【高端演講】密歇根大學(xué)Peter X.Ma：3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

【導(dǎo)讀】 在6月下旬，世界3d打印大會在青島舉行。南極熊3D打印網(wǎng)也到了現(xiàn)場進(jìn)行了大量的報(bào)道，詳情請看南極熊報(bào)道。南極熊作為一個3d打印的專業(yè)媒體平臺，一直致力于推動中國3D打印行業(yè)的發(fā)展。希望下面的一些內(nèi)容對大家有所啟發(fā)。



張人佶：我們現(xiàn)在開始，今天我們分會場的主題是3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。我們首先有一位演講嘉賓Peter X.Ma，他來自美國密歇根大學(xué)，我們歡迎Peter X.Ma先生。   

    Peter X.Ma：非常感謝組委會邀請我來做這個報(bào)告，我是密歇根大學(xué)的教授，同時在口腔學(xué)院、工學(xué)院的教授，也就是生物工程高分子科學(xué)及材料科學(xué)的教授。

    一開始簡單介紹一下密歇根大學(xué)，大家知道密歇根大學(xué)是知道這個人，這是菲爾普斯，是密歇根大學(xué)的學(xué)生。最近是有冰上滑冰的冠軍。密歇根最有名的是這個大的橄欖球場，每一個點(diǎn)就是一個人，這里面有11萬人可以同時坐下來觀看，也出了很多著名的球員，第一個我想舉例子的是福特總統(tǒng)，當(dāng)時也是密歇根的球員。還有些別的著名的，比如說最近的美國小姐，也是密歇根畢業(yè)的，所以這個學(xué)校是一個很全面的學(xué)校。

    同時再說一下科學(xué)，密歇根也是一個很好的學(xué)校，這么多諾貝爾獎得主，其中有一個中國人，叫做丁肇中，是從密歇根畢業(yè)的，現(xiàn)在在麻省理工做教授。

    開始講之前我想首先感謝一下我自己實(shí)驗(yàn)室的情況，這是博士后，這是博士生，這是一些碩士和本科生，這有一些既是學(xué)醫(yī)又是學(xué)工程的雙博士，還有單純學(xué)醫(yī)的人在組里面。這是過去的一些人，從我組里畢業(yè)的一些人，現(xiàn)在有二三十人在當(dāng)教授，在美國、巴西、中國、韓國等等，不一一介紹了。還有合作的人，也有美國的，也有德國的、中國的合作人，我就快速跳過去。

    我在西安交通大學(xué)有一個點(diǎn)，成立了一個中心，叫做生物工程與再生醫(yī)學(xué)中心。在這里面有五個教授，包括我自己也是，再下面就是一些博士生和碩博直讀的研究生，這是一批人在那做研究。

    我想一開始簡單說一下為什么要做我們這個事，最主要的問題是組織的缺損和壞死等等造成很大的問題，對于病人來說。比如說每年在美國有800萬手術(shù)來解決這些問題，組織修復(fù)等等，折合經(jīng)費(fèi)是4000億美金，這是很大的數(shù)字。我在這舉一個數(shù)字，這個400被87一除就是4.6，87是當(dāng)時美國國會通過容許布什總統(tǒng)開戰(zhàn)打伊拉克和阿富汗的經(jīng)費(fèi)，你們算一下可以打多少個國家，這是很大的一筆經(jīng)費(fèi)。

    這是目前的狀況，怎么解決這個問題呢？第一個是你在60年代的時候，上世紀(jì)60年代的時候，人們發(fā)明了這種辦法抑制你的免疫系統(tǒng)，可以給你移植別人的器官進(jìn)到你體內(nèi)，只要不被排斥就可以活下來。但是最大的問題是沒有那么多人捐獻(xiàn)器官，比如說肝臟，90的人在等，很多人死在等的過程中。還有的就是給你用手術(shù)的辦法重建，比如說在你身上，耳朵失去了，拿幾條肋骨下來修成一個耳朵的形狀放進(jìn)去，這樣也可以解決一些問題，但是少了幾根肋骨，摔倒的時候少了幾根保護(hù)心臟的肋骨，也是一個問題。解決一個問題制造另外一個問題，也不是很好的解決辦法。在牙科和口腔里面，他們用大量的替代物，就是一些死的材料，用到人體上。這也有很多問題，在牙科還過得去，比如說一腿斷了，用合晶管子放進(jìn)去，小孩一直在長，但是合晶不長，過一段時間又得換一次。

