【钛坦白】艾科赛龙赵小文:3D打印技术如何在医疗领域大显身手?

摘要: 基于3D打印技术的再生医学组织工程,已经成为继人类基因大规模测序完成之后,生命科学中最活跃的发展领域之一及科技竞争的焦点。

(本图由视觉中国授权钛媒体使用)

钛媒体注:本文根据钛媒体旗下的微信公开课“钛坦白”第18期分享整理。本期我们请到了来自动脉网蛋壳研究院、领医创造、阿里健康、艾科赛龙、华大基因、诺辉健康的钛客,跟大家一起“探究医疗健康产业的新技术、新方案、新方向”。以下是深圳艾科赛龙科技创始人、再生医学研究院研究员赵小文的分享:

钛客:赵小文,深圳艾科赛龙科技创始人,再生医学研究院研究员,中国康复医学会修复与重建外科分会再生医学转化学组委员,SICOT国际矫形与创伤外科学会中国部数字骨科学会第一届常务委员,中国生物材料学会骨修复材料与器械分会委员。专注医学大数据架构,算法及应用,专注再生医学人体组织工程研究及临床转化。

分享主题:3D打印技术如何在医疗健康行业大显身手?

下面是赵小文在钛坦白分享的干货,由钛媒体整理:

数字化医疗及精准医疗已经走过了从探索、研究、科学实践的初级阶段,到今天全球范围内已经开始了医学领域广泛的、深层次的研究及临床转化的第二个阶段。

巨大的临床数据及海量的CT、MRI等影像数据为数字化精准医疗奠定了基础。而3D打印技术正是基于此,从量化、可视、可控等方面进一步研发,获得真实的病理仿真及模拟,从而轻松获得了病理模型,籍此将传统的两维度平面的信息,转化为三维实体,进一步帮助临床医生量化了其所掌握的经验及技术。

人体替代部件的巨大需求,替代传统非个体化的植入件的巨大需求以及巨大的市场商机,是这一技术发展的推动力,使得组织工程技术成为生命科学领域的前沿技术和投资界高度关注的重点行业。

3D打印技术在医疗领域的两个革命性应用

3D打印的产品有两类,第一类是无生命3D打印产品,第二类是生物3D打印产品,无论哪一类都需要给予数据的挖掘,要把有些具体的东西,比如说细胞与细胞之间、细胞与基质之间的相互作用,它形成了一个什么样的三维结构,等等,解析出来,使这个重建的三维组织能执行更高级的生理功能。那么就必须做一些结构的解析、定量的分析、标识、组织构建等等一系列的工作,才能将人体的组织跟器官完整的还原。

无生命产品的3D打印其实在医疗行业的应用也是非常广泛的,比如说大家比较熟悉的金属3D打印,比如说钛合金的,还有一些不锈钢的3D打印,他一般可以做成人体的标准的替代部件,比如说植入的螺钉,还有固定的钢板,还有一些修复的一些组织,这些都是金属的,它也是无生命的。

无生命产品是最早被认知、被应用起来的3D打印。比如说,在美国,2014年有一家新的公司上市,它有很多产品已经获得了FDA的一些认证;也在2014年年底的时候,中国也开始有相关的政策出台;2015年8月份,中国有了一个标准器械的关于3D打印金属打印的一个注册证,这也是中国在3D打印金属产品方面取得的一些成绩和国家政策的一些认可。

无生命的3D打印产品,做出来的病理模型可以将原来的二维的信息变成三维的信息,原来隐藏在背后的一些信息看不见,现在有了一个病理模型,就可以从各个角度对它进行观察,方便医患沟通;此外,无生命的3D打印产品做出来的病理模型,可以方便医生将它进行量化,做手术前的模拟演练,比如说粉碎性骨折,创伤面、碎成多少小片、粉末等等,可以在这个模型上看得非常清楚,然后做一些手术的规划,准备手术中要使用的器械。还可以提前进行方案优化,到时候带进手术室的就不像以前要推好几车,手术时间也可以大大缩短,同时可以有把握地手术。

无生命的3D打印有几项革命性的成果:

