當(dāng)一些謹(jǐn)慎之士還在爭論3D打印技術(shù)未來能否掀起一場產(chǎn)業(yè)革命時,，這項技術(shù)卻已讓生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域看到更美的未來……
■本報記者 楊琪
基于注射的液態(tài)金屬電極對牛蛙腿中坐骨神經(jīng)進(jìn)行刺激,。
一只實驗所用的牛蛙早已作完前期準(zhǔn)備，等待它的,，是以一次奇妙的體內(nèi)3D打印體驗：“墨汁”——液態(tài)金屬被清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院與中科院理化技術(shù)研究所聯(lián)合小組（以下簡稱聯(lián)合小組）的實驗人員用微型注射器吸入,，然后按照制定好的路徑順序噴注入這只牛蛙體內(nèi)。
一會兒,，通過X光照片顯示,，在牛蛙體內(nèi)的坐骨神經(jīng)上打印出了一個電極，而這樣一個“大手術(shù)”卻未留下大創(chuàng)口,，如果不仔細(xì)查找,，很難發(fā)現(xiàn)微型注射器留下的針眼。
當(dāng)一些謹(jǐn)慎之士還在爭論3D打印技術(shù)未來能否掀起一場產(chǎn)業(yè)革命時,，這項技術(shù)卻已讓生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域看到更美的未來,。
好消息一個接一個地傳來：在體內(nèi)直接3D打印人工器官移植手術(shù)成功。如今,，聯(lián)合小組提出并實現(xiàn)了一種全新且更具微創(chuàng)性的3D醫(yī)療電子打印制造技術(shù),。
“我們期望，能夠在生物體內(nèi)利用3D打印技術(shù)直接構(gòu)建出非常精密的醫(yī)療器械,?！甭?lián)合小組負(fù)責(zé)人劉靜教授說。
他形象地將此比喻為,，通過一個針孔將液態(tài)金屬按照程序源源不斷注入體內(nèi)目標(biāo)組織處,，運用3D打印技術(shù)鑄造出比“東方明珠塔”還要精細(xì)的醫(yī)療器械。
3D打印敲開微創(chuàng)治療之門
今年5月,，美國俄亥俄州的男孩Kaiba Gionfriddo成功移植了利用3D打印技術(shù)制成的人體氣管,。
密歇根大學(xué)的科研人員們對此表示，將高分辨率成像技術(shù),、計算機輔助設(shè)計與生物材料的3D打印結(jié)合起來,，可以針對患者的特定解剖條件創(chuàng)建可植入設(shè)備,。
英國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)采用3D“打印技術(shù)”，基于胚胎干細(xì)胞能夠定制化打印制造人體器官組織,，這意味著絕望的重病患者能夠很容易地獲得可供移植的肝臟,、心臟和其他人造器官。
可以想見,，生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域正在領(lǐng)略3D技術(shù)帶來的神奇與魅力——人們不再為移植器官稀缺而困擾,，移植之后的排異反應(yīng)也將大大減小。
但是,，這些手術(shù)都會獲得同樣的“紀(jì)念品”——傳統(tǒng)植入式醫(yī)療設(shè)備往往需要借助一系列復(fù)雜煩瑣的開顱,、開胸手術(shù)、植入及縫合過程,，常會給患者帶來巨大的身心痛苦,，更為甚者會引起嚴(yán)重?fù)p傷。
“如果采用微創(chuàng)3D電子打印制造,，創(chuàng)口直徑只有0.5毫米,。”劉靜說,，其實,，這就是一個小針眼的尺寸。
他表示,，可植入式生物醫(yī)學(xué)電子體內(nèi)3D打印借助臨床上常用的微型注射器按照預(yù)先設(shè)計的加工流程將封裝材料與具有良好導(dǎo)電特性的液態(tài)金屬墨水,，在圖像引導(dǎo)下以微創(chuàng)方式按既定路徑順序注入體內(nèi)，實現(xiàn)空間結(jié)構(gòu)可控且功能各異的電子設(shè)備,，如典型醫(yī)用植入式電極及RFID等,。
“我們已經(jīng)在小鼠體內(nèi)進(jìn)行了這樣的實驗,，并獲得成功,。”
移植不為“器”所傷
采用以上這種方法無創(chuàng),，且可以借助于小小的精密注射器,，便可實現(xiàn)體內(nèi)3D多尺寸設(shè)備的構(gòu)建，大大降低了患者的疼痛感,，此外,，“這項技術(shù)在終端體內(nèi)成型制造省去了外部加工等工序，因而顯著降低了制造成本,?！眲㈧o表示。
再者,，所采用材料良好的生物相容性及柔性特征大大提升了在體內(nèi)應(yīng)用的適用性,，研究團(tuán)隊認(rèn)為這也可使患者享受到更加舒適便捷的醫(yī)療服務(wù),。
為人類未來創(chuàng)造無限可能，這正是科技的迷人魅力,。然而,，科研中的點滴積累都凝聚著科研人員無數(shù)次的探索。
比如,，在醫(yī)療器械體內(nèi)3D打印方法中,，科研人員面對的一道難題是材料該如何選取。
聯(lián)合小組采用各種組織進(jìn)行離體實驗,，發(fā)現(xiàn)并非所有的液態(tài)金屬材料和封裝材料都適合注入組織,，有的“墨水”注入后卻“不聽話”，在組織內(nèi)到處流淌,，很難成型,。“針對不同組織和部位,，要選用不同的3D打印‘墨水’,。”
還有,，“注射過程也沒有想象中那么簡單容易,，如何控制是個大挑戰(zhàn)?！眲㈧o坦言,。
現(xiàn)在，聯(lián)合小組使用的是手動控制,，“之前我們已經(jīng)積累了大量手動操作的經(jīng)驗,，現(xiàn)在手感不錯，而且已經(jīng)能夠?qū)Υ诉^程加以可視化,?！彼硎尽?
