这个男婴是如何被 3D 打印拯救的?

这个男婴是如何被 3D 打印拯救的?

编者注:本文原作者 Jerome Groopman 是纽约客 1998 年以来的特约撰稿人,主要关注医药和生物学领域,研究方向是癌症和艾滋病的基本机制,目前他已经出了 50 本面向大众的书籍,在各大医学期刊上发表超过 180 篇的文章,这是他在纽约客发表的一篇关于3D 打印的文章,探讨 3D 打印是如何改变医疗和人类健康的。


2012 年的 2 月,密歇根州大学的一个医疗小组对一个 3 个月大的男婴实施了一个不同寻常的手术。

小男孩很不幸,一生下来就伴随着罕见的疾病:气管支气管软化,他呼吸管道的一部分组织太过于脆弱,以至于无法持续正常地「工作」,这让他的呼吸十分地困难,并且,这部分组织还时常堵塞附近重要的血管,包括主动脉,引发心肺的骤停。

这个可怜的新生儿被连接到一个呼吸器上,与此同时,医疗小组紧张地思考着如何进一步地拯救他。按照常理,他的呼吸管道中脆弱的那部分组织必须被修复或者替代,这对于一个只有三个月大的男孩儿来说,是一件非常大,非常危险的手术。

医疗小组咨询了男婴在阿克伦儿童医院的医生,最后,他们同意为这个复杂艰难的任务采纳一种更加合适的解决方法:3D 打印。

3D 打印如何让婴儿活下来的

顾名思义,3D 打印不是将墨打印在纸上,而是打印在一个三维的,连续的层面上,它的「墨水」是实实在在的原材料。

最早的 3D 打印技术由一个美国名为 Charles Hull 的工程师发明于十九世纪八十年代。「墨水」是一个名为丙烯酸树脂的液体,它可以在紫外线特别是激光束的暴露下变成固体。以前,汽车和飞机的制造商在电脑上设计出复杂的部分,然后交给制造商生产,不过现在,有了 3D 打印机,他们自己就可以打印出这些部分。

如今,三维的打印机变得便宜而且普及,Staples 和亚马逊现在都在提供 3D 打印机的服务,3D 打印的产品范围也在扩大,从眼镜,耳塞,首饰,建筑模型甚至一栋房子,不一而足。在美国,还有人在争论,能不能在家中使用 3D 打印的手枪(目前,这在技术上已经实现)。

(图为亚马逊的 3D 商店提供的物品)

打印机的材料也有很多,除了塑料,还有金银和蜡、陶瓷甚至食物(美国宇航局 NASA 就正在研制一个零重力的 3D 打印机可以为宇航员制造出披萨)。

现在,你只需要花很少的钱,就可以上传一张你脸部的头像,获得一种 3D 形式的摇头娃娃。

密歇根州大学医疗小组就是使用了这样的原则来操作手术的,研究成员用 CT 扫描了婴儿的胸部,并其转化为一个关于呼吸道细节的,三维形式的可视化图像,

从这个模型中,他们设计并打印出一个夹板——一个很小的「气管」,这个「气管」由生物兼容性相同的材料构成,它将紧贴在气管的脆弱部分,并保持其处于张开的状态。它强大灵活,随着婴儿的长大而扩展。这个夹板将维持三年左右的时间,三年的时间足以让男婴的身体内部生长出正常的细胞,最后,夹板将没有毒副作用地溶解在体内,。

植入手术结束后的三个星期,婴儿离开了它的呼吸机,顺利回家。随后在 2013 年 的 5 月,在新英格兰的医学杂志上,研究人员称,男孩已经健康成长,夹板目前还没有任何不可预测的问题出现。

这种形式的手术正在医生和医学研究中变得越来越普遍,几乎每天,我都会收到来自医院新闻办公室的邮件,告诉我一家大学是如何使用 3D 打印技术在实际的手术之前,创造一个错综复杂的现实医学模型,包括一个患者的手指、视神经等。

外科医生正在植入 3D 打印的支架,假肢和人体头骨的部分替代物。3D 打印技术正在让制造本身变得更加民主,而我们选择要打印的事物也变得越来越具有私密性。已成为事实的是:渐渐地,我们正在打印我们自己。

