对这些临床医生来说，3D打印机正在改变医学

在我们设想医疗技术的未来时，我们一直在玩弄替换缺失或不再起作用的身体部件的想法。例如，在 1980 年的《星球大战》电影《帝国反击战》的最后一场戏中，卢克·天行者从一个挑剔的医疗机器人那里得到了一个难以区分真假的仿生手。现在，我们比以往任何时候都更接近实现这一愿景（尽管可能没有那么挑剔）。

在过去十年中，医学专业人士和研究人员采用了增材制造技术，更普遍地称为 3D打印，并在各自领域取得了巨大进步。这项技术已被用于 制造假肢、定制骨科植入物、患者特异性解剖模型和手术导板。随着研究人员和生物工程师忙于扩展可能应用的范围，外科医生和医生们也开始在护理点使用这项技术。

对许多人来说，这已被证明是一件非常有价值的工具。

内部植入物

David Zopf 游走在科学家和医生之间；作为密歇根大学的附属教授，他在生物医学工程和 3D 打印的交叉领域进行研究。作为一名儿科外科医生，他治疗患有头颈部畸形的儿童。

2019 年，一名 9 岁的脑瘫患儿来到他的诊所，脑瘫是一组影响运动和姿势的疾病。他的呼吸非常困难，他的父母曾试图通过其他专科医生来缓解这个问题。“这些孩子需要非常努力地去呼吸，”Zopf 说。“就像他们在清醒时也在打鼾一样。”

这名男孩缺乏肌肉张力，导致他的上呼吸道自发塌陷；每一次吸气都像是他的肺部和喉咙肌肉在挣扎。他需要一个简单的装置来撑开气道，所以 Zopf 进行了仔细测量，然后绘制了一个 3D 打印装置的设计图，该装置可以绕过阻塞。

几天后，他将一个原型植入了男孩的喉咙。“立即就有了改善，”Zopf 说。“他的眼睛睁大了，我看到他笑了。他大口地吸了一口气——那种呼吸困难的痛苦得到了缓解。”

3D 打印机一直因其“快速原型制作”能力而受到赞誉。工程师可以快速生产一次性设备迭代，并在出现问题时进行调整。在医学领域，同样的特性使医生能够以相对较低的成本快速生产定制到患者解剖结构的设备。一旦医生拥有了 3D 打印机，生产设备的边际成本通常不会超过几美元。

消除手术不确定性

到 2018 年，加州大学旧金山分校的骨科副教授 Alexis Dang 已经积累了 5 年多使用 3D 打印机的经验。他使用这些设备制造植入物和支架，并在骨折和脊柱融合的啮齿动物身上进行测试。但他还没有在他的临床工作中实施这些设备，而他在旧金山退伍军人事务医疗中心工作。

当一名患者患有罕见疾病时，情况发生了变化。这位 28 岁的退伍军人饱受慢性肩痛的困扰，但经过仔细检查，Dang 确定原因是锁骨愈合不良。这名患者十几岁时摔断了锁骨，并让其自然愈合，但现在他为此付出了代价：骨头在愈合过程中缩短了，导致该男子的姿势 向前倾斜弯曲，并影响了他现在作为一名专业摄影师的工作。

Dang 决定进行一项既不寻常又不确定的手术。他将在该男子的锁骨上做一个斜切口，这样外科医生就可以将锁骨的两半向相反方向滑动，从而最终拉长骨头，同时保持两部分之间的接触。然后，他将使用合金板将两部分固定在一起。

“在中期手术中确定这一点将极其困难，因为你必须根据骨头的切割方式来猜测它的移动方式，”Dang 说。利用 CT 扫描数据，他 3D 打印了该退伍军人锁骨的真人大小的复制品。他和他的团队尝试了不同的切割角度和板材尺寸，直到找到最佳解决方案。“[一旦] 我们知道在哪里切割以及在哪里放置钢板，”Dang 说，“这变成了一个相对常规的手术。”

如今，仅仅几年后，该医院每年都使用 3D 打印来模拟数百次手术。有时，就像退伍军人锁骨缩短的案例一样，这些模型有助于外科医生仔细排练复杂的手术。其他时候，这些模型可以帮助外科医生判断手术是否必要。

更常见的是，复制品会展示给患者，以帮助解释手术过程。2015 年，Zopf 诊断出一名 15 岁的男孩患有异常组织增生，称为息肉，这在他左眼和大脑之间造成了压力。为了帮助患者可视化这个问题，他用塑料打印出了肿瘤的精确复制品。

“患者能够看到肿瘤的范围和位置，这确实提供了更高级别的知情同意，”Zopf 说。

生物打印热潮

虽然手术建模已被证明非常有用，但塑料复制品与科幻小说中制造功能性人体器官的设想相去甚远。然而，这个幻想比你想象的要更接近现实。

“我认为还需要至少 10 年才能打印出一个可以移植的全尺寸、功能性人体心脏，”以色列特拉维夫大学组织工程与再生医学实验室的负责人 Tal Dvir 说。“但我绝对认为这是医学的未来。我们将在实验室制造器官并移植它们。”

近年来，这个新的科学领域已经出现在干细胞研究、3D 打印和医学的交叉点上。2019 年，Dvir 的团队 生物打印了有史以来第一个人类心脏，尽管它只有葡萄柚那么大。研究人员首先从一位幸运志愿者的腹部脂肪中提取了活检样本，然后将细胞与细胞外液分离。他们将细胞重编程为多能干细胞，能够分化成多种细胞类型，然后再次将其分化为心肌或内皮组织。

一旦研究团队获得了这些构建块，他们就将它们装载到一个多材料 3D 打印机中，然后观察机器将生物组件重新排列成一个微型心脏的形状——包括血管、动脉和静脉。

迄今为止，生物打印仍然是一个投机性、基于研究的领域。但是，随着问题的出现，科学家们会找到前进的道路。当干细胞在体外死亡时，哈佛大学的一个团队开发了一种技术，可以将 3D打印的血管通道植入到致密的细胞基质中。当生物打印的结构由于结构完整性差而经常坍塌时，特拉维夫大学的一个研究小组 开发了一种聚合物，可以添加到“生物墨水”中以增加其强度。

根据 Dvir 的说法，有两个棘手的问题仍然是实现生物打印人体组织的愿景的主要障碍。第一个是实际问题：一旦打印出器官，研究人员如何训练它以可靠的活力运作？第二个是当这项技术变得可行时如何监管的复杂问题。“对于任何新的医疗技术，与 FDA 合作以确保其尽可能安全且风险最小，这是一个漫长的过程，”Zopf 说。

尽管如此，支持者们仍然希望 3D 打印机很快就能从患者的大腿脂肪中构建一个肝脏，或者为烧伤患者打印健康的皮肤。与卢克·天行者的手不同，这些组织将不依赖电线和电路。它们将是真实的东西。