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針孔鑄造體內“明珠塔”

2013年12月24日09:49    來源:科學網    手機看新聞

當一些謹慎之士還在爭論3D打印技術未來能否掀起一場產業革命時,這項技術卻已讓生物醫學領域看到更美的未來……

基於注射的液態金屬電極對牛蛙腿中坐骨神經進行刺激。

一隻實驗所用的牛蛙早已作完前期准備,等待它的,是以一次奇妙的體內3D打印體驗:“墨汁”——液態金屬被清華大學醫學院與中科院理化技術研究所聯合小組(以下簡稱聯合小組)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隻牛蛙體內。

一會兒,通過X光照片顯示,在牛蛙體內的坐骨神經上打印出了一個電極,而這樣一個“大手術”卻未留下大創口,如果不仔細查找,很難發現微型注射器留下的針眼。

當一些謹慎之士還在爭論3D打印技術未來能否掀起一場產業革命時,這項技術卻已讓生物醫學領域看到更美的未來。

好消息一個接一個地傳來:在體內直接3D打印人工器官移植手術成功。如今,聯合小組提出並實現了一種全新且更具微創性的3D醫療電子打印制造技術。

“我們期望,能夠在生物體內利用3D打印技術直接構建出非常精密的醫療器械。”聯合小組負責人劉靜教授說。

他形象地將此比喻為,通過一個針孔將液態金屬按照程序源源不斷注入體內目標組織處,運用3D打印技術鑄造出比“東方明珠塔”還要精細的醫療器械。

3D打印敲開微創治療之門

今年5月,美國俄亥俄州的男孩Kaiba Gionfriddo成功移植了利用3D打印技術制成的人體氣管。

密歇根大學的科研人員們對此表示,將高分辨率成像技術、計算機輔助設計與生物材料的3D打印結合起來,可以針對患者的特定解剖條件創建可植入設備。

英國科學家發現採用3D“打印技術”,基於胚胎干細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,生物醫學領域正在領略3D技術帶來的神奇與魅力——人們不再為移植器官稀缺而困擾,移植之后的排異反應也將大大減小。

但是,這些手術都會獲得同樣的“紀念品”——傳統植入式醫療設備往往需要借助一系列復雜煩瑣的開顱、開胸手術、植入及縫合過程,常會給患者帶來巨大的身心痛苦,更為甚者會引起嚴重損傷。

“如果採用微創3D電子打印制造,創口直徑隻有0.5毫米。”劉靜說,其實,這就是一個小針眼的尺寸。

他表示,可植入式生物醫學電子體內3D打印借助臨床上常用的微型注射器按照預先設計的加工流程將封裝材料與具有良好導電特性的液態金屬墨水,在圖像引導下以微創方式按既定路徑順序注入體內,實現空間結構可控且功能各異的電子設備,如典型醫用植入式電極及RFID等。

“我們已經在小鼠體內進行了這樣的實驗,並獲得成功。”

移植不為“器”所傷

採用以上這種方法無創,且可以借助於小小的精密注射器,便可實現體內3D多尺寸設備的構建,大大降低了患者的疼痛感,此外,“這項技術在終端體內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。”劉靜表示。

再者,所採用材料良好的生物相容性及柔性特征大大提升了在體內應用的適用性,研究團隊認為這也可使患者享受到更加舒適便捷的醫療服務。

為人類未來創造無限可能,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次的探索。

比如,在醫療器械體內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。

聯合小組採用各種組織進行離體實驗,發現並非所有的液態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麼簡單容易,如何控制是個大挑戰。”劉靜坦言。

現在,聯合小組使用的是手動控制,“之前我們已經積累了大量手動操作的經驗,現在手感不錯,而且已經能夠對此過程加以可視化。”他表示。

這種醫療器械體內3D打印方法目前仍處於技術開端與成長期,其進一步推廣應用需要發展出圖像引導下的精細且高度自動化的智能型操作技術如手術機器人等,以提升3D打印手術的精度與准確度。

“就如同科幻電影《普羅米修斯》中,可以依靠機器人來實現異常精密、安全的全自動手術。”

跨界思考撞出火花

“可植入式生物醫用電子體內3D打印成型技術的研究脈絡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過程。”劉靜說。

這其中涉及的幾個關鍵詞:植入、微創、3D打印和液態金屬,組合起來似乎是那麼風馬牛不相及。

早期,聯合小組開展過的植入式醫療研究就有心電、心臟起搏器等范疇,比如將電極、電源植入體內,心臟起搏器、神經刺激器等便可利用人體體溫溫差進行發電來工作。

而另一個關鍵詞“微創”,實驗室則積累了十多年經驗,“最近這一領域的研發已開花結果。”劉靜所指的便是實驗室推出的腫瘤微創高低溫復式消融治療系統、血管介入式全身熱療腫瘤微創治療系統等設備。這些設備的研發最早於1999年啟動。

“更有意思的是,十幾年前,我們還啟動了液態金屬的研發。那時的研究重點與現在這一技術可以說是風馬牛不相及。”劉靜說。

當時,科研人員一心要解決計算機CPU芯片散熱問題,為此啟動了液態金屬的研究。在劉靜科研團隊看來,液態金屬是一種非常神奇的材料,在室溫下可流動,還具有導電、導熱等特性,“令人非常著迷”。

隨著研究的深入,劉靜意識到,液態金屬應該可以應用在更大范圍內,比如在生物醫學工程領域可否引入?

將液態金屬應用於生物醫學中,這在國內外一直都很少有人考慮過。劉靜帶領團隊進行了開端工作。“令人怦然心動的是,可流動的液態金屬注入人體內,不會造成大的創口,並且可以按照需要形成醫療器械,甚至所實現的終端對象個頭可以很大。這是最獨特的一點!”

從微創治療到植入式醫療電子的研究,從液態金屬到3D技術可在任意表面上打印,最后利用3D打印技術將液態金屬源源不斷地注入體內,構建所需的醫療器械——這個“朴素的想法”迅速地被串聯在一起。

“我們相信,不遠的將來,隨著技術的不斷成熟將會在植入式醫療、康復醫學等更廣闊的生物醫學應用領域發揮重要作用。”劉靜和團隊期待著越來越多的專業人員加入到這一領域的研究和應用中。

(責編:實習生王檬、馬麗)

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