定制你的医疗器械

今年的五月,我参加了在科罗拉多州的阿斯彭思想节,其关注的主要话题之一就是健康领域的创新。第一个演讲者是个子很高,蓄着大胡子的 Scott Summit, 在一家名为 3D System 公司做工业设计师,这家公司由 Charles Hull 创立,随后成为世界上 3D 打印和服务领先的公司之一,公司正在设计一个很流行的产品名为 Invisalign,用来替代矫正牙齿的金属牙套,然后,一个个性化的,看上去像透明的塑料牙套一样的矫正器就被打印出来供患者佩戴,在牙齿被完全矫正好之前,这个矫正器的设计会不断调整并打印出新的。 (注:阿斯彭思想节发起于 2004 年,举行地位于美国中西部的科罗拉多州的阿斯彭。被业界誉为美国的达沃斯论坛,是全球各行各业顶尖精英人物的聚会。聚会的目的是探讨和推广具有前瞻性的理念和创意。)

3D System 公司正在医疗市场做出稳定的进展,几个月之前,他们正在和奥克兰儿童医院的研究者完成了一个早期的测试,监测一个新的脊柱支架是否适合用于治疗患上脊柱侧弯的孩子。为了治疗这种失调,患者醒来的每个小时都必须佩戴上支架,但是大多数孩子受不了这样。「如果你看一下大支架,他们是压在孩子的身上的。」Summit 在电话中告诉我,「他们带着维可牢尼龙搭扣带(Velcro straps),这东西到了夏天很热。很多青少年年也不愿意带着它奇怪地走路。」

对此,我感同身受,几年前,在一个脊柱的手术结束后,我必须连续几个月佩戴相同的支架,这种感受实现难以容忍,支架非常不舒服。

Summit 的新支架看上去则不一样,它看上去像是一个花边背心,它是由磨细尼龙粉末精确地熔化制成,然后使其固化成金银丝图案。

最终的结果是轻,透气性好,并且私人定制也可以满足穿用者的身体和医疗需求,并可以很容易地穿上。该公司在 22 个女孩身上做了临床实验,并且想让他们更加被广泛地应用。

在阿斯彭思想节上,和 Summit 一起出现在舞台上的,还有一个名为阿曼达博克斯特尔 46 岁坐轮椅的女人。1992 年,一场滑雪事故导致博克斯特尔无法使用她的腿;现在她是桥接仿生学的领导者,这个组织试图帮助瘫痪症人士恢复运动。

2013 年,3D Systems 的研究人员在扫描了博克斯特尔的下半身的轮廓,然后为她的躯干,大腿,小腿打印出由尼龙弹性纤维做出的贴身舒适的套筒。

然后,他们将这些连接到一个有机动腿支架和手势控制的现存设备中。最终,它形成了一个定制的外骨骼;博克斯特尔穿着它就可以在会场上自如地走路了。

Summit 表示,其它电动助行设备也存在,但是由于他们没有基于个人进行打磨,当设备在腿部和臀部造成压力时,佩戴者容易擦伤并发生感染。博克斯特尔后来告诉我,「我爱我的机器人,它源自于我并服务于我,但我想要更多。我想要把它当做我的时尚和性感的跑车。」

当它们植入人体后……

目前,大多数的 3D 打印的医疗设备的目的是从外部支撑起人体,但是,越来越多地的技术开始探索 3D 打印怎样进入我们的身体当中。

3D Systems 公司同样为 一家名为 Conformis 的公司提供技术,这家公司在一年的时间里打印千余定制的膝关节植入物。(市场对定制膝关节植入物的看法不一,法院仍然怀疑他们是否能够提供一个更好的植入物)

今年早些时候,在威尔士的外科医生采用了 3D 打印机来重建一个 29 岁男人的面部骨骼,这名男子在一次摩托车事故折断了左颧骨,眼窝,上颌骨和颅骨。医疗队在受损骨骼的基础上,扫描出完整的骨骼,并确定出完整的面部架构是什么样子的。然后,他们打印出用钛制成的复制品,并且成功植入了。

近日,我采访了奥伦泰珀博士,颅面外科的医疗中心的主任,他在自己的医疗实践中创造性地使用了 3D 打印技术。2012 年,他要一个名为 Jayla 女婴做手术,这名女婴出生时只有一个简陋的下巴。这使得她难以呼吸;非常迫切地需要为她进行一次气管切开术。通常的解决方法是全颚重建,这将需要大量的,有风险的面骨移植手术,而且手术只有在婴儿稍大一点才能进行。

相反,泰珀为 Jayla 头部做了一个全 CT 扫描,并从扫描中获取的信息打印出一个精细的下巴模型,该模型不会取代她现有的下巴;相反,泰珀将她的现有颚改变成一个在形状上跟模型非常相似的部分。