  1. 基于三维的解剖结构,可以对将要做的手术做一些非常精准的小器械,我们把它叫做手术导航板。比如说要在患者的脊椎上面打孔,要置螺钉,我们根据患者的脊椎比如说椎弓根的解剖结构做一个精准的匹配的一个小的挡板,使得医生在术前做了规划以后,手术中使用这个导航板精准地将螺钉打入椎弓根,避免伤到脊椎上丰富的血管和神经。手术前做到心中有数,将医生原来头脑中的经验进行量化,做了术前的演练,手术的成功率也会大大提高。
  2. 个性化的植入、个性化的定制。比如说有个患者得了结核性的骨病,骨结构受到了一定的损伤,他已经失去了原来的一些骨质,在影像当中就显得那块有一个很大的缺损。他要在手术中使用一些标准的植入物,比如说做一个关节,这种关节在使用过程当中找不到依靠的地方,找不到固定的地方,找不到位置,通过3D打印就可以做一个精准的适合这个患者的完整的解剖结构,这个解剖结构完美地与他剩余的组织匹配,从而给下一步的手术做铺垫。这种针对组织性缺损的个性化器械的植入,使得有一些无法做的手术现在有机会了。有一例非常典型的案例,就是深圳的“铁肩女”,她是一个骨肿瘤的患者,由于骨肿瘤侵蚀了她肩胛骨的75%的骨质,让医生处理起来非常为难。她当时有两个选择,第一保守治疗,她的骨质会继续流失,到时候可能会造成残废甚至危及生命。第二是采用3D打印的技术,将她骨肿瘤的那块切掉,不需要完全截肢,再给她制作一个与她周围组织相匹配的肩胛骨,之后手术就有可能做了。
  3. 在国外无生命的3D打印也会用在比如说人造器官,在中国,北大三院做过脊椎,第四军医大学做过骶骨,等等这些案例,都非常有革命性。

生物3D打印产品,相对来说比较陌生。目前生物3D打印产品在国际上的趋势有几种:

  1. 做一些3D打印的生物材料,然后用这些生物材料覆盖细胞让它长一些细胞。种植一些细胞,然后把它进行培养,做成一种活性组织;
  2. 生物相容性的材料,还包括生物可降解的材料,复合上细胞,同时打印。比如说可以做一个血管,可以做一个脂肪组织等等;
  3. 还有一种,是直接在人体里面进行一些修复和构建,这就是完全基于细胞的3D打印。

对于生物3D打印,国内其实也有很多的院校相继投入了大量的资金、人力、物力在做研究,也取得了一些成绩。从国际范围来看,中国的生物3D打印跟国外几乎同步,个别的领域可能还要超过他们,但是有一个问题,中国的这种3D打印的技术由于基础的研究比较薄弱,包括在这个上面的相关的知识产权比较少,在目前看来好像没什么问题,可能随着时间的变化,随着时间的延续国外的专利可能会引起一些问题。

生物3D打印必须要有很多准备过程:首先,是对生物材料的选择;其次,目前市场上现有的打印机可能还不足以满足你的要求,可能要对它进行底层的改造,甚至自己要重新来做;要非常熟悉组织的结构;还要非常清楚和把握对于组织的构建。我们所接触的整个行业,大家都在从医学的角度去了解它,从细胞的角度去了解它,而忽视了这种交叉学科的应用。在生物材料以及用数据解析人体组织相对来说比较弱,恰恰是这两点,阻碍了生物3D打印的发展。

在构建一个组织的时候,首先要知道这种组织所使用的材料是什么,或者是有什么样生物可降解的材料,植入人体以后,它能够保证骨的生长,同时能在身体里面保证这种相容性,与其他的组织之间的相互关系能保持得非常融洽,同时它又能降解,比如说降解成水被人体充分吸收。

接下来就可以构建,如果你要去解析一个组织,比如说要做一个骨骼,人体从头到脚的骨骼结构其实是不一样的,有些是防止外界的撞击,起到对内部组织的保护,有些需要承重,有些需要平衡,有些需要产生血细胞、红细胞等等。由于它的功能不一样,骨从头到脚的结构也是不一样的,尤其它的细胞组织是不一样的。2015年12月,剑桥、美国哈佛等研究机构相继有革命性的一些研究出来,罗彻斯特医学中心证实了人的颅骨骨干细胞来自不同的干细胞集群,在颅骨形成中发挥作用的干细胞,与人体的其他骨骼的干细胞群是截然不同的。而剑桥大学则力证了干细胞对于再生医学的安全性。

