開啟生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的曙光

本刊記者/溫斌

醫(yī)療領(lǐng)域是近年來備受社會(huì)關(guān)注的領(lǐng)域之一，而生物打印技術(shù)則是醫(yī)療領(lǐng)域科技創(chuàng)新的熱點(diǎn)，3D打印技術(shù)的短流程、個(gè)性化、數(shù)字化和智能化特征，使其在新質(zhì)生產(chǎn)力的形成中扮演了舉足輕重的角色。科教資源是陜西最顯著的優(yōu)勢(shì)和最鮮亮的底色，創(chuàng)新資源豐富也是陜西的最大優(yōu)勢(shì)。在陜西科技創(chuàng)新的大潮中，有著一批又一批像賀健康和他的生物3D打印團(tuán)隊(duì)一樣的奮戰(zhàn)在科技前沿不斷探索的弄潮兒。

?充滿活力的學(xué)術(shù)帶頭人賀健康教授

?不斷探尋生物3D打印技術(shù)的創(chuàng)新與突破

“生物打印技術(shù)作為一種新興的技術(shù)，其應(yīng)用前景十分廣闊。生物醫(yī)學(xué)是3D打印最重要的應(yīng)用領(lǐng)域，通過和醫(yī)學(xué)影像建模技術(shù)結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)人體組織與器官的個(gè)性化定制，成為高端醫(yī)療器械制造的利器，也為我國(guó)改變高端醫(yī)療產(chǎn)業(yè)嚴(yán)重依賴進(jìn)口現(xiàn)狀、實(shí)現(xiàn)國(guó)際水平追趕超越提供了黃金機(jī)遇”。在和賀健康教授交流時(shí)他對(duì)其研究方向和意義進(jìn)行了言簡(jiǎn)意賅的介紹。

△可降解生物支架仿生設(shè)計(jì)與增材制造簡(jiǎn)介展示圖

賀健康教授是一名“土生土長(zhǎng)”的交大人。從1999年到2010年，他本、碩、博的學(xué)習(xí)都在西安交大機(jī)械學(xué)院完成，師從中國(guó)工程院院士、西安交大教授盧秉恒和西安交大機(jī)械學(xué)院教授、機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任李滌塵。2003年，賀健康了解到盧秉恒教授研究的3D打印技術(shù)，看到電腦上的模型圖轉(zhuǎn)瞬間變成實(shí)物，賀健康被高度自動(dòng)化與智能化的制造技術(shù)吸引，被導(dǎo)師團(tuán)隊(duì)敢于創(chuàng)新與拼搏實(shí)干的精神感染，對(duì)生物3D打印技術(shù)產(chǎn)生了濃厚的興趣——他認(rèn)為這種全新的制造技術(shù)，在將來一定有著廣泛應(yīng)用。于是，賀健康放棄了保送清華大學(xué)攻讀碩士研究生的機(jī)會(huì)，選擇留在西安交大機(jī)械工程學(xué)院繼續(xù)深造選擇肝組織工程支架生物3D打印技術(shù)方向直接攻讀博士學(xué)位。后來賀健康又爭(zhēng)取到了前往新加坡進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)的寶貴機(jī)會(huì)，更使他認(rèn)識(shí)到制造技術(shù)在生物及醫(yī)療領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景。

△遇到瓶頸，及時(shí)分析問題實(shí)質(zhì)，尋求解決方案

3D打印技術(shù)以其精密和靈活的特點(diǎn)，能夠生產(chǎn)出傳統(tǒng)制造方法難以企及的復(fù)雜產(chǎn)品和零件。無論是在航空航天領(lǐng)域的精密部件，還是在醫(yī)療器械領(lǐng)域的定制化產(chǎn)品，3D打印都展現(xiàn)了其高端化制造的巨大潛力。當(dāng)時(shí)生物3D打印技術(shù)在國(guó)內(nèi)并未得到太多關(guān)注，只有清華大學(xué)和西安交通大學(xué)在嘗試與摸索，賀健康和其他團(tuán)隊(duì)成員在缺乏前期基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的情況下“摸著石頭過河”，反復(fù)“試錯(cuò)”，扎實(shí)推進(jìn)，從理論研究到實(shí)驗(yàn)室試制，從動(dòng)物實(shí)驗(yàn)到臨床應(yīng)用，最終開辟了西安交大關(guān)于可降解軟組織支架研究的新天地。相較于人體骨骼“硬組織”，具有生物功能的“軟組織”在臨床方面需求巨大。賀健康所在的生物3D打印團(tuán)隊(duì)，以“生物可降解支架微結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)制造基礎(chǔ)”項(xiàng)目，獲得2019年度全國(guó)高等學(xué)校科學(xué)研究?jī)?yōu)秀成果獎(jiǎng)（科學(xué)技術(shù)）自然科學(xué)一等獎(jiǎng)。該團(tuán)隊(duì)通過生物可降解支架微結(jié)構(gòu)的仿生設(shè)計(jì)與3D打印制造，使支架植入體內(nèi)后能夠引導(dǎo)組織再生并逐漸降解為二氧化碳和水被人體代謝，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械結(jié)構(gòu)向自體組織的轉(zhuǎn)化。此外，通過梯度結(jié)構(gòu)將人體軟硬組織有機(jī)固定，達(dá)到修復(fù)軟組織功能的目的，推動(dòng)醫(yī)療領(lǐng)域的發(fā)展。

