人类健康的未来（二）3D打印的广阔前景

绣夫

从二维到三维

从制造身体的“零件”（比如脚和手）到体内的器官，3D打印开创了医疗保健的新领域。

当癌症研究员罗莎莉·西尔斯博士点击打印按钮时，并没有墨水喷洒在纸上。相反，从她的3D打印机的不同喷头上做出了真实的人体细胞。

片刻间，在她面前出现了一个非常小的肿瘤—一个病人癌性生长物的精确副本。此时，她和她的同事可以用任何一种癌症治疗手段尝试攻击被打印出来的癌症细胞复制品。

西尔斯是美国俄勒冈卫生与科学大学（位于波特兰）的分子和医学遗传学教授，她说：“这样一来，我们将能够真实地测试各种治疗手段引起病人肿瘤作出的何种反应。”

西尔斯的工作只是3D打印技术对医学的诸多潜在影响中一个令人兴奋的实例，从假肢、细胞到栩栩如生的器官模型，甚至到移植的人体组织，3D打印技术都有用武之地。

打造量身定制的机器人手臂和手是3D打印在健康照护领域更加广为人知的用途。一些志愿者利用在线的免费软件已经设计出人造手臂和手。这样的假肢比传统假肢具有更多的功能，通常前者的成本与后者相比微乎其微，比如，50美元与30000美元之比。

美国国立卫生研究院计算机科学家和3D打印技术专家特里·柳博士说：“这比以往任何时候都更加容易。今天，人们正开始尝试在实验室做3D打印的脚。”

美国康奈尔大学工程系副教授胡迪·利普森博士—《3D打印技术的新世界》一书的作者说：“这仅仅是开始，3D打印材料的范围在不断扩大，机器的成本也在下降，我们正看到越来越多的应用领域。我们还没有见到这一领域的尽头。”

3D打印技术用于心脏手术

美国儿科心脏病专家马修·布拉姆莱特博士已经见证了3D打印技术在伊利诺伊州皮奥里亚县伊利诺伊儿童医院所取得的效益，他正在那里学习。在那家医院，外科医生在准备和计划对有复杂的心脏缺陷的儿童手术时，可以得到他们打印的病人心脏的三维模型的帮助。

结果如何呢？手术变得更加有效。在一个病例中，三维模型帮助医生想出了一个不同于常规的方法来修复一个3岁孩子的心脏。这个男孩最初的预期寿命是20～30岁，但现在他有望正常地生活。

布拉姆莱特说：“三维模型允许我们把病人的心脏从二维的屏幕中拉出来，实际上它就‘握在我们手中，这样，我们可以从未有过的维度上对病人的心脏状况作出评估。这就从根本上改变了手术的方法。”

在美国国家儿童医学中心（位于华盛顿哥伦比亚特区），工程师阿克塞尔·克里格博士也用他的打印机组装出患者不良心脏的模型，并利用这些模型作为手术的指导和教学工具。他的团队已经做了约40个心脏模型，但问题仍然是：这样做能否提高手术效果呢？“现在说有效，还为时过早。因为这些手术是非常复杂的，很难准确地评价这种模型有什么作用，因为它只是工作流程中的一个小步骤。”克里格说。

他预言，到明年，做过更多的心脏手术后，他们会有更好的手术方案。

癌症研究者的好帮手

癌症研究人员西尔斯也欢迎这种超越二维图像缺陷的能力。她说：“我们可以在实验室培养皿上让肿瘤细胞生长，但是，那不是存在于身体内的肿瘤细胞。二维图像并不能模拟我们在医院看到的病人实际情况。这就是为什么我们设计了成千上万有针对性的治疗方法，在实验室看起来很有希望，但在临床试验中却没有获得成功的原因。”

使用小白鼠—在癌症研究中常见的工具—也有严重的缺点。缺点之一是时间太长。西尔斯说：“往往需要6个月的时间来在小鼠体内种植肿瘤并使其生长。对于某些快速恶化的癌症，如胰腺癌，患者不能够等待那么久。而现在，运用3D打印技术，或者更准确地说是3D生物打印技术，因为这涉及人类细胞。在两个星期内，我们就可以知道这些被打印出来的肿瘤是否响应某个设定的治疗方法。”运用3D打印技术的另一个优势是：西尔斯可以同时打印多个相同的肿瘤，让她同时测试多个药物的效果。

她说：“这是非常令人兴奋的，无论是在有可能很快获知何种药物对患者有效，还是在了解癌症细胞与其他细胞的沟通方法方面。对我来说，现在充满了前所未有的希望。”

但西尔斯说，未来仍需要做很多研究。最大的问题在于，患者的肿瘤会以与3D打印出来的模型同样的方式对药物作出反应吗？

3D打印技术发展的新目标

利普森博士认为，西尔斯的研究只是3D打印技术朝着最令人兴奋的方向迈出的第一步。他说：“终极目标是生物打印，或可称为利用活细胞进行打印。”他预测，我们将在未来几年内开始超越模型制作阶段。下一个目标是可植入的3D打印的人体组织。

他说：“我认为，将来我们将一步一步向上攀登。从打印简单的组织，如软骨和骨骼，到打印各种各样复杂的能发挥功能的组织器官，这是真正的巅峰。”

他提醒说，虽然实验室和动物试验正在进行中，但美国食品药品监督管理局批准其使用大概至少还需要5年的时间。

他说：“先进技术的发展也会产生有趣的伦理问题。例如，如果科学家能运用3D生物打印技术制造一个新膝盖来替换你饱受关节炎困扰的膝盖，那么你是要复制你的旧膝盖，还是允许计算机设计出一个更好的新膝盖？进而发生的问题是，我们可以重建或改善我们的身体吗？”