了解了人体的从头到脚骨骼的结构以后,就要想办法把它构建出来,仿生出来,为细胞在里面的生长创造一个良好的条件,这样细胞才能在里面进行扩增、代谢、迁移,然后生成相关的组织。然后做出来的东西,植入人体以后,细胞继续生长,这种结构在满足细胞生长的前提下,会一步一步地降解,人体中坏死的或者由于手术切除以后缺损的组织就会得到修复。

细胞、基因测序、基因编辑、生物的3D打印,这些其实都是息息相关的。为什么这么说呢?如果要构建一个完整的骨骼,然后让细胞在上面去扩增,把它发育成完整的骨骼结构,这种细胞首先要比较健康,也就是种子细胞要比较健康。如何才能做一个完整的健康的种子细胞呢?你要进行测序,对细胞进行编辑,去除掉一些病毒性、影响到免疫的、排异性的东西,对它进行编辑,把相关的东西摘除掉在体外进行培养,这种种子细胞也就是健康的。

同时由于细胞在体外的培养和体内还是截然不同的,体内的环境更复杂,除了人体本身的基质以外,还受到你饮食、环境、甚至情绪的影响,随时让细胞的生长环境产生一些变化,使得基质的化学浓度,或者其他的代谢物、生长因子等等发生相关的变化。而在体外进行的细胞培养其实相对来说比较可控,它有标准的基质,它可以实时受到控制,对它进行添加营养液,对它的排泄物进行清除等等,使得细胞在体外培养、扩增的时候,能得到一个非常良好的环境。

但是体外的细胞培养完以后,我们把它种植在用3D打印的这种组织结构上,比如说骨头上,这种从体外移植到体内的骨骼组织会不会产生变化呢?其实变化是有的,大量的实验证明这是有的,跟培养的技术有关系,与构建的技术也有关系,干细胞尤其是多能干细胞定向诱变分化为成骨骼细胞的时候,有些就会产生癌变,在基质上进行培养以后,把它植入到人体以后这种癌变细胞随着就会进入人体了。所以要用到基因编辑和基因测序,将体外进行培养的细胞进行测序,看它是否有癌变,如果没有癌变就是一个完整的健康的细胞,种植培养移植。

这个技术现在在国内外都在同步研究,目前来说,大家都亟需解决的一个问题,就是干细胞的种类足够多,大家都知道其实在国内外做干细胞的现在比较多,能完整的控制它的定向诱变的条件也是非常苛刻的,它有优势,其实也有缺陷,但无论如何,它结合3D打印技术已经在健康领域大显身手。

3D打印技术在医疗领域演进的五个生命阶梯

这里要重复一下“再生”的概念,其实这种再生就是生物医学的工程,生物医学加工程学的概念,它将人体,将人体被损害的组织器官,失去功能的组织器官,使它重新具备原来的生理功能,这个过程就叫再生技术。

说到再生技术,离不开干细胞,干细胞其实是在体外对它进行定向的诱变,然后将它进行扩增,把它定向诱变成定向的比如说成骨骨细胞,就是我们说的种子细胞,结合这种组织器官的构建,把它进行活性培养,然后进行临床的治疗,最后可能得到一个临床的检验,然后反反复复地提高质量。再生医学,尤其是干细胞,是最关键的技术,也是最关键的环节之一。

3D打印在医疗健康行业革命性的五个生命阶梯,分为:

  1. 无生命体
  2. 简单生命特征
  3. 活性组织
  4. 复杂组织器官
  5. 完整生命体

无生命体,前面有讲,比如病理模型的构建,个性化器械的应用,个性化的植入的应用,还有一些手术的导航板的应用;有简单生命特征,就是基于生物材料构建的一个简单的组织,对它进行了简单的细胞培养,使它具有了一些非常简单的生命特征,比如说生长、相容;活性组织前面也讲了,比如说骨骼是一个活性组织,比如说颅骨、股骨、胫骨等等,这是硬组织,也属于活性骨骼。活性组织还有什么呢?目前能做得到的还有血管、静脉血管;复杂的组织器官有肝脏、心脏、肾脏等等;第五个是完整的生命体,其实复杂的组织器官能做了,也许有一天就能组合,对不对,这些都是有可能的。

