科普中国 - 3D打印器官是怎么做到的?距离移植人体有多远?你想知道的都在这

上一篇(左方向键) 下一篇(右方向键) 回目录(回车键) 粗体(B键)  正常(N键) 随机浏览(S键)   浏览次数:111    发布时间:2019/5/19 16:20:07   出处:科普中国   

  3D打印,20世纪以来最受关注的技术之一,无疑是超前科技的代言词。

  近年来,随着3D打印技术的发展,这种先进的技术也逐渐渗透到医学领域。

  比如,4月诞生的全球首例3D打印“完整心脏”,拥有细胞、血管、心室和心房的樱桃般大小的心脏。

3D打印器官是怎么做到的?距离移植人体有多远?你想知道的都在这 - 后花园网文 - 大杂烩

  3D 打印心脏过程,图片来源网络

  还有以往在3D打印器官上取得的各项突破性研究

3D打印器官是怎么做到的?距离移植人体有多远?你想知道的都在这 - 后花园网文 - 大杂烩

3D打印器官是怎么做到的?距离移植人体有多远?你想知道的都在这 - 后花园网文 - 大杂烩

  网络截图

  解决活体器官短缺,降低受体排异反应,对器官移植有着重要的意义。

  那么,距离3D打印器官可代替捐献的器官,用于治病救人上还有多远呢?我们今天就来讲一讲。

  3D打印技术是什么?

  “3D打印”是对“增材制造”这种材料成型工艺的通俗叫法。

  3D打印区别于传统的材料成型工艺,在加工的过程中材料质量不减反增,通过“自下而上”的材料累加来成型,像盖房子一样一砖一瓦地逐渐搭砌。

  整个过程以数字模型文件为基础,通过电脑控制实现,能够构建传统工艺难以制造的复杂结构。

3D打印器官是怎么做到的?距离移植人体有多远?你想知道的都在这 - 后花园网文 - 大杂烩

  从世界上第一台商用3D打印机的诞生到现在已经30多年了,随着技术的进步,3D打印也和我们的生活联系越来越紧密。

  早期的3D打印只能够用塑料作为“墨水”打印。

  而现在,“墨水”可以是塑料、金属、陶瓷、甚至细胞,被注入“墨盒”进行操作。

3D打印器官是怎么做到的?距离移植人体有多远?你想知道的都在这 - 后花园网文 - 大杂烩

  3D打印技术根据工艺特点,主要有三类:

  一类是利用激光、等离子束等高能束将金属、陶瓷、塑料粉末逐点、逐层的融化、烧结,最终成型。

  这一类工艺主要是用在工业加工领域,例如国产大飞机C919的某些大尺寸钛合金零件就是用这样的工艺打印出来的。

3D打印器官是怎么做到的?距离移植人体有多远?你想知道的都在这 - 后花园网文 - 大杂烩

  第二类是将塑料等材料通过加热融化为流动熔体,或是配置成可流动的浆料,通过压力从一个针尖挤压出来,并在空间中凝固成型。

  目前常见的桌面3D打印机大多采用这类工艺。细胞和器官打印也往往用这类工艺。

3D打印器官是怎么做到的?距离移植人体有多远?你想知道的都在这 - 后花园网文 - 大杂烩

  第三类是基于光固化原理,利用紫外线激光会引起光固化树脂液体固化的现象进行打印。由于激光聚焦精度高,这类工艺往往具有较好的成型精度。

  3D打印是怎么打印器官的?

  女娲捏土造人、哪吒化莲重生是我们祖先天马行空的想象,而活体细胞的3D打印则是真实的尝试。

  生物材料和再生医学领域的科学家们不断尝试利用3D打印制造可以植入人体的组织和器官。

3D打印器官是怎么做到的?距离移植人体有多远?你想知道的都在这 - 后花园网文 - 大杂烩

  图片来源:3dprint

  这也是3D打印最受人关注的重要新兴的领域之一,近年来捷报频传。

  2016年,科学家们将3D打印出的组织移植到生物体内,并且证明了这些从打印机里诞生的组织能够像正常组织一样存活并生长。

3D打印器官是怎么做到的?距离移植人体有多远?你想知道的都在这 - 后花园网文 - 大杂烩

  整合组织-器官打印系统”(IntegratedTissue-Organ Printing System,ITOP)打印的下颌骨(左)和耳廓(右)。图片来源:Hyun-Wook Kang,Sang Jin Lee, In Kap Ko, Carlos Kengla, James J Yoo, Anthony Atala. A 3Dbioprinting system to produce human-scale tissue constructs with structuralintegrity. Nature Biotechnology (2016) doi:10.1038/nbt.3413

  那么这些“组织”和“器官”又是如何通过3D打印制造出来的呢?