然后,泰珀打印出了一个类似于三维模板,完全贴合在她脸的下半部分;它有缝隙和孔洞,因此可以不破坏她的面部神经。最后,他在下巴上附上棘轮;每一天,他拉着她的下巴向前一毫米,让她的骨细胞生长在延伸的区域里生长。许多星期后,当整个处理完成时,Jayla 有一个正常大小的颚。

泰珀现在每年都会在两三个有类似的畸形身上进行相似的手术。

「我是来自于年轻的一代,是熟悉新技术的人,」他告诉我。「你可以尝试在没有虚拟建模、没有 3D 打印的情况下做这样一个复杂的手术。不过,这将是更具挑战性,更危险,有更多失败的可能性。」

这都可以实现,那么打印一个器官还面临什么

更大的挑战还在前面,多年来,研究者们梦想着在实验室造出人造肾脏,肝脏、其他器官和组织,使得患者谁需要移植手术时不必寻找一个捐赠者。

但在实验室中生长出可用的组织是十分困难的事情;用细胞代替墨进行打印的 3D 打印机的问世则提供了一线希望。

早在 20 世纪九十年代,安东尼·阿塔拉——维克森林大学再生医学研究所的主任,就开始了在他的实验室中尝试用生物可降解支架培育人体膀胱癌的细胞。这些细胞形成了一种包装袋,他将他们成功地植入七个膀胱功能差的孩子体内,以缓解他们的病情。

试验宣告成功后不久,一批研究人员宣布成功打印出器官,但是这其中的大多数都只是用 3D 打印出了的聚合物支架,并在上面培育出气管、心脏或者肾细胞,没有一个成功地培育出成熟的器官。随着科学家做出更加一致的努力,在实验室中打印出器官,这个问题已不再是他们是否会成功,而是如何成功。

第一个显微镜被发明在十六世纪,与此同时,望远镜诞生。他们很快向人们展现出两个领域:遥远的天体和微观的有机体。但是,天文学家则容易通过三个维度掌握宇宙的机制,细胞生物学家常常似乎仍然停留在一个二维空间。

这是因为检体必须放在一个薄的玻璃载玻片下,以便它可以从上方或下方进行照明。这样一来,即使有现代化的电脑和绘图软件,生物学家很难理解我们的细胞是如何互相作用形成立体的组织和器官。

重构器官的尝试面临两个方面的挑战,莱斯大学的一名生物工程师 Jordan Miller 告诉我:这需要至少十亿不同类型的细胞,同时这些细胞还需要被组织起来,保证它们可以交换营养、成长状况以及其他信息。

「这是一个充满炒作的领域。」哈佛大学的材料科学家詹妮弗·刘易斯最近告诉我。「我记得有一次 我看到一个 TED 的演讲,我刚开始看视频,那个家伙拿着一个像肾脏形状的物质说:我们正在打印一个肾。我认为这是误导性的,把它的形状打印出来,让它看上去像一个肾。但实际上不是,我们不希望给人们虚假的期待,这对这个领域的名声不好。」

但刘易斯仍然为 3D 打印技术给制药行业所带来的改变怀有极大热情,每年会有几十亿的金额投入到失败的药物发展中,如果生物打印组织可以实现的话,被实验的药物可以在这些组织上做实验,看药物如何发生反应,并且有什么副作用。刘易斯说:「我们希望建立一个快速失败的模式,这样药物可以在人体和动物实验之前,在 3D 的人体组织中进行评估并确定它们的副作用。」

刘易斯也承认,他确实想过这个技术有着打印出整个,可以正常代谢的器官的潜力,最大的挑战来自于如何创造出一个完整的肾,这是登月一样的挑战,第一步是制造出一个肾单位,肾器官的一个基本的过滤组织,最近,这个小组发现了一种制造人体肾部上皮组织的方法。「我们把它看成是一个迈向成功的重要阶梯,预示着下一步的发展,创造一个单独的肾组织就已经是伟大的一步了,可是在每个肾里有一百万个这样的组织。」

当我离开刘易斯的实验室之前,他带我看了恒温箱,一个在打印机附近和冰箱差不多大小的白色盒子,他打开了恒温箱的门,在架子的一个玻璃载片上,有一个已经被印刷出来的已经完成的组织。组织的一端是是一个精致的塑料管,插进其中,提供葡萄糖、氨基酸等多种营养成本,而另一端,则有一个同样的塑料管,带走二氧化碳和其他的细胞废物。刘易斯说:「这个生物组织在过去两周依然存活着。其实没有什么可看的,但是它还活着,这让我相信这是非常伟大的开始。」

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