    總之，因?yàn)檫@些現(xiàn)有的技術(shù)不能解決醫(yī)療上真正的需要，只能解決很少一部分，就有這么幾個大人物，他們提出想法，這是他們發(fā)表的報(bào)告，把細(xì)胞和材料混合在一起，材料可以講解，材料講解之后就生成了組織。就是在這一年我被他們雇去做博士后，也是他們倆的協(xié)調(diào)人，所以我在哈佛和MIT兩邊跑，一邊花三天時間，一邊花兩天時間。當(dāng)時就想證明，比如說用軟骨細(xì)胞放在材料上最后轉(zhuǎn)成軟骨，骨細(xì)胞放在材料上就長成骨頭等等，這些想法當(dāng)時都陸續(xù)得到了一些證明。我當(dāng)時做了一個機(jī)器，用這個機(jī)器可以做出一些纖維來，這些縣委的尺寸15微米左右，這么一個亂七八糟的纖維，但是細(xì)胞可以長進(jìn)去。細(xì)節(jié)我就不講了。

    證明可以用這個材料和細(xì)胞混在一起長成各種各樣的，所以我們做了很多文章，有很多的合作人當(dāng)時在做這件事情。

    但是有一個問題，比如說你要給別人找軟骨的時候，首先把他的軟骨細(xì)胞拿下來，這是一個很痛苦的事情，你把他的膝蓋打開，這是不可行的。后來就用到干細(xì)胞，它可以長成任何的組織和器官，可以分化到各個方向去，這個是非常激動人心的事情。具體我就不去解釋干細(xì)胞了，但是干細(xì)胞是最近的時期了，比如說是第一個胎盤干細(xì)胞，做出來這個細(xì)胞是1981年，這是老鼠身上做的。到人的干細(xì)胞就到1998年了，沒多少年的事情，所以人對細(xì)胞了解的程度很淺。胎盤干細(xì)胞有很多問題，人們用IPS把它變成干細(xì)胞，這樣也可以解決問題。但是很激動人心的事情是這種細(xì)胞可以變成人體任意的細(xì)胞，但是它最大的問題是什么呢？最大的問題就是可以變成任何的細(xì)胞，不一定是變成你想要的細(xì)胞。比如說你要長骨頭，它可能長出來亂七八糟的，有皮膚，有肝，所以就有很多問題。

    我們的想法就是怎么用這個材料來指導(dǎo)它變成你想要的這種組織，材料和干細(xì)胞結(jié)合起來，設(shè)計(jì)這種微環(huán)境來控制它的生長。第一步首先是材料，當(dāng)時也沒有什么想法，我當(dāng)時的想法是模仿人體，人體體內(nèi)有一種膠原，現(xiàn)在大家都在用，膠原到處都有。怎么去做這種東西？我們想用合成的材料去做，當(dāng)時我就有個想法，告訴了我當(dāng)時唯一的一個博士后，當(dāng)時組里面就有一個人。我就說我看到膠原是這樣一種線性的分子，細(xì)胞分泌出來以后它就自組裝起來，就形成一種纖維的結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)一步組裝形成纖維。用線性高分子是不是在某種情況下可以讓它們自己組裝起來，這個最后成功了，可以把高分子放在一定的溶液里面，現(xiàn)在覺得很簡單，但是當(dāng)時想都不敢想這個事。

    但是它沒有孔，孔非常小，細(xì)胞進(jìn)不去，想讓細(xì)胞進(jìn)去，當(dāng)時第二步的工作就是怎么把孔做出來。大家知道在生物領(lǐng)域里做的激動人心的事情是怎么把基因消除，把基因塞進(jìn)去。學(xué)生物學(xué)的說你就在才倆上打孔，這有什么學(xué)問？但是這還是有很多學(xué)問，要打很小的孔是不容易的事情。當(dāng)時我們沒什么錢，去買了一些糖，把它融了以后拉成絲，排起來，拉成絲，用鑷子一根一根擺好，最后把復(fù)合物扔到水里面去，就變成這種多孔的結(jié)構(gòu)。大家現(xiàn)在用3D打印做這種結(jié)構(gòu)，我們當(dāng)時用這個。我們說這個結(jié)構(gòu)叫自組裝，是它自己組裝的。

    后來它就變得等能耐了，各種角度，垂直的、45度的，可以變成各種各樣的取向。但是細(xì)微的結(jié)構(gòu)在這個表面上還是納米級的纖維。后來我們又想了一個辦法，做小球，把這些小球溶解掉之后就得到了孔，這種孔也可以結(jié)合在一起，表面上就有這種納米結(jié)構(gòu)，在小倍數(shù)的時候可以看到大孔。

