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“3D打印”再造人体器官

2013-2-22 14:51| 发布者: CNCELAB| 查看: 3008| 评论: 0

摘要: 英国赫瑞瓦特大学和一家干细胞技术公司合作,开发出一种真空阀门式(valve-based)3D打印技术,首次将3D打印拓展到人类胚胎干细胞范围。这一突破使得利用人类胚胎干细胞来“打造”移植用人体组织和器官成为可能,打印 ...

       把人耳用3D打印机制造出来,这一不可思议的应用已经在美国得到了实践。
       美国当地时间2月20日,康奈尔大学研究人员在《公共科学图书馆综合卷》上发表报告称,他们利用牛耳细胞在3D打印机中打印出人造耳朵,可以用于先天畸形儿童的器官移植。
       3D打印机的原理跟喷墨打印机类似,材料从喷嘴喷出,层层叠覆,最终形成一个三维物体。3D打印无需用纸,而其“颜料”则是ABS(一种树脂)、PLA(一种生物材料)或聚碳酸酯、金属粉、黏土,甚至活细胞等这样的热塑性原料。这比把一块材料切掉多余部分来得高效多了。而且不像注塑成型方式,它不需要设置一条装配线,是一种个性化的生产模式,借助的是计算机辅助设计、激光扫描、材料熔融等技术。
       类似的人体再造例子还有。今年2月,英国赫瑞瓦特大学和一家干细胞技术公司合作,开发出一种真空阀门式(valve-based)3D打印技术,首次将3D打印拓展到人类胚胎干细胞范围。这一突破使得利用人类胚胎干细胞来“打造”移植用人体组织和器官成为可能,打印结构还能用于药物测试,加速改良测试过程。相关论文发表在今年2月5日出版的《生物制造》杂志上。如果生物打印机能够使用病人自身的干细胞,那么器官移植后的排异反应将会减少。
      《经济学人》分析,3D打印技术的出现,或许将引领第三次工业革命。如果说20世纪初,诞生于美国、以装配线为标志的第二次工业革命,制造业进入大规模生产的时代。那么3D打印的出现,将让制造业重回小规模、个性化时代,此时,制造业的核心将是创造能力,而非规模优势。
       3D打印技术因此也引来了多国政府的关注。2012年,美国政府正式宣布建立国家增材制造创新机构,推动3D打印技术向国家主流制造技术发展。
       据《科学时报》今年2月报道,继去年12月工信部副部长苏波表态将推动3D打印产业化之后,近日科技部有关人士也向媒体透露,目前3D打印相关战略规划正在研究制定中,有望于全国“两会”后公布。

       器官如何打印
       3D打印是将设计转为实物的手段。因此,3D打印技术首先是获得设计图。
       以打印耳朵为例,美国康奈尔大学研究人员首先利用快速旋转的3D相机拍摄数名儿童现有耳朵的三维信息,然后将其输入计算机,3D打印机会据此打印出耳朵模子。
       研究人员在模子中注入特殊的胶原蛋白凝胶,这种凝胶含有能生成软骨的牛耳细胞。此后数周内,软骨逐渐增多并取代凝胶。3个月后,模子内出现一个具有柔韧性的人造外耳,其功能和外表均与正常人耳相似。
      这一技术有其应用市场。先天性的小耳畸形在中国的发病率为5.18:10000左右。常规的治疗手段让患者痛苦,而且塑形困难。3D打印人造耳朵不仅能够克服上述缺陷,还能够个性化“定制”,帮助失去部分或全部外耳的人士。
      打造人造耳朵只是牛刀小试。英国科学家在进行的项目有着更大的野心:将人类胚胎干细胞用于3D打印,这将使移植用人造组织和器官成为可能。人类胚胎干细胞来自胚胎早期阶段产生的“干细胞系”,没有明确的发育方向,可以分化为人体内任何类型的细胞。
       参与上述项目的罗斯林·塞拉博干细胞技术公司商业开发经理詹森·金称,“通常,实验室培养细胞是在二维平面生长,只有少数细胞能用三维打印方式。人类干细胞太敏感,难以用这种方式来控制。这是世界上首次将人类胚胎干细胞3D打印出来并进行培养。”

       第三次工业革命
       有人戏称,如果3D打印机可供家用,那么10年之内人们就能下载、打印那些丢失的宜家螺栓了。不过3D打印的意义不仅在此,其将深刻重塑人类工业生产的图景。
       被誉为中国3D打印之父的中国工程院院士卢秉恒在接受《科学时报》采访时曾说,3D打印具有制造周期短,适合单件个性化需求等特点,在大型薄壁件、蜂窝状复杂结构部件、钛合金等难加工、易热成形零件方面具有较大优势。
       3D打印不必像以前那样锻打、弯曲、压切材料的方式进行生产。《经济学人》举例称,比如现在个人如果想让工厂生产一把自己设计的锤子,采用工厂生产的方式,需支付上千美元的费用。仅做一个锤子,成本将无比高昂,如果是生产成千上万个锤子,每个锤子的成本将大大降低。
       对3D打印机来说,规模经济并不适用。无论是生产一件产品还是生产机器能容纳的最大量的产品,开动机器的成本都是一样的。这就像二维的办公打印机一样,无论打印一个字母,还是直到打印到墨盒没墨,纸槽没纸,打印的单位成本总是一样的。3D打印技术将使中小企业甚至个人企业家大为受益,后者发布新颖的产品将会更加容易,成本更低。
       发布新颖的产品更加容易,创意、设计能力便将成为工业生产的核心。《经济学人》分析,“生产方式像个轮子一样兜了个圈又回到了原点,从大规模生产方式又转到了更加个性化的生产方式。这一转变反过来将会把制造业的某些就业岗位带回发达国家。”
       虽然3D打印前途无量,但目前普遍的看法是,3D打印在材料和精度方面还是遇到了很大瓶颈,加之成本高企,这些障碍使得3D打印在目前无法获得广泛应用。
       据卢秉恒向《科学时报》介绍,目前中国3D打印的大部分应用仍然集中在军工领域的开发与模具的制造上。而从设备数量上看,美国目前各种3D打印设备的数量占全世界40%,中国只有8%左右。
  

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