环球科普：体内3D打印技术或可治疗胃溃疡

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全世界范围内，平均每八个人之中就有一人患有胃溃疡或其他胃部损伤的病症。由于常规的传统疗法有其弊端，如今科学家们想要通过探索3D打印技术，使得直接在人体内部构建活细胞成为可能，从而更好地治疗此类疾病。
就像 3D 打印机通过层叠材料来创建结构框架一样，生物打印机会通过堆叠活细胞来生成组织和器官。生物打印技术的长期目标之一是向处在接受器官捐赠等待名单上的人们提供生物打印的器官。非营利性的器官共享联合网显示，仅在美国，就有近70000人处在等待名单上。然而，以这种方式生成功能性器官，如心脏或者肾脏的能力可能需要数年才能实现，更为现实的近期目标是通过生物印刷得到较为简单的结构，例如骨移植物。另一方面，在体外打印的活组织仍需要通过手术植入，该手术通常涉及较大的切口，这会增加感染的风险并且延长恢复的时间。
但如果医生可以直接在体内打印细胞呢？通过使用当前的微创外科手术技术，经由小切口将 3D 打印工具插入患者体内，然后打印工具即可打印新的组织。


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这种“体内生物打印”的潜在应用包括通过植入手术网来帮助治疗疝气以及修补卵巢从而治疗不孕症。先前有关体内生物打印的许多研究都集中在皮肤和身体外部的其他组织的治疗上。因为所需的设备通常太大，在不进行较大型手术的情况下，无法到达消化道和其他位于体内的器官。为了减少治疗胃部病变导致的创伤，中国的科学家们希望开发一种可以相对轻松地进入人体的微型生物打印机器人。该研究领域的资深研究员，北京清华大学生物工程师徐涛表示：研究人员们利用现有的技术，创建了灵巧的电子设备，例如机械蜜蜂和由蟑螂启发的机器人。
这些微型机器人只有30毫米宽，不到信用卡宽度的一半，并且可以折叠到43 毫米的长度。一旦进入患者体内，他就会展开到59毫米长并开始进行生物打印。俄亥俄州立大学的机械工程师 David Hoelzle 说：“该团队构建了巧妙的机制，使系统能够结构紧凑地进入人体，而一旦通过了狭窄的入口系统便会伸展开来，从而提供较大的工作区域。”


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在他们的实验中，中国的研究人员们将微型机器人安装到了内窥镜上，成功地将其弯曲，并通过了一根弯管进入到透明的胃塑料模型内部。在模型中，他们用机器人在实验培养皿上打印含有在商业实验室培养的人胃壁和胃肌细胞的凝胶。打印出来的细胞在10天内保持了活性和稳定增殖的能力。徐说：“该研究是将微型机器人和生物打印结合在一起的首次尝试。”
研究人员说，主流的胃部病变治疗方法包括药物治疗和内窥镜手术。药物的作用缓慢，而且并不总是有效。内窥镜手术只能修补较小的伤口，由内窥镜输送的喷雾剂可止血，但对较大的伤口几乎没有帮助。徐说，体内生物打印的愿景是，通过在胃部病变部位修补适宜的活体结构，最终帮助改善这些主流的治疗方法。徐补充表示，未来的研究可能会将微型机器人的宽度缩小到12毫米，并为其配备摄像头和其他传感器，以帮助其执行更复杂的操作。他和主要研究员，清华大学的赵文祥于今年夏天在Biofabrication上发表了他们的研究。
徐和他的同事注意到，他们用做生物印记墨水的凝胶只有在相对凉爽时才稳定。在正常的体温下，它们过于液态化而不能很好地形成结构。此外，研究人员添加的帮助固化凝胶的氯化钙溶液可能会损害人体。Hoelzle 和他的同事最近独立开发的另一种凝胶有望解决这些问题，它可以在体温下保持其形状，并可以由可见光进行固化。
生物打印的挑战之一是如何有效地将打印的细胞附着到现有的软器官和组织上。Hoelzle 和他的同事通过在质地相似的材料（例如未加工的鸡胸肉条）上修复刺孔来测试一种潜在的解决方案。首先，3D 打印机的喷嘴将一小块生物墨水挤压到穿刺处，形成一个可以将刺穿的组织连接到生物打印结构上的锚点。然后他们慢慢地撤回喷嘴，后方紧跟的材料可以用来在组织外部打印更多的细胞。
“这项工作很有启发性，”徐说。他补充说，利用这些方法将有助于体内生物打印技术的进一步发展。Hoelzle认为，这项技术可能永远无法打印复杂的器官。然而，通过在标准手术中增加相对适度的可以释放药物以促进愈合或预防感染的印刷结构可能会有所帮助。Hoelzle 说：“组织工程材料有很多发展机会没被人认识到，毕竟没有人想要切开病人来进行治疗。”



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