頭顱高聳，前額扁平，眉骨眼眶深度內(nèi)陷，頂骨開(kāi)裂，8個(gè)月的男嬰活像個(gè)“外星人”。上海兒童醫(yī)學(xué)中心神經(jīng)外科鮑南主任醫(yī)師將3D打印技術(shù)運(yùn)用于嚴(yán)重小兒狹顱癥的矯治手術(shù)中，并獲得成功?；純?月31日出院，迎接了自己的首個(gè)六一兒童節(jié)。
5月中旬，上海兒童醫(yī)學(xué)中心通過(guò)手術(shù)影像檢查發(fā)現(xiàn)，患兒患有非常嚴(yán)重的狹顱癥，又稱顱縫早閉或顱縫骨化癥，這是一種胎兒生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中可能出現(xiàn)的疾病，新生兒發(fā)生率為0.6/1000。一般而言，人腦在出生2個(gè)月后，腦重量會(huì)增加20%，到6個(gè)月時(shí)增加一倍，為了給腦預(yù)留足夠的生長(zhǎng)空間，人在出生后，顱骨之間會(huì)留有數(shù)條縫隙，直到腦發(fā)育完成后，顱縫才會(huì)逐漸閉合。如果縫隙過(guò)早閉合的話，顱腔就太小了，會(huì)壓迫和限制正在迅速發(fā)育中的腦組織，引起顱內(nèi)壓增高，并可能引起腦功能障礙。因此必須在患兒發(fā)育關(guān)鍵期來(lái)臨之前進(jìn)行手術(shù)治療。
男嬰頭似“外星人”，醫(yī)生3D打印重拼顱骨
骨組織工程學(xué)（BTE）的基本思路：干細(xì)胞+支架材料+構(gòu)建
主刀醫(yī)生鮑南表示，3D技術(shù)的運(yùn)用使顱骨整形更具精確性，在塑形的同時(shí)還可以使重塑后的面容更具家族特征。更重要的是，顱骨整形有利于患兒大腦發(fā)育，使孩子的智力、情感得到正常發(fā)展。鮑南介紹，手術(shù)有兩個(gè)重要的目的。一是要把患者畸形的顱骨全部拆卸，松解被壓迫的大腦。二是對(duì)顱骨進(jìn)行分割，逐個(gè)塑成需要的形狀，再重新拼接，這個(gè)過(guò)程就像玩拼圖一樣。
然而，手術(shù)不僅需要技術(shù)，還要有立體裁剪的藝術(shù)美感，對(duì)于這個(gè)不到1周歲的孩子來(lái)說(shuō)風(fēng)險(xiǎn)很大，也可能存在出血的可能。因此，手術(shù)前考慮采用3D建模的形式等比例還原患兒頭骨，在模型上預(yù)先設(shè)定裁剪方案、手術(shù)切割線等，確保“精準(zhǔn)手術(shù)”。
5月21日，手術(shù)經(jīng)歷4小時(shí)順利完成，術(shù)后7天“拆線”，經(jīng)過(guò)幾天的恢復(fù)期，“外星人男嬰”已經(jīng)逐漸呈現(xiàn)出完美的頭型。
骨組織工程學(xué)為骨缺損修復(fù)提供希望
在過(guò)去的十多年里，科學(xué)家們已經(jīng)開(kāi)始用組織工程學(xué)的手段，在實(shí)驗(yàn)室里培養(yǎng)制造人體器官（例如耳朵），而今天科學(xué)家們更多地在探索骨骼領(lǐng)域的組織再造，而且是用打印機(jī)直接打出來(lái)。
自骨外科手術(shù)時(shí)代開(kāi)啟一百年以來(lái)，骨缺損就一直是個(gè)困擾醫(yī)學(xué)界的大難題。迄今為止，人類使用的自體移植骨、異體移植骨、異種骨都不能滿足廣泛的、復(fù)雜情況下的治療需要，且這樣那樣的各種植骨并發(fā)癥令人煩惱。上世紀(jì)90年代以來(lái)的骨組織工程學(xué)（Bone Tissue Engineering，BTE）則為骨缺損修復(fù)提供了長(zhǎng)期希望。
一個(gè)完整的BTE是由四個(gè)不可或缺的要素構(gòu)成的：多能分化的干細(xì)胞，能夠在體內(nèi)外發(fā)展為成骨細(xì)胞，繼而生成骨細(xì)胞；干細(xì)胞發(fā)育生長(zhǎng)的骨架、通常是具備生物活性、模擬人體微孔結(jié)構(gòu)的的無(wú)機(jī)或有機(jī)材料；促進(jìn)分化、成骨和骨組織成熟的各種細(xì)胞因子；新骨發(fā)育和修復(fù)過(guò)程中所必需的血液循環(huán)。除了具備以上四個(gè)因素外，還有一個(gè)最關(guān)鍵、也是最難的問(wèn)題，是實(shí)現(xiàn)以上各個(gè)要素的整合，真正建構(gòu)出一個(gè)組織工程骨來(lái)。
借3D打印把骨組織直接打印出來(lái)
骨組織工程學(xué)這么好，在臨床應(yīng)用方面的進(jìn)展卻只能用“慢慢吞吞”來(lái)形容。遲緩的原因，最主要就兩個(gè)：一是復(fù)雜而慢；二是不經(jīng)濟(jì)。骨缺損的修復(fù)不容許有漫長(zhǎng)時(shí)間的等待，如曠日持久的實(shí)驗(yàn)室制備、合成、培養(yǎng)，這也會(huì)讓治療的經(jīng)濟(jì)代價(jià)高得不切實(shí)際，骨缺損的更需要有個(gè)性化的方案。正如到上海兒童醫(yī)學(xué)中心求治的“外星人男嬰”，主刀醫(yī)生鮑南就表示，每一例狹顱癥的矯形手術(shù)都是獨(dú)一無(wú)二的。
