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从3D打印心脏模型到真实心脏还有多远

更新时间:2020-04-20 20:50:01

  3D打印即快速成型技术的一种,出现于上世纪90年代中期。它是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。可运用于医疗、建筑、服装艺术、工业、文物修复、人像定制等领域。医用3D技术就是将二维医学影像数据转化成三维立体的影像,通过重建患者受损部位个体化信息,再将 信息传入电脑进行处理,随后连接到专用3D打印机上,1:1地将患者的受损部位“打印”成仿真模型,并在此基础上制定手术方案。在临床中可进行病情判定、 术前设计、模拟操作、假体选择、标本对比,使手术更加精准,并有效节省了术中时间,降低了手术风险,也能更直观的进行医患沟通和辅助教学,等等。

  3D打印心脏——难道3D打印技术已经能打出一个真的活体心脏直接“装”到人体内了吗?未来这项技术并不是不可能实现,只是要真正打印出一个跳动的活体心脏并将其连接到血管系统,并且确保有足够的血液让其存活,还是现阶段技术突破的难点,需要走很长一段路。经常听到的已经运用到临床手术的“3D打印心脏”,目前大部分还仅限于通过3D打印技术复制患儿的心脏。虽然不是一颗“真心”,但却可以让医生在术前对患儿心脏解剖结构有一个直观的了解,设计出更精准安全的手术方案,解救更多的患者。

  现阶段各国3D打印技术在心脏外科的应用,均属于起步阶段。TAVI与常规开胸手术有很大的区别,医生在手术中无法直视心脏全貌,更无法切开心脏观察其内部细微结构,因此,术前影像学评估与术中导航至关重要。而无论CT、MRI、B超等检查,都只能在屏幕上提供二维视野,术前主刀医生仍需仔细研究和测算患者的心脏及主动脉影像数据,并在自己头脑中二次加工,重建成立体构型。3D打印技术则可将患者的二维影像数据转化成栩栩如生且实物大小的心脏模型呈现于医生眼前,并可提供更多传统影像学检查难以显示的丰富信息,从而将上述复杂过程大大简化和标准化,使得手术更准确安全。

  早在2019年美国科学家利用3D打印技术打印了第一份人类的心脏模型。该心脏样本是由塑料制成,是患有不寻常并发症病人的心脏的精确解剖副本。华盛顿国家儿童医学中心的儿科心脏病专家劳拉·奥利弗瑞(Laura Olivieri)3D打印的人类心脏耗费了25万美元。劳拉表示心脏副本对于练习复杂手术来说是非常理想的对象,它使得手术外科医生能够看清他们要进行手术的精确解剖情景。想要打印3D心脏,必须先输入单个病人计算机控制x线体层扫描术或超声波扫描获得的二维数据,这使得打印机能够逐层建立复制样本层。国外各大医院正在制定欲采用3D打印技术的早期计划。如今,3D打印制造的心脏模型也为越来越多的我国患者解除病痛。近日复旦大学附属中山医院心外科课题组首次将3D打印技术应用于经导管主动脉瓣置换手术(TAVI),成功为一例77岁高龄的主动脉瓣重度狭窄合并关闭不全患者实施了TAVI规划与导航。

  将3D打印技术应用于儿童先天性复杂型心脏病的治疗在国内现在也已多见,去年河南省人民医院利用3D打印技术为一名年龄仅1岁的复杂先心病患儿成功施行了先心病手术。该院儿童心脏中心的专家们以1:1的比例,打印出患儿的一个心脏模型,根据该模型专家们经过详细研究和论证,制定出科学的手术方案,终通过手术彻底矫治了该患儿复杂的心脏畸形。

  因为心脏是立体结构,单纯依靠心脏彩超检查,不能直观地看到室缺和大动脉的关系,难以确定科学的手术方案。近日又在3D打印技术的帮助下,一个三个月大的复杂心脏病患儿在南京儿童医院成功进行了首次房间隔缺损修补大手术,症状有了很大改善。但多发性室间缺损由于术中无法直视探查,也无法明确缺损的具体位置、大小及各缺损之间的相互关系,因此再次手术的盲目性非常大。该院用3D打印技术打印出与患儿一模一样的3D心脏模型。该模型不仅可以观察病变部位,且非常清楚展现病变部位与周围组织的关系。专家在模型上反复练习后,近日在患儿心脏不停跳的情况下,很快运用微创技术对室间缺进行了封堵。手术后一周患儿就脱离了呼吸机康复顺利。

  上述可知,3D打印制造心脏模型已经不算新鲜。这种快速成型技术出现以来,一直以数字模型文件为基础,运用可粘合材料,通过逐层打印的方式构造物体。而3D打印真实心脏,涉及到的是3D打印技术中难度高的一个分支——3D生物打印。

  不同于普通3D打印使用的PVC塑料或金属,生物打印使用的材料是人体细胞和粘合剂。首先需要对人体进行CT扫描并通过计算机软件分析结果,建立人体的心脏模型,对细胞在每层组织中的位置做详细说明。其次再将模型进行分离,分别打印心脏的各个部件——心脏肌肉、血管、心脏瓣膜和电组织。

  首先从成年人的骨髓和脂肪中提取干细胞,通过采用不同的成长因子,将干细胞分化成不同类型的其他细胞;心脏各个部件分别由不同类型的活细胞构成,生物打印机通过多个可以左右、前后、上下移动的生物打印头(bioprint head),根据模型将相应细胞放在适当的位置,直到各个部件的三维结构完成。成功的再造器官至少由数十亿不同类型的活细胞构成,在实验室里培植和维持细胞的生命需要特别的程序和设备,它们需要营养、成长元素以及其他信息的交流。

  并且人体细胞极为“娇嫩”,确保其在打印过程中成活非常困难,酸度、pH值、养分、二氧化碳等都对细胞的活性有很大的影响。后,将打印成型的各部件放入孵化器中进行培养,依靠细胞自身的生物发育反应实现组合。细胞依靠天然的自我组织性质连接血管,终组合每个部件,促成心脏的发育。这是3D打印心脏的后一个步骤,如果一切顺利某一天听到培养皿中传来的跳动声,那么人类将再次创造历史!

  目前人类生命科学的发展,还远不足以完成心脏3D打印这一过程。掌握生命的构成结构与创造一个活性机体之间的距离天差地远。人们对生命的认识还很有限,生命不是细胞、血管加神经就能简单复制的,其中的很多联系要比我们想象的复杂得多。更多挑战在于迄今为止人类对于微观世界的理解一直停留在二维水平。即使拥有现代计算机和制图软件,生物学家也很难从三维立体角度理解细胞与组织器官之间的相互联系。

  目前一些医学团队有了一些半成功的尝试,2019年4月美国Louisville 大学的团队成功的打印出心脏瓣膜和小静脉,不过目前还没有在人体上实验过。所以,就像人们已经掌握了基因图谱,但是至今也无法合成生命一样。虽然3D打印心脏有方法了,但“革命尚未成功,同志还需努力”。不过可喜的是,我们已经见到过很多3D打印心脏模型被用于制定手术方案的事例,这无疑为医生和病人双方都带来了很大的好处。

  相信随着技术的发展、普及和相关费用的下降,3D打印在未来很可能会成为一种常规的医疗辅助技术,为更多的病人解除病痛的折磨。伴随着“阿发狗”开拓的2019年,越来越多的科学技术会跨越飞速进步,相信未来的某一天3D打印真实人类脏器成为现实,让我们对科技的发展多一点信心和期待。

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