3D打印器官是怎么做到的?距离移植人体有多远?你想知道的都在这 - 后花园网文 - 大杂烩

  图片来源网络

  首先,我们需要设计好数字模型蓝图,而细胞就如同普通桌面打印机中的浆料一样,从针头中挤出,像盖房子一样逐层构建,形成预定形状。

  但是,细胞和细胞之间没有粘结的话,一旦打印出来就会溃散,因此,一种叫做水凝胶的物质被用作支架,将细胞组装起来。

  在打印的过程中,水凝胶可以维持组织或器官的形状,并将细胞包裹、粘接,有序的堆叠在一起。水凝胶可以被生物降解,没有生物毒性。

3D打印器官是怎么做到的?距离移植人体有多远?你想知道的都在这 - 后花园网文 - 大杂烩

  图片来源:UC San Diego

  天然组织具有大量的管道结构,以供血液等多种液体在组织中流动。如果打印的组织或器官不具备管道空腔,那么细胞是无法存活的。

  因此在水凝胶支架中预留部分空腔,有助于初期的给养和代谢。

  当细胞存活并形成相对稳定的结构后,水凝胶支架就会被降解,并进一步形成供血管等管道发育生长的“空腔”。

3D打印器官是怎么做到的?距离移植人体有多远?你想知道的都在这 - 后花园网文 - 大杂烩

  “生物3D打印机”工作原理。墨盒中容许填充细胞和水凝胶。组织内部的空洞可供血管发育。图片来源:Hyun-Wook Kang,Sang Jin Lee, In Kap Ko, Carlos Kengla, James J Yoo, Anthony Atala. A 3Dbioprinting system to produce human-scale tissue constructs with structuralintegrity. Nature Biotechnology (2016) doi:10.1038/nbt.3413

  这样,典型的“生物3D打印机”的“墨盒”中就将填充由细胞、水凝胶组成的生物“墨水”,在打印过程中,生物“墨水”就会逐层堆叠成对应组织的形状。

  3D打印的器官和人体器官有什么区别?

  目前在实验室中通过3D打印制造的组织和器官,在尺寸、结构、细胞种类、细胞存活时间等多方面还和人体器官有差距或是有限制,所以绝大部分的3D打印组织和器官还没有能够作为移植器官植入体内。

3D打印器官是怎么做到的?距离移植人体有多远?你想知道的都在这 - 后花园网文 - 大杂烩

  3D打印得到的器官,已经能够维持固定的外形,具有简单的器官功能。

  然而,人体器官往往由多种不同细胞组成,各类细胞或是细胞集合发挥不同的作用,器官中又具有大量的血管、神经、各类管路等结构与细胞一起共同实现体内的复杂功能。

3D打印器官是怎么做到的?距离移植人体有多远?你想知道的都在这 - 后花园网文 - 大杂烩

  而现在3D打印组织或器官往往细胞种类单一,不具有复杂管网结构,通常无法实现人体器官的复杂功能,只能被称为“类组织”或“类器官”。

  3D打印的器官作为医学研究的工具,在药物筛选、肿瘤模型等方向发挥应用。

3D打印器官是怎么做到的?距离移植人体有多远?你想知道的都在这 - 后花园网文 - 大杂烩

  对于再生医学来说,3D打印使用来自受体的细胞,制作的组织和器官不具有免疫排异性,并且组织和器官的尺寸与功能等可以实现高度个性化定制。

  3D打印可植入的器官在不久的将来具有广阔前景,十分令人期待。

  本文系网易新闻·网易号“各有态度”特色内容

  

科普中国』的更多其他内容(随机显示)

01、一次性纸杯方便却并不安全,该如何挑选合适的纸杯呢?

2019/5/19 11:11:32

02、月球也要减肥?新研究称:月球已“缩水”100米!

2019/5/19 9:51:25

03、孙悟空和灭霸究竟谁更厉害?今天来科学地分析一下

2019/5/19 9:11:36

04、国外研究称,癌症或可治愈?再也不用谈癌色变了…

2019/5/18 14:57:53

05、内裤该多久换一次?穿多久就得扔?你一定要知道

2019/5/17 16:39:23

06、为什么明明是馍夹着肉,却要叫肉夹馍?

2019/5/17 13:57:24

07、几乎失明!眼睛竟长了虫子,罪魁祸首竟是家里的它

2019/5/16 15:54:28

08、这些症状出现是脊髓在报警,严重可瘫痪!

2019/5/15 13:42:55

09、奥运火炬,是什么助力它永不熄灭?