    后來再招一個學(xué)生進(jìn)來之后想到用計(jì)算機(jī)打印，做更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。這時候買了一個儀器，一層一層打，也是打出一個模具來，就得到了這種多孔的材料，可以既是多孔的，又是大孔狀的結(jié)構(gòu)。同時可以設(shè)計(jì)人體的器官了，因?yàn)樗怯糜?jì)算機(jī)設(shè)計(jì)，可以把人體一掃描，得到他的骨頭結(jié)構(gòu)，哪有缺陷，把缺陷的地方拿出來，設(shè)計(jì)3D打印打出來這種結(jié)構(gòu)，里面要打出孔來，把納米和微米宏觀的結(jié)構(gòu)一次做出來。這個既可以做一些骨頭的結(jié)構(gòu)，也可以做一些軟骨的結(jié)構(gòu)，像這個例子是做耳朵，直接打印，不用從肋骨上拿一個東西再去修，這樣可能就會對病人快一點(diǎn)，少了些痛苦。這個時候就證明它可以長出骨頭來等等，細(xì)節(jié)我就不講了，因?yàn)闀r間的關(guān)系。后來發(fā)現(xiàn)它為什么長骨頭，選擇性的吸收了一些蛋白，這種蛋白促進(jìn)了細(xì)胞的生長，細(xì)胞具有不同的形貌，就導(dǎo)致了基因表達(dá)的變化。這個細(xì)節(jié)也不講了，有發(fā)表的東西，時間關(guān)系就跳過去了。后來用這個東西去控制干細(xì)胞分化，就可以把干細(xì)胞變成骨頭細(xì)胞，在這材料上長。

    再舉一個例子，像骨質(zhì)疏松，有一種藥叫PTH，這種東西可以減緩這個情況，先給你打一針，要打好長時間。病人是不太喜歡這個事情，每天打一針很不方便。我們在想一個辦法，做一種表面降解的東西，里面打印一層一層的，這一層一層降解之后就變成一個藥物，這樣就可以放在皮下，就代替這個了，不需要每天去打一針?，F(xiàn)在我們也用這種東西做再生。

    最后結(jié)束的時候我想快速說一下我們最近的發(fā)展是做了一些小球，它有這種結(jié)構(gòu)，它是一個微米的小球，但是它表面上是納米的纖維結(jié)構(gòu)，但是這樣的結(jié)構(gòu)可以注射到體內(nèi)。它里面又是空心的，里面外面都可以長細(xì)胞，這樣長出來的軟骨細(xì)胞就非常好，達(dá)到了和正常軟骨一樣的力學(xué)性能。這是在兔子里面做的，現(xiàn)在我們做更大的動物，想應(yīng)用到人體上來。這是一些項(xiàng)目，這是現(xiàn)在的項(xiàng)目，主要是NAH，也有DOD、NSF等等公司在支持我們做這些事情。

    感謝大家，因?yàn)檫@個機(jī)器的問題我可能花的時間比別人多了，表示抱歉。這是我發(fā)表的一些書，大家有興趣可以看看。謝謝。

    肝臟可能是比較難的一個器臟，現(xiàn)在短期內(nèi)不好說，但是也是有希望，很多人在做這個，包括我的合作者在德國，他是醫(yī)生，他有一個團(tuán)隊(duì)做這個事情。包括美國的合作者也在做這個事情。我也不敢說不能實(shí)現(xiàn)，但是這個可能要花很多時間，總之是一些不容易的事情。

    骨頭看起來能實(shí)現(xiàn)，但實(shí)際上并不一定完全能實(shí)現(xiàn)，真正用到骨頭或者軟骨，我們現(xiàn)在做到小動物和大動物，前面也有一些人做過人體的，但是真正說徹底修復(fù)，還沒有達(dá)到，在人體上也只是達(dá)到了一種纖維性的軟骨，它不是純粹的軟骨。我們希望用小球達(dá)到這個程度，因?yàn)槲覀冊谕米由砩贤耆_(dá)到了，一個非常正常的軟骨，想下一步解決這個問題，現(xiàn)在做大動物，做豬和狗的動物實(shí)驗(yàn)。

    我想骨和軟骨這類結(jié)構(gòu)性的材料，現(xiàn)在已經(jīng)到了實(shí)現(xiàn)的邊緣，因?yàn)檫@種東西要說一個很準(zhǔn)確的時間是很難的，但是應(yīng)該說是在近些年的事情，已經(jīng)有很多地方在做人體實(shí)驗(yàn)了，所以大量的開始做了。應(yīng)該說3D在組織工程上的應(yīng)用還是挺大。

    那就這樣，謝謝大家。