這種醫(yī)療器械體內(nèi)3D打印方法目前仍處于技術(shù)開端與成長期,，其進(jìn)一步推廣應(yīng)用需要發(fā)展出圖像引導(dǎo)下的精細(xì)且高度自動化的智能型操作技術(shù)如手術(shù)機器人等,，以提升3D打印手術(shù)的精度與準(zhǔn)確度。
“就如同科幻電影《普羅米修斯》中,，可以依靠機器人來實現(xiàn)異常精密,、安全的全自動手術(shù)?！?
跨界思考撞出火花
“可植入式生物醫(yī)用電子體內(nèi)3D打印成型技術(shù)的研究脈絡(luò)繼承了之前我們一系列研究的思路,，是一個不斷積累的遞進(jìn)過程?！眲㈧o說,。
這其中涉及的幾個關(guān)鍵詞：植入,、微創(chuàng)、3D打印和液態(tài)金屬,，組合起來似乎是那么風(fēng)馬牛不相及,。
早期，聯(lián)合小組開展過的植入式醫(yī)療研究就有心電,、心臟起搏器等范疇,，比如將電極、電源植入體內(nèi),，心臟起搏器,、神經(jīng)刺激器等便可利用人體體溫溫差進(jìn)行發(fā)電來工作。
而另一個關(guān)鍵詞“微創(chuàng)”,，實驗室則積累了十多年經(jīng)驗,，“最近這一領(lǐng)域的研發(fā)已開花結(jié)果?！眲㈧o所指的便是實驗室推出的腫瘤微創(chuàng)高低溫復(fù)式消融治療系統(tǒng),、血管介入式全身熱療腫瘤微創(chuàng)治療系統(tǒng)等設(shè)備。這些設(shè)備的研發(fā)最早于1999年啟動,。
“更有意思的是,，十幾年前，我們還啟動了液態(tài)金屬的研發(fā),。那時的研究重點與現(xiàn)在這一技術(shù)可以說是風(fēng)馬牛不相及,。”劉靜說,。
當(dāng)時,，科研人員一心要解決計算機CPU芯片散熱問題，為此啟動了液態(tài)金屬的研究,。在劉靜科研團(tuán)隊看來,，液態(tài)金屬是一種非常神奇的材料，在室溫下可流動,，還具有導(dǎo)電,、導(dǎo)熱等特性,，“令人非常著迷”,。
隨著研究的深入，劉靜意識到,，液態(tài)金屬應(yīng)該可以應(yīng)用在更大范圍內(nèi),，比如在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域可否引入？
將液態(tài)金屬應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)中,，這在國內(nèi)外一直都很少有人考慮過,。劉靜帶領(lǐng)團(tuán)隊進(jìn)行了開端工作,。“令人怦然心動的是,，可流動的液態(tài)金屬注入人體內(nèi),，不會造成大的創(chuàng)口，并且可以按照需要形成醫(yī)療器械,，甚至所實現(xiàn)的終端對象個頭可以很大,。這是最獨特的一點！”
從微創(chuàng)治療到植入式醫(yī)療電子的研究,，從液態(tài)金屬到3D技術(shù)可在任意表面上打印,，最后利用3D打印技術(shù)將液態(tài)金屬源源不斷地注入體內(nèi)，構(gòu)建所需的醫(yī)療器械——這個“樸素的想法”迅速地被串聯(lián)在一起,。
“我們相信,，不遠(yuǎn)的將來，隨著技術(shù)的不斷成熟將會在植入式醫(yī)療,、康復(fù)醫(yī)學(xué)等更廣闊的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮重要作用,。”劉靜和團(tuán)隊期待著越來越多的專業(yè)人員加入到這一領(lǐng)域的研究和應(yīng)用中,。
