基于注射的液態(tài)金屬電極對(duì)牛蛙腿中坐骨神經(jīng)進(jìn)行刺激

一只實(shí)驗(yàn)所用的牛蛙早已作完前期準(zhǔn)備，等待它的，是以一次奇妙的體內(nèi)3D打印體驗(yàn)：“墨汁”——液態(tài)金屬被清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院與中科院理化技術(shù)研究所聯(lián)合小組(以下簡(jiǎn)稱聯(lián)合小組)的實(shí)驗(yàn)人員用微型注射器吸入，然后按照制定好的路徑順序噴注入這只牛蛙體內(nèi)。

一會(huì)兒，通過(guò)X光照片顯示，在牛蛙體內(nèi)的坐骨神經(jīng)上打印出了一個(gè)電極，而這樣一個(gè)“大手術(shù)”卻未留下大創(chuàng)口，如果不仔細(xì)查找，很難發(fā)現(xiàn)微型注射器留下的針眼。

當(dāng)一些謹(jǐn)慎之士還在爭(zhēng)論3D打印技術(shù)未來(lái)能否掀起一場(chǎng)產(chǎn)業(yè)革命時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)卻已讓生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域看到更美的未來(lái)。

好消息一個(gè)接一個(gè)地傳來(lái)：在體內(nèi)直接3D打印人工器官移植手術(shù)成功。如今，聯(lián)合小組提出并實(shí)現(xiàn)了一種全新且更具微創(chuàng)性的3D醫(yī)療電子打印制造技術(shù)。

“我們期望，能夠在生物體內(nèi)利用3D打印技術(shù)直接構(gòu)建出非常精密的醫(yī)療器械。”聯(lián)合小組負(fù)責(zé)人劉靜教授說(shuō)。

他形象地將此比喻為，通過(guò)一個(gè)針孔將液態(tài)金屬按照程序源源不斷注入體內(nèi)目標(biāo)組織處，運(yùn)用3D打印技術(shù)鑄造出比“東方明珠塔”還要精細(xì)的醫(yī)療器械。

3D打印敲開(kāi)微創(chuàng)治療之門

今年5月，美國(guó)俄亥俄州的男孩Kaiba Gionfriddo成功移植了利用3D打印技術(shù)制成的人體氣管。

密歇根大學(xué)的科研人員們對(duì)此表示，將高分辨率成像技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與生物材料的3D打印結(jié)合起來(lái)，可以針對(duì)患者的特定解剖條件創(chuàng)建可植入設(shè)備。

英國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)采用3D“打印技術(shù)”，基于胚胎干細(xì)胞能夠定制化打印制造人體器官組織，這意味著絕望的重病患者能夠很容易地獲得可供移植的肝臟、心臟和其他人造器官。

可以想見(jiàn)，生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域正在領(lǐng)略3D技術(shù)帶來(lái)的神奇與魅力——人們不再為移植器官稀缺而困擾，移植之后的排異反應(yīng)也將大大減小。

但是，這些手術(shù)都會(huì)獲得同樣的“紀(jì)念品”——傳統(tǒng)植入式醫(yī)療設(shè)備往往需要借助一系列復(fù)雜煩瑣的開(kāi)顱、開(kāi)胸手術(shù)、植入及縫合過(guò)程，常會(huì)給患者帶來(lái)巨大的身心痛苦，更為甚者會(huì)引起嚴(yán)重?fù)p傷。

“如果采用微創(chuàng)3D電子打印制造，創(chuàng)口直徑只有0.5毫米。”劉靜說(shuō)，其實(shí)，這就是一個(gè)小針眼的尺寸。

他表示，可植入式生物醫(yī)學(xué)電子體內(nèi)3D打印借助臨床上常用的微型注射器按照預(yù)先設(shè)計(jì)的加工流程將封裝材料與具有良好導(dǎo)電特性的液態(tài)金屬墨水，在圖像引導(dǎo)下以微創(chuàng)方式按既定路徑順序注入體內(nèi)，實(shí)現(xiàn)空間結(jié)構(gòu)可控且功能各異的電子設(shè)備，如典型醫(yī)用植入式電極及RFID等。

“我們已經(jīng)在小鼠體內(nèi)進(jìn)行了這樣的實(shí)驗(yàn)，并獲得成功。”

移植不為“器”所傷

采用以上這種方法無(wú)創(chuàng)，且可以借助于小小的精密注射器，便可實(shí)現(xiàn)體內(nèi)3D多尺寸設(shè)備的構(gòu)建，大大降低了患者的疼痛感，此外，“這項(xiàng)技術(shù)在終端體內(nèi)成型制造省去了外部加工等工序，因而顯著降低了制造成本。”劉靜表示。

再者，所采用材料良好的生物相容性及柔性特征大大提升了在體內(nèi)應(yīng)用的適用性，研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為這也可使患者享受到更加舒適便捷的醫(yī)療服務(wù)。