在1999—2004年這段時(shí)間里，3D打印開(kāi)始被用于細(xì)胞支架材料的打印，這可是個(gè)革命性的進(jìn)步，骨組織工程學(xué)治療所需的生物支架材料可以不受批量生產(chǎn)的限制，隨時(shí)打印隨時(shí)取用了。
是否可以用3D打印的方式，直接將細(xì)胞、蛋白分子和支架材料一股腦兒地直接打印出一個(gè)立體結(jié)構(gòu)來(lái)呢？有位俄羅斯科學(xué)家Mironov認(rèn)為，這是可行的。2009年，Mironov先生首先用計(jì)算機(jī)模擬出一個(gè)骨缺損部位的立體形態(tài)，然后進(jìn)行3D的細(xì)胞、支架、成骨因子“一攬子”打印，再在培養(yǎng)箱里進(jìn)行短時(shí)間的“孵育”，然后就可以把這個(gè)完全個(gè)性化地、同時(shí)具備人體新生骨骼一切必備要素的3D打印骨，移植在患者身上。Mironov把這個(gè)稱之為“生物復(fù)制”。這個(gè)在骨科領(lǐng)域提出的“生物復(fù)制”概念，準(zhǔn)確地說(shuō)，是用當(dāng)時(shí)還很新潮的3D打印技術(shù)，把骨組織直接打印出來(lái)。
3D打印技術(shù)應(yīng)用于骨組織的直接打印，發(fā)展到今天，已經(jīng)日漸成熟。在“外星人男嬰”的治療過(guò)程中，主刀醫(yī)生鮑南表示，以前進(jìn)行顱骨矯形手術(shù)全靠術(shù)中解剖后按實(shí)際情況憑經(jīng)驗(yàn)實(shí)施，到底效果如何只能等手術(shù)結(jié)束，頭皮縫合完后才能看出來(lái)?，F(xiàn)在運(yùn)用3D打印技術(shù)，術(shù)前就按1∶1的比例重現(xiàn)了畸形的頭骨，鮑南醫(yī)師一邊在腦中想象著裁剪方案，一邊在這個(gè)立體的、真實(shí)的頭骨模型上畫下了手術(shù)切割線。實(shí)物模型不僅為手術(shù)方案提供精準(zhǔn)指南，還可以通過(guò)提前測(cè)量父母面部數(shù)據(jù)，為患兒塑形后的面容體現(xiàn)父母特征提供依據(jù)。
骨打印會(huì)變得越來(lái)越方便越來(lái)越快速
在Mironov的啟發(fā)下，歐洲、美國(guó)的多支研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出了符合上述理念的3D打印骨制造技術(shù)。其中具有代表性的有“光固化成型”（或稱“立體光雕”）技術(shù)。方法是，將細(xì)胞、蛋白質(zhì)分子培養(yǎng)在一個(gè)基質(zhì)溶液池子里，然后將激光束或紫外線射入這鍋“細(xì)胞湯”，池子里的基質(zhì)液體是光敏感性的，受照射后就快速凝固，通過(guò)控制光照的方向可以制造出3維形狀的固體出來(lái)。這就好比是在家里自制布丁，所不同的是，用這種方法做出來(lái)的，是一個(gè)布丁液中的特殊形狀布丁。立體光雕法的好處在于成型快速，但是缺點(diǎn)是每一層固化體之間的細(xì)胞流動(dòng)和溝通不太通暢。
還有一種方法叫“生物墨水”技術(shù)，所用到的就如普通打印機(jī)那樣的簡(jiǎn)易設(shè)備，不但廉價(jià)、安全、而且高度自動(dòng)化。用這種方式打印出來(lái)的3D骨還具有很好的微孔性能，便于細(xì)胞的移動(dòng)和增殖。缺點(diǎn)就是無(wú)法打那些體型較大的干細(xì)胞，沒(méi)辦法，還是噴嘴的緣故。
此外還有Bio-Plotting等簡(jiǎn)單易行的注射打印技術(shù)?？梢哉f(shuō)，骨打印會(huì)變得越來(lái)越方便、越來(lái)越快速，在3D打印一次性構(gòu)建新生骨的同時(shí)，科學(xué)家們還通過(guò)基質(zhì)（支架）材料不斷優(yōu)化、微孔性能不斷改良的努力，使得這種3D打印出來(lái)的骨組織，在植入體內(nèi)后，能夠快速吸引新生血管的長(zhǎng)入、鈣磷等礦物質(zhì)的沉淀、以及血液中各種細(xì)胞因子的匯聚，使得3D打印骨在最短的時(shí)間里變得堅(jiān)固、與人體自身的骨骼融為一體。
3D打印的骨組織不僅為臨床上大量的骨缺損患者帶來(lái)了經(jīng)濟(jì)、高效、個(gè)性化的福音，還能夠被用于藥物試驗(yàn)、以及各種少見(jiàn)的骨疾病的研究，大大地改變我們的世界。
未來(lái)的3D打印骨，一定是在各項(xiàng)性能上與人體骨骼更加接近，并且能夠隨時(shí)打印、隨時(shí)植入的，其方便程度，也許技術(shù)人員只需像今天的打字員那樣，輕描淡寫地問(wèn)醫(yī)生：“您是要噴墨的，還是要激光打印？”
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