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3D打印：从想象到现实 [:1700398808]
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打印活性软骨
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软骨是展示自然神奇的组织工程能力的一个典范。人体内的软骨能够多年保持其形状不变，或对我们的关节提供缓冲，以承受数年的冲击。关节软骨作为保护层可以防止骨骼间的相互摩擦，从而对膝关节起到保护作用。软骨也使我们的耳朵与鼻子可以弯曲，并在扭曲时保持弹性。
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与骨骼一样，软骨组织也是由几种细胞类型组成的简单组织，不包含静脉，而且用途相对简单。软骨不需要消化食物，不需要听从神经细胞的指令，也不需要快速响应环境影响。但是，制造像软骨这样相对简单的组织也不是目前医学上能轻而易举完成的事情。
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软骨是一个基本组织，但不幸的是，至今我们还没有可行的方法制造人工替换软骨。如果你打了多年壁球或者是一名专业长跑运动员，你会知道，一旦你的关节软骨磨薄了，这就意味着磨去的部分没有了，不会再变回原来的厚度。关节之间缺少软骨将是毁灭性的，这将使数百万人遭受膝、肘、髋关节以及手指的疼痛和骨关节炎。
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图7–5
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注：我们3D打印出源自一只羊的活细胞的人造半月板，其“设计文件”是一个CT扫描。打印的细胞在新的环境中生长，半月板尚未被植入。
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图片来源：Daniel Cohen and Larry Bonassar
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3D打印有望制造人造软骨。在康奈尔大学，我与丹尼尔·科恩、拉里·博纳萨3D打印了羊的半月板。首先，我们对羊的膝关节进行了核磁共振成像扫描并将图像数据形成一个设计文件。其次，我们从羊身上提取了活细胞，并搅拌进医疗性水凝胶。最后，我们通过一个3D打印机打印头（相当于一个注射器）对凝胶混合物进行挤压。在后来的研究项目中，拉里3D打印出真正的人耳软骨，它的设计文件来自对外耳的光学扫描数据。
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人体是复杂的，就连制造一个像软骨这么简单的组织也是一个复杂的过程。虽然可以3D打印出活性软骨，但这也只成功了一半。我们还没有解决第二个更关键的挑战，我们的关节是用来做苦力的。在人造软骨被移植到体内之前，需要增强其韧性和适应性。因此，软骨在被植入前必须在研究实验室内进行机械应力的实验。
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就像一个被宠爱的孩子一样，人造软骨在有盖培养皿中享受着特权生活而无须面对现实生活的无情冲击。在没有外部压力的情况下，比如游泳或打网球，人造软骨会保持松弛和脆弱。如果人造软骨在未加固前植入膝盖，很快就会被压扁到不成形。当我和丹尼尔、拉里向一些专业的外科医生展示我们的第一批3D打印羊软骨时，他们很快就否定了它们，因为他们发现打印的软骨太脆弱了，甚至不能承受简单的缝合。
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研究人员正在寻找这个问题的解决方案，一个可行的方法是将人造组织放在一个生物反应器中以模仿真正的组织成熟方式。为了使生物打印软骨能够投入实际应用，也许可以通过水凝胶材料的进步解决这个问题。另一种可能的解决办法是在生物打印软骨的初期，创造性地运用其他压力来源（比如光、热或声音振动）。的确，软骨也需要“严格的磨合”。
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3D打印：从想象到现实 [:1700398809]
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打印心脏瓣膜
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软骨可能是一个相对简单的活性组织，但有些类型的软骨却更加复杂与关键。例如，如果你的膝盖或肘部的软骨受损，你可以继续生活（虽然会有阵痛），但是如果你心脏瓣膜中的软骨不工作了，那么你死于心血管疾病的风险将增加50%。
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没有器官比心脏更重要。心脏是由肌肉、血管和软骨组成的，它们在射向整个身体的电脉冲所精心设计的复杂程序里共同协作。一个人每天平均心脏跳动近10万次。事实上，心脏每年要承受自身的冲击约8 000万次，平均一生约50亿~60亿次。
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医学上最棘手的心脏部位之一是薄薄的纤维瓣膜。人的心脏被瓣膜分成四个心腔。心脏瓣膜就是在血液从一个心腔流向另一个心腔时，为控制血流方向而精确地进行开关闭合的单向通道。如果这些瓣膜不能正常工作，患者的心脏最终将走向衰竭。据美国心脏协会报告，每年有500万美国人被诊断出患有心脏瓣膜疾病，而心脏瓣膜缺陷是一种常见的先天性疾病。
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心脏瓣膜非常小，新生儿的心脏瓣膜有10美分硬币大小，成人的也只有25美分硬币大小。血液必须按照一个方向进行脉冲。如果心脏瓣膜出现机械性不足，它就会开始慢慢泄漏，有点儿像一个企业中由于一名不称职员工的偷工减料，最终导致几个重要职能部门慢慢瓦解。如果瓣膜增厚或变得僵硬也可能导致心脏衰竭。
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也许有一天3D打印的心脏瓣膜可以解决这一切。美国康奈尔大学的乔纳森·布彻教授是生物工程人造心脏瓣膜领域的主要研究人员之一。我去康奈尔大学生物工程学院拜访了乔纳森，这个学院位于一个崭新的白色大理石建筑中，冰冷的石头地面放大了脚步的回声。整个气氛太肃静了。接待区超大的四方中厅会让到访者感到空旷，而显得人类是那么渺小。
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乔纳森的办公室与刻板、空旷的环境形成了一定反差。两幅多彩的油画为办公室增添了温暖，这是乔纳森班上一名本科生送给他的礼物。乔纳森告诉我：“这名学生画的是从不同阶段的鸡胚胎中分离出来的心脏。”我请他解释一下现在人造心脏瓣膜面临的挑战。他说：“目前外科医生更换心脏瓣膜有两种方法，其中一种是机械心脏瓣膜或者牛或猪的瓣膜，把它们像一张软皮一样清洗干净。”
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目前可获得的心脏瓣膜无论是机械的还是动物的都存在严重缺陷。一个机械心脏瓣膜的好处是它被植入后能维持很长一段时间。然而，一个机械心脏瓣膜可能产生血块，脱落后可能进入大脑。这就是为什么使用机械心脏瓣膜的人必须服用稀释血液的药物，这就引发了另一方面的医学挑战，以及对职业与生活方式的限制。
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图7–6 3D打印人造心脏瓣膜
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图片来源：Jonthan Butcher, Cornell University
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