為人類未來(lái)創(chuàng)造無(wú)限可能，這正是科技的迷人魅力。然而，科研中的點(diǎn)滴積累都凝聚著科研人員無(wú)數(shù)次的探索

比如，在醫(yī)療器械體內(nèi)3D打印方法中，科研人員面對(duì)的一道難題是材料該如何選取。

聯(lián)合小組采用各種組織進(jìn)行離體實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)并非所有的液態(tài)金屬材料和封裝材料都適合注入組織，有的“墨水”注入后卻“不聽(tīng)話”，在組織內(nèi)到處流淌，很難成型。“針對(duì)不同組織和部位，要選用不同的3D打印‘墨水’。”

還有，“注射過(guò)程也沒(méi)有想象中那么簡(jiǎn)單容易，如何控制是個(gè)大挑戰(zhàn)。”劉靜坦言。

現(xiàn)在，聯(lián)合小組使用的是手動(dòng)控制，“之前我們已經(jīng)積累了大量手動(dòng)操作的經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)在手感不錯(cuò)，而且已經(jīng)能夠?qū)Υ诉^(guò)程加以可視化。”他表示。

這種醫(yī)療器械體內(nèi)3D打印方法目前仍處于技術(shù)開(kāi)端與成長(zhǎng)期，其進(jìn)一步推廣應(yīng)用需要發(fā)展出圖像引導(dǎo)下的精細(xì)且高度自動(dòng)化的智能型操作技術(shù)如手術(shù)機(jī)器人等，以提升3D打印手術(shù)的精度與準(zhǔn)確度。

“就如同科幻電影《普羅米修斯》中，可以依靠機(jī)器人來(lái)實(shí)現(xiàn)異常精密、安全的全自動(dòng)手術(shù)。”

跨界思考撞出火花

“可植入式生物醫(yī)用電子體內(nèi)3D打印成型技術(shù)的研究脈絡(luò)繼承了之前我們一系列研究的思路，是一個(gè)不斷積累的遞進(jìn)過(guò)程。”劉靜說(shuō)。

這其中涉及的幾個(gè)關(guān)鍵詞：植入、微創(chuàng)、3D打印和液態(tài)金屬，組合起來(lái)似乎是那么風(fēng)馬牛不相及。

早期，聯(lián)合小組開(kāi)展過(guò)的植入式醫(yī)療研究就有心電、心臟起搏器等范疇，比如將電極、電源植入體內(nèi)，心臟起搏器、神經(jīng)刺激器等便可利用人體體溫溫差進(jìn)行發(fā)電來(lái)工作。

而另一個(gè)關(guān)鍵詞“微創(chuàng)”，實(shí)驗(yàn)室則積累了十多年經(jīng)驗(yàn)，“最近這一領(lǐng)域的研發(fā)已開(kāi)花結(jié)果。”劉靜所指的便是實(shí)驗(yàn)室推出的腫瘤微創(chuàng)高低溫復(fù)式消融治療系統(tǒng)、血管介入式全身熱療腫瘤微創(chuàng)治療系統(tǒng)等設(shè)備。這些設(shè)備的研發(fā)最早于1999年啟動(dòng)。

“更有意思的是，十幾年前，我們還啟動(dòng)了液態(tài)金屬的研發(fā)。那時(shí)的研究重點(diǎn)與現(xiàn)在這一技術(shù)可以說(shuō)是風(fēng)馬牛不相及。”劉靜說(shuō)。

當(dāng)時(shí)，科研人員一心要解決計(jì)算機(jī)CPU芯片散熱問(wèn)題，為此啟動(dòng)了液態(tài)金屬的研究。在劉靜科研團(tuán)隊(duì)看來(lái)，液態(tài)金屬是一種非常神奇的材料，在室溫下可流動(dòng)，還具有導(dǎo)電、導(dǎo)熱等特性，“令人非常著迷”。

隨著研究的深入，劉靜意識(shí)到，液態(tài)金屬應(yīng)該可以應(yīng)用在更大范圍內(nèi)，比如在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域可否引入?

將液態(tài)金屬應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)中，這在國(guó)內(nèi)外一直都很少有人考慮過(guò)。劉靜帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了開(kāi)端工作。“令人怦然心動(dòng)的是，可流動(dòng)的液態(tài)金屬注入人體內(nèi)，不會(huì)造成大的創(chuàng)口，并且可以按照需要形成醫(yī)療器械，甚至所實(shí)現(xiàn)的終端對(duì)象個(gè)頭可以很大。這是最獨(dú)特的一點(diǎn)!”

從微創(chuàng)治療到植入式醫(yī)療電子的研究，從液態(tài)金屬到3D技術(shù)可在任意表面上打印，最后利用3D打印技術(shù)將液態(tài)金屬源源不斷地注入體內(nèi)，構(gòu)建所需的醫(yī)療器械——這個(gè)“樸素的想法”迅速地被串聯(lián)在一起。

“我們相信，不遠(yuǎn)的將來(lái)，隨著技術(shù)的不斷成熟將會(huì)在植入式醫(yī)療、康復(fù)醫(yī)學(xué)等更廣闊的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。”劉靜和團(tuán)隊(duì)期待著越來(lái)越多的專業(yè)人員加入到這一領(lǐng)域的研究和應(yīng)用中。