利普森说，在短期内，我们将看到越来越多的3D打印出来的合成移植物，如髋关节和其他可置换的关节，并且可以根据要求设计其形状来提高它们的工作效果。当然与传统的假体不同，植入物可能很昂贵。所以他认为3D生物打印技术的新发展，将取决于经济，“资金和市场将被优先考虑，而不是纯粹的技术问题。但我们应该期待大的发展，因为将来有无限的可能性在等待着我们去开发。”

仿生人与仿生器官的发展

1.世界上第一位“仿生人”

雷克斯，这是图中间的这个机器人的名字，它是展示当今最先进的假肢和生物力学技术的一个具备功能的电子人体。它依靠视网膜植入物来看事物，用机器手来抓东西，并依赖被传感器驱动的腿走路。它也有肾、脾、肺、胰腺，以及一个由电池供电、用塑料制成的心脏泵血。简而言之，它几乎是活生生的证明：如果我们的部分器官失效了，我们还可以得到新的人工器官。

2.机器人骨架

它叫Ekso，是加利福尼亚大学伯克利分校制造出来的仿生人体骨骼。它已经在世界各地的康复中心帮助那些因为脑卒中、受伤或脑麻痹之类疾病而失去了走路能力的人们。电池驱动的马达驱使腿迈动，以弥补失去的大脑驱动肌肉的功能。这一设备的制造商正在与美国加利福尼亚州奥克兰儿童医院和研究中心合作，为孩子们再制造一个适合的骨骼。

3.人造心脏

医生已经将叫做“SynCardia”的人工心脏用于那些等待移植心脏的人们身上，据称美国有1250名这样的病人。病人将携带一个背包大小的驱动器，这个驱动器保持心脏的各种功能，并且将变得功能更强。这样人们可以随处走动，离开医院，也可以回家。美国食品药品监督管理局已经允许它的制造者使用它，看看这一设备是否能持久适用于病人。对于这样的病人而言，心脏移植已不再是唯一的选项了。

4.逼真的假肢

现在的假肢，不仅能像真的肢体一样工作，而且显得比以前更加真实，表面的细节如雀斑、指纹、涂色指甲、头发甚至纹身，无不栩栩如生，还可以配以皮肤的色调。制造者说，这些逼真的产品，不仅能帮助使用者移动，它们还可以修补某些失去肢体而引发的情感创伤。

5.智能手机控制的手臂

用户可以编写多达24种指令输入他们的智能手机，就可以指挥这种最新版本的触摸仿生手臂。这个小玩意儿利用肌电技术运作：传感器侦测你肌肉的微小移动，你手上的电脑则将此转换成几十种精确的动作。德国用户克劳蒂亚·布赖德巴赫说，这个手臂正好可以用于她的爱好—竞技跳伞。实际上，其他假肢可利用这种触摸仿生技术。

6.心灵驱动的假肢

莱·鲍在40年前的一次电气事故中失去了双臂，他成为第一个佩戴可以用大脑控制的假肢的双肩平齐截肢者。他说，这个装置给了他几十年来梦寐以求的运动自由度。美国马里兰州巴尔的摩市约翰·霍普金斯医院创伤外科医生艾伯特卡医学博士说，将做新的重建神经手术来控制莱·鲍的手臂和手。但这一项目仍处于早期发展阶段。

7.脚踝置换

这种电池供电的脚踝假体，由一名失去双腿的麻省理工大学教授发明。它能模仿逼真的运动状态，并让用户有更自然的步态。这种仿生脚能随着高低不平的地面向上和向前移动。这些运用高技术的人造膝盖和脚踝将电子、机械技术和生物学相结合，其效果就像真正的关节。

8.大脑思想推进的仿生腿

扎克沃特拥有世界第一条由大脑思想控制的仿生腿，他可以坐、站、走路和爬楼梯。事实上，他爬上了103层高的芝加哥威利斯大楼。一台电脑读取他腿部肌肉的电信号和从仿生腿上传过来的数据。电脑便判断出他想做哪种运动，把指令发送到他的仿生腿上，然后他就开步走了。这种仿生腿到2018年会得到广泛使用。

9.有高活动性的模块化手臂

弗雷德曾是美国退伍军人事务部假肢部部主任，他得到了一条“卢克臂”（卢克是电影《星球大战》中的人物），以代替他在越南战争中由于地雷爆炸而失去的手臂。这一手臂通过感测另一完好肢体肌肉的活动，允许用户完成复杂的动作。这种手臂与人的手臂的大小、形状和重量完全相同。另外它已实现模块化，因此完全可以取代失去的手、小臂或完整的手臂。它是经美国食品与药品监督管理局批准并生产的。

10有感觉的假手

丹尼斯·索伦森有一只不同寻常的假手：他能感觉到手里抓的是什么。由欧洲Nebias项目组设计的这只假手上有传感器，与索伦森的上臂神经相连接。现在，当他抓住一样东西时，即使他蒙上眼睛，也可以说出它是什么—一个棒球，一个鸡蛋，或者一个杯子。研究人员仍在深化这项技术，几年后它将投放市场。

11.视网膜植入物

30年来的第一次，拉里·海丝特可以看到他妻子的脸了。也许细节看得并不清楚，但已可以使他碰到和触摸妻子的脸。海丝特是全世界约100名接受ArgusII系统的人之一。一个微小的摄像头安装在一副眼镜上，它会发送图像到视网膜植入物和海丝特随身携带的一个小型电脑中。这个系统虽然不能恢复海丝特的视力，但它可以帮助他以及那些因视网膜色素变性失去视力的人们分辨光亮区域和黑暗区域。（未完待续）