3D打印技术在医疗领域的应用现状及局限

我们以骨骼为主,当然主要是用在骨科,延伸还有口腔颌面科学、神经外科、心胸外科还有其他的普通外科,应用领域是极其广泛的。

前面讲了病理模型的构建、导航板的应用,这在神经外科应用也是非常典型的。比如说人的脑袋里面有神经损伤,对它进行修复,首先要对病理的神经进行数据还原,得到病理模型,这种病理模型的数据其实极其复杂,对他进行解析以后,对它植入的修复材料进行导航,把材料或者相关的药物送达到缺损的部位,这就是导航板的使用。然后损坏的神经在药物或者是其他物理的干预下,要生长,进行修复,那么这种手术中的导航板又可以引导它向另外一端发展,然后把它结合起来。

不管是有生命的还是无生命的3D打印产品,其实当中的任何一个东西的产生,需要的数据或者是过程相当复杂,可能还牵扯到其他的学科,比如说生物力学、运动力学等等,相关的数据融合,最后才能做成一个完整的科学的东西出来。

其实任何一个学科,尤其是一个新兴的学科,一个创新的东西,它都不是完整的。

首先是技术的储备不足。可能跨学科到了化学、物理、计算机、自动化等等学科,基础研究到目前来说做得不是很充分,需要充分地融合。

第二个是知识产权的严重不足。起步比较晚,尤其是基础行业的研究知识产权比较少,如果是自己不做知识产权保护的话,在以后的产业化当中可能会遇到问题。所以在做这个东西的时候,我们的经验,就是要做大量的发明专利来保护相关的技术,甚至要做一些PCT的申请,同步申请国际的一些保护。知识产权要相当地重视,而整个行业对知识产权的重视严重不足。

还有法规问题。美国从2014年开始极力地支持3D打印技术在临床的应用,中国积极跟进,包括欧洲、澳大利亚都积极跟进。中国相继出来三个政策,2015年年底第一个,2016年连续出了两个,尤其是最近已经支持到只要有相关知识产权的可以申请绿色通道。

最后我简单总结一下,无论如何,3D打印技术在医疗领域的初步应用,已经颠覆了人们对现有医疗的认知,众多发达国家都投入了足够的人力及资金,以期将此作为人类健康的全球战略。基于3D打印技术的再生医学组织工程,已经成为继人类基因大规模测序完成之后,生命科学中最活跃的发展领域之一及科技竞争的焦点,在国际性的产业竞争热潮来临之前,掌握关键技术就获得了生命科学前沿技术的制高点。 

医疗其实是综合学科,是跨学科的,需要众多的跨界的交叉的研究,交叉的临床实验,才能做出一个完整的创新的东西。来自各种学科的数据需要融合,需要合作。3D打印本身目前来说有它的局限性,比如说人们无法对复杂的脏器进行全面的认知,需要大量的时间去做,但无论如何这都是可以预期的。包括我们在内,能做到现在的程度,都是站在巨人的肩膀上,实践并创新。(本文首发钛媒体,根据深圳艾科赛龙科技创始人赵小文在钛坦白的分享整理)

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第18期钛坦白医疗健康专场,“探究医疗健康产业的新技术、新方案、新方向”,三天的分享已经结束。干货会陆续发布在钛媒体网站,点击看干货:钛坦白

第19期钛坦白“聚焦金融科技之区块链”专场预告

地点:钛坦白|金融科技(微信群)

6月6日晚上7-10点

众安保险首席架构师李雪峰:区块链催化下的共享新经济

德勤中国区块链技术总监高挺:区块链,一场新的数据革命

布比联合创始人兼CTO王璟:区块链在商业应用领域的探索

6月7日晚上7-10点

火币网技术副总裁张健:区块链技术的发展趋势

点亮资本合伙人郭峰:区块链投资ABC

ChinaLedger技术委员会主任白硕:区块链的平台化迷思

报名方式:在微信公号“钛媒体”(taimeiti),发送“钛坦白”获取

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佳音
佳音

钛媒体资深运营编辑、微信社群运营总监、“钛坦白”微信公开课负责人,邮箱jiayinge@tmtpost.com

评论(1

  • 佳音 佳音 2016-05-21 14:05 via iphone

    带来了很多可能

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Oh! no

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