近日，美國北岸-LIJ 醫療集團（North Shore-LIJ Health System）下屬Feinstein醫學研究所的研究人員在3D打印醫療方面獲得了新的突破：他們用一臺普通的MakerBot 3D打印機以及該公司生產的PLA線材打印出了一個定制的氣管支架，該支架能夠與活細胞結合，生成一段活的氣管！

 

一般來說，人類的氣管是比較容易受到損害的器官之一，這些傷害可能來自腫瘤、氣管插管，鈍傷等。同時也可能出現氣管變窄或各種缺陷，而且往往難以修復。目前醫學界常用的重建受損器官的兩種方法都有其局限性。
 

 

Goldstein先生是Hofstra北岸LIJ醫學院的博士生，在過去的一段時間里，他一直在與北岸-LIJ醫療集團的一群醫生合作，以探索如何將3D打印和組織工程技術用于人體氣管的修復和更換。醫生們原本推測，這個研究項目可能需要持續10到20年，但Goldstein先生和Feinstein研究所的團隊只用了一個月。

 

Feinstein研究所的研究人員已經知道如何將軟骨細胞與營養成分混合在一起培養，然后與膠原蛋白結合，使其形成軟骨。但是要將其塑造成鼻骨或氣管的形狀還需要3D打印的幫助。3D打印機可以構造出支架，然后研究人員在其上覆蓋軟骨細胞和膠原蛋白的混合物，使其長成軟骨。

 

“制作一個氣管是未知的領域。它必須具有足夠的剛性，以承受咳嗽、打噴嚏等壓力變化，還要有足夠的柔性，讓脖子自由移動。通過3D打印機，我們能夠很快打印出支架并交給外科醫生立即檢驗，然后我們可以共同努力，實時修改設計。”
 

 

研究團隊改裝了一臺MakerBot Replicator 2X 3D打印機，讓其中的一個擠出機擠出PLA，而另外一個擠出機則擠出生物材料。“3D打印技術給了我們在幾個小時內完成原型、檢驗、觸摸、感受，然后重新設計的能力。”Cohen兒童醫學中心耳鼻喉科負責人Lee Smith博士說：“如果我們將這些設計送到商業服務機構，那么這個周期就會拉長到幾個星期。我們今天就不可能獲得這些成果。”

 

Feinstein研究所之前也考察了一些可以直接擠出活細胞的3D打印機，但它們的功能比較少，而且價格昂貴。一臺專門的生物打印機往往要價18萬美元。而他們的目的主要是為了驗證自己的理念，于是他們決定用更實惠、方便的MakerBot 3D打印機。
 

 

本來，Goldstein先生認為，他需要某種無菌、而且能夠在體內溶解的特制PLA材料。然而，由于時間比較緊，他們決定先試試普通的MakerBot PLA線材。“PLA的優勢在于它能夠用于各種外科植入設備。”Smith博士說。通過測試，Goldstein先生發現，PLA打印時擠出機熱端產生的高溫可以起到消毒的效果，這樣普通的MakerBot PLA線材也可以使用。

 

而需要保持室溫的生物墨水，則使用另外一個擠出機，在打印過程中被注入PLA支架的縫隙中，然后在MakerBot的熱床上固化成凝膠。一旦生物油墨粘附到支架上，就會被送入一個生物反應器，這個生物反應器有點像烤爐，主要是為了保持有利于細胞生長的溫度。不過一臺新的生物反應器市場售價在5萬到15萬美元之間，于是Goldstein先生就根據自己的需求用3D打印機打印出了齒輪等部件，自己制作了一臺定制的生物反應器。

 

日前，Goldstein先生和Zeltsman博士在圣迭戈舉辦的胸外科學會第51屆年會上發表此項研究成果，展示了如何在孵化器內用四個星期制作出一個3D打印的氣管或氣管段。 據Goldstein先生總結說：“細胞可以在3D打印過程中存活，并能夠繼續分裂，并產生最終形成軟骨的細胞外基質。” 換言之，它們會像氣管軟骨一樣生長。

 

不過，Feinstein研究所目前的工作仍然屬于“概念驗證”的性質。開發團隊在確定將其用于氣管修復之前還有很多工作要做。Smith博士預計，未來五年內他們能夠做到收集病人的細胞，并讓它在支架上生長，以修復氣管。