開始不確定它會奏效，但事實證明這個方法是容易且可復制的，它在許多其他植物上也奏效。”

　　該團隊還剝離了歐芹和甜蒿的葉子，并在花生植物毛根中也用了此技術。他們期望通過進一步的研究，讓為不同的組織選擇不同的植物成為可能——例如，木材的結構可能在骨骼工程中是有用的。為了在真實的組織樣品中測試纖維素支架，他們最終使用菠菜，因為它和心臟組織一樣具有高密度的輸送管。研究人員將菠菜葉血管結構與心肌細胞接種，他們興奮地看到，在幾天之內(nèi)，心臟細胞就像人體組織一樣開始自發(fā)收縮。

　　Gershlak說：“現(xiàn)在的想法是，既然我們已經(jīng)得到具有血管網(wǎng)絡的非常薄而平坦的組織，所以我們應該能夠疊加多個葉子并創(chuàng)建一塊心臟組織?！毙呐K組織移植對于心臟病發(fā)作后，心臟已經(jīng)損傷、不能再愈合的患者是有用的。到目前為止，這項研究只是一個概念證明，而且該團隊仍在尋找將其與活的人體組織結合在一起的方式。研究人員寫道：“目前尚不清楚植物脈管系統(tǒng)如何融入人身上的脈管系統(tǒng)，以及是否存在免疫反應?！钡搱F隊總體來講還是十分樂觀的。

　　WPI實驗室的生物醫(yī)學研究員Glenn Gaudette說： “我們真的相信這種支架能夠幫助治療。 我們還有更多的工作要做，但到目前為止這是非常有希望的?！薄按朔椒ê唵蔚街恍枰Y源豐富的菠菜葉，并把它變成一種有血液流經(jīng)的組織，這真是非常令人興奮的，我們希望它能夠在此領域取得重大進展。 “這不是科學家在培養(yǎng)組織時第一次在植物上尋求啟發(fā)——加拿大渥太華大學的Pelling實驗室去年成為頭條新聞，他們的項目是用蘋果切片生長人類耳朵。

　　而不僅僅是生物組織科學家們在植物系統(tǒng)內(nèi)部探索——上個月，研究人員成功地發(fā)展了一個“機器人玫瑰”，其莖葉和葉子內(nèi)部具有電子循環(huán)功能。使用菠菜也不是創(chuàng)建人體組織血管網(wǎng)絡的唯一方法。 科學家一直在研究使用3D打印來創(chuàng)建血管，并且剛剛有少量成功案例被報道。時間會證明，哪種方法在實驗室外更可行，但這絕對是一個令人興奮且矚目的發(fā)現(xiàn)。