2019/5/15 13:01:22

10、地铁司机为什么能停得那么准?不是只找屏蔽门那么简单…

2019/5/15 8:44:53

11、停车时,车头要朝外还是朝内?这样做更安全,还有更多好处

2019/5/14 14:42:20

12、揭秘ICU:被送入ICU的患者如何解决吃饭问题?

2019/5/14 11:11:34

13、选电影院指南:IMAX、杜比、DTS…有什么差别?

2019/5/14 8:37:35

14、火锅九宫格是干嘛用的?竟然不是为了区分辣度!你可能一直在瞎涮

2019/5/13 15:28:45

15、6月1日起,去商超等地买东西,一定要看清这个标识

2019/5/13 13:32:40

16、身上3处疼,可能是血管堵了!做6件事不给血管“添堵”

2019/5/13 11:07:20

17、上厕所是蹲着好还是坐着好?这是一条有味道的科普

2019/5/13 10:36:28

18、眼睛出现这些症状一定要重视!每三个人中就有一个人患病…

2019/5/13 8:41:51

19、"人造奶"也来了!不需要奶牛的牛奶,你敢喝吗?

2019/5/12 2:40:35

20、吓出一身冷汗!吃小龙虾竟会感染肺吸虫?现在看还不晚

2019/5/12 2:21:31

21、为什么大象用鼻子吸水不会被呛到?

2019/5/10 14:59:05

22、午睡虽好,但这两类人最好别午睡

2019/5/10 14:49:01

23、仙人掌放在计算机旁真能防辐射吗?

2019/5/10 14:10:57

24、用嘴呼吸越来越丑!呼吸也能决定颜值了?先闭嘴看完

2019/5/10 13:36:35

25、甜饮料里到底含有多少糖?看了这些你还会再喝吗

2019/5/10 11:37:16

26、每天吃一把,防感冒、降血糖,还不花一分钱!

2019/5/9 15:05:29

27、和女友吵架气到手变"鸡爪"!生气原来会中毒,你还敢生气吗?

2019/5/9 11:26:30

28、1/3的癌症死亡是吃出来的!这些致癌食品,最好少吃!

2019/5/9 10:30:17

29、4小时不洗碗等于吃毒?这些洗碗误区,很多家庭中招了

2019/5/9 8:45:30

30、小学1-6年级易错笔顺动画演示,快看看你写错了没?

2019/5/8 16:45:08

31、汉堡真的是垃圾食品吗?

2019/5/8 16:31:19

32、动物园以狗充狼是因为爱情?别光看热闹,狼和狗的关系真的不一般

2019/5/8 15:32:53

33、颈动脉,人体最怕堵的血管!50%中风都跟它有关

2019/5/8 13:03:53

34、杨柳絮这么惹人烦,为啥不一砍了之呢?其实你根本不了解它

2019/5/8 10:20:03

35、不要再这样吃了,全是虫!快告诉家人!

2019/5/7 17:24:10

36、近期千万别吃这种海鲜,已有多人中毒!赶紧告诉家人…

2019/5/7 11:31:25

37、痛到怀疑人生!小腿抽筋,到底是因为缺钙还是要长个了?

2019/5/7 9:20:48

38、苍蝇落在食物上会做什么?让我们说的仔细一点

2019/5/6 15:10:29

39、为啥累的时候伸个懒腰就会特别"爽"?背后的原因你绝对想不到

2019/5/6 11:11:15

40、蛙声蝉鸣,今日立夏,这些习俗你都知道吗?

2019/5/6 9:11:13

41、2019年全国科普日北京主场活动展项征集公告

2019/5/5 18:07:08

42、野菜怎么摘、怎么吃?看营养专家、植物专家怎么说

2019/5/5 13:45:25

43、林俊杰的"丑"腹肌上热搜!究竟谁决定了腹肌的"与众不同"?

2019/5/4 16:46:55

44、这东西家家都有,防三高防硬化,浑身是宝!

2019/5/4 14:50:50

45、你离糖尿病到底有多远?具备这些因素的人应警惕

2019/5/4 14:34:45

46、多喝水和少喝水的最终变化,真的会让你想不到!

2019/5/4 14:25:36

47、为什么高铁不用安全带?竟是因为…

2019/5/3 11:06:13

48、警惕!路边碰到这种小土堆,赶紧躲远点!已有多人中招

2019/5/3 10:44:36

49、上百万人围观"几何变形"视频:缓解视疲劳,这么做对吗?

2019/5/2 15:11:15

50、不敢相信!靠闻味儿就能诊断疾病?是的,已经被证实!

2019/5/2 14:43:20