钟世镇院士团队骨骼3D打印进入动物试验阶段

科普小知识2022-07-12 12:25:25

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南方医科大学医学3D打印研究所的工作场景。

钟世镇院士团队骨骼3D打印进入动物试验阶段

钟世镇院士。

钟世镇院士团队骨骼3D打印进入动物试验阶段

打印的肝脏血管模型。

钟世镇院士团队骨骼3D打印进入动物试验阶段

写印刷脚模型。

钟世镇院士团队骨骼3D打印进入动物试验阶段

请打印出受损的头骨模型。

7月9日，台风莲花直接袭击广东。下午2: 15，南方医科大学生命医学大楼前开始下小雨。90多岁的中国工程院院士钟世镇从车上下来，慢慢关上门，拎着包走上台阶。如果不是因为最近的一次小手术，这位老人会坚持步行，提前10分钟来上班。

他的学生，南方医科大学基础医学院院长黄文华教授，现在正在3D打印学院看一台高精度打印机，一层一层地打印纯骨和非金属胫骨。另一名学生，欧阳钧教授，在广东省生物力学重点实验室进行了一项机械测试，以比较印刷骨骼和真实人体骨骼之间的压力差。在走廊的另一端，在人类组织工程实验室里，邱教授正在用10-20微米的细胞建造积木。他像变魔术一样挂断了电话，为测试和开发药物而建造了一个人类乳腺癌实体瘤。

黄文华团队使用骨粉和生物凝胶成功地分割动物骨头。移植后，研究小组将研究骨骼和真正骨骼之间的差距。“人们乐观地认为，类似的印刷骨骼将在6年内投入临床使用，在此之前还有很长的路要走。”

为了成功地印刷出真正的人体骨骼，还需要另外两个方面的研究:生物力学和三维印刷材料的研发，这正是教授和邱教授的研究方向。

加入骨粉和生物胶来分割山羊和兔子的骨头

同一天，在距离南方医科大学10多公里的珠江医院，于今年4月中旬刚刚完成肝癌切除术的吴先生正在接受复查。以前，肝癌合并肝硬化必须切除60%以上的肝脏，严重影响生命安全。然而，一方面，它得到了南方医科大学临床解剖学研究所所长许云教授设计的微创手术入路理论的支持。另一方面，黄文华教授使用3D打印机打印出患病的肝脏，肝脏静脉、动脉和门静脉完全暴露出来，供外科专家事先反复练习和演示。最后，吴先生只切除了42.8%的肝脏。

目前，3D打印是医学领域最重要的应用。它仍然停留在模拟复杂情况和允许医生提前练习手的阶段。此外，手术导轨以3D打印，外科医生可以根据导轨设置的面积完全操作和固定手术。"但毕竟没有实质性的植入，只是作为参考."

在此基础上，黄文华开始考虑人类和动物骨骼的3D打印。他想做的是用同种异体骨粉作为印刷材料。由于这种骨粉来自人类或同类动物，理论上比用金属材料印刷的骨头更容易与人体融合。

目前，他的团队已经使用山羊和兔子的骨粉和生物胶进行了山羊和兔子骨骼的三维打印。“这是异基因骨粉的概念。毕竟，它是相同的生物物种，具有更高的生物相容性。”如果人体骨骼被印刷，人体骨粉也将作为印刷材料，生物胶将发挥粘合作用，因为骨粉毕竟是失去骨细胞活性的无生命物质，骨粉和骨粉之间的聚合依赖于生物胶。

3D打印使用逐层扫描打印，一层细骨粉和一层生物胶。最终层数取决于打印对象的长度、高度和厚度。骨粉的直径通常在0的数量级。当骨最终通过层层堆积形成时，可能需要数千甚至数万层骨粉。

骨骼打印的当前限制不能超过15cm。

为了打印出“真正的骨头”，光靠黄文华团队是不够的。它还需要另外两部分研究的支持:一是生物力学的实验支持和修改方案，二是高密度印刷材料的研究和开发。这两个环节也是未来生物3D打印的关键环节。

“目前，山羊和兔子的骨印已经取得了一些进展和成果，但问题仍然存在。例如，生物相容性毕竟不使用兔子自己的骨粉作为材料，排斥现象仍然存在。还有生物力学问题。印刷出来的骨头肯定不会比原来的骨头更结实。”

对于国内外常用的类似印刷，如果没有材料上的突破，骨头的最大长度不能超过15cm。如果太长，如果轴承力太大，很容易断裂。这涉及到广东省医学生物力学重点实验室主任欧阳钧教授的老专业。

1991年，欧阳钧教授作为钟世镇院士的研究生学习。起初，他一直在研究骨关节、肌肉和纤维组织。钟院士决定了他的未来方向:生物力学。这原本是一个无法再立足的话题，但被许多医学同事忽略了。“我们都知道，如果对人体胫骨施加巨大的冲击，胫骨将会断裂甚至粉碎。然而，没有人研究过造成这种伤害有多难。”

钟世镇院士的团队在20世纪90年代开始测试这一方面。一方面，它是掌握最基本的数据，另一方面，它可以逆转相应的保护机制。1997年前后，该小组对儿童汽车进行了碰撞安全测试。样本被用来接受撞击。人们发现，一旦一名未成年儿童(14岁以下)在前排遭遇撞车事故，当安全气囊以每小时200公里的速度打开时，可能会折断孩子的脖子。即使是轻微的车祸，只要气囊被触发，都会对孩子脆弱的颈椎造成致命伤害。

与中国载人航天计划的合作是该团队进行的另一项大规模实验。“我们在数字人和数字医学的基础上做了大量实验，研究如何在太空舱进入大气层并最终着陆时确保宇航员的安全。”欧阳军和他的同事模拟了N组宇航员在不同条件下受伤的情况。假人和样本用于验证和测试人体各部分在冲击下的受力。这些测试完成后，我们将把数据提交给航空航天研究所进行相应的改进到目前为止，杨利伟拍摄的返回舱的1: 1实验座位仍在学校的展厅里。

在广东省生物力学重点实验室，人体胫骨种植在实验台末端的中间。加速冲击装置以不同的速度和强度从不同的角度对其进行冲击，然后观察损伤效果进行评估。这是欧阳钧团队正在进行的人体力学研究，旨在找出人体和实验对象在各种撞击条件下的安全阈值。这些阈值将成为黄文华团队骨骼3D打印的参考标准。

等待组织工程印刷材料研究的突破

在完成兔子和山羊骨骼的3D打印后，黄文华团队还进行了一些生物力学测试，发现需要更好的生物材料来获得原始骨骼的强度和韧性。这一重担落在了广东省组织建设与检测重点实验室主任邱教授身上。

邱是组织工程方面的专家。他向黄文华教授表达了巨大的压力。他是钟世镇院士专门聘请的非解剖学专家，承担着将传统解剖学从3.0提升到4.0的重大使命。

“组织工程是一门新兴的交叉学科，涉及材料化学、细胞学和生物医学工程等各个领域的技术和手段。这是解剖学的新生长点。”邱这样定义自己在队里的位置。

中国最早的组织工程研究热潮出现在20世纪90年代末，当时上海第九人民医院的曹以林教授发表了一篇关于美国裸鼠人耳的文章。组织工程很快成为热门话题。钟世镇院士也敏锐地捕捉到了这一热点，并认为未来组织工程将有重大突破。

2006年秋教授开始介入骨组织工程，利用人发中的角蛋白制备人工骨膜。后来，他将人类头发角蛋白扩展到生物材料领域。头发(人发角蛋白)用作生物导电材料，用作电子传感元件，其类似于人的电子皮肤，并且可以根据温度和湿度的变化而变化。

“作为一种重要的电子传感元件，它在假肢、人工皮肤等领域有着广阔的应用前景。例如，对于有残肢的患者，通过使用这种电子传感元件构造的机械臂可以部分地由脑中心控制。它不再是一个冰冷的铁钩或假肢，但也能执行一些由意识控制的简单活动，如喝茶和送水。”

在3D打印活性材料的开发方面，邱正与加拿大科研小组合作，计划在生物支架上种植肝和肾细胞，以制备合格的器官和组织。

乐观地说，类似的印刷骨骼将在6年内投入临床实践，在此之前还有很长的路要走。黄文华说。尽管印刷“真骨”的临床应用仍只是一个设想，但黄文华已开始尝试使用3D印刷技术来帮助完全或部分断指且无法再植断肢的患者大胆“组装”。

钟世镇院士清楚地记得，80年代后的广东，工伤事故发生率很高。受伤者通常是严重的病人，截肢，巨大的伤口和复杂的伤口。这需要从受伤身体的其他部位切下一段带有皮肤、肌肉和血管的皮瓣来填充复杂的伤口。一般来说，就是拆掉病人身上的东墙，填满西墙。有必要确保伤口的“西墙”可以愈合而不影响“东墙”的功能。目前，皮瓣可以取用的地方已经基本开发完毕。

然而，与工作相关的事故经常导致截肢，甚至所有截肢的肢体都被磨平，3D打印技术现在正在使用。黄文华使用3D打印技术打印出手掌的断裂部分，从病人的脚趾上切下复合皮瓣，并用脚趾替换手指。进行了三次类似的手术，一次是用脚的大拇指代替手的大拇指，一次是从双脚取出两个脚趾移植到手的手指上，还有一次是用脚趾移植的全部五个手指

黄文华认为，如果活性细胞可以用于印刷，干细胞可以用于诱导各种相应的细胞，匹配的器官可以直接印刷，这将是一个长期的愿景。“目前，3D打印研究所已加入广东3D打印产业创新联盟。在完美结合生物力学和组织工程的同时，我们有信心像个人裁缝一样印刷健康的器官。”