△“做一流學(xué)問，創(chuàng)頂尖技術(shù)”的科研團(tuán)隊(duì)

△創(chuàng)新傳承—打造團(tuán)隊(duì)的精神動(dòng)力

賀健康現(xiàn)為西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副院長(zhǎng)、二級(jí)教授、“仿生與生物增材制造”陜西省創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人，入選國(guó)家杰青。長(zhǎng)期開展生物制造與增材制造研究。兼任國(guó)家CFDA醫(yī)療器械技術(shù)審評(píng)委員會(huì)咨詢專家、多個(gè)國(guó)家級(jí)學(xué)術(shù)組織的常務(wù)委員等職務(wù)。他長(zhǎng)期開展生物制造與增材制造研究，研發(fā)了可降解植入物及微納增材制造工藝與裝備，率先實(shí)現(xiàn)可降解乳腺支架、氣管外支架等臨床試驗(yàn)，被國(guó)際醫(yī)學(xué)專家評(píng)價(jià)為“原創(chuàng)性技術(shù)”“科學(xué)家、工程師與醫(yī)生成功合作的優(yōu)秀范例”。他的研究成果已完成60余例臨床應(yīng)用，獲授權(quán)發(fā)明專利40 余項(xiàng)，以第一通訊作者發(fā)表高水平SCI 論文80余篇，獲教育部自然科學(xué)一等獎(jiǎng)、教育部技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)。

深耕人體植入物3D打印技術(shù)，塑造醫(yī)療材料領(lǐng)域新質(zhì)生產(chǎn)力的先鋒。賀健康一開始的科研工作主要關(guān)注人體骨打印的研究，博士期間則轉(zhuǎn)向人體肝臟組織制造課題的探索。與骨骼的設(shè)計(jì)研究只需要考慮力和結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)機(jī)械問題不同，肝臟更重要的是生化功能。面對(duì)新的挑戰(zhàn)，賀健康選擇迎難而上，先后于2006年前往北京解放軍總醫(yī)院學(xué)習(xí)細(xì)胞技術(shù)，解決細(xì)胞存活問題；于2008年前往哈佛醫(yī)學(xué)院進(jìn)行為期兩年的聯(lián)合培養(yǎng)，解決如何使細(xì)胞發(fā)揮出生物功能的困擾。國(guó)外細(xì)胞培養(yǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化流程讓他深切地感受到學(xué)科交叉的重要性。賀健康認(rèn)為當(dāng)一個(gè)人同時(shí)掌握醫(yī)學(xué)背景和工程知識(shí)后，其思維會(huì)發(fā)生質(zhì)的提升。通過不同領(lǐng)域的思想碰撞、知識(shí)互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)研究創(chuàng)新；通過醫(yī)工交叉，以工程手段解決臨床問題，實(shí)現(xiàn)1+1＞2的效應(yīng)。”賀健康認(rèn)為，交叉思維的培養(yǎng)理念就是要不斷推進(jìn)人員和知識(shí)的融合，多學(xué)科交叉的思維在一些時(shí)候會(huì)令難題迎刃而解。

在最后的交流中，作為記者提出幾個(gè)讀者關(guān)切的問題：生物3D打印再造器官對(duì)人體有沒有副作用，有沒有排異反應(yīng)？產(chǎn)品在各種真實(shí)工況下的性能表現(xiàn),如強(qiáng)度、耐熱、抗腐蝕等性能如何？生物3D打印墨水材料研究的進(jìn)展方面再了解一些情況？

“生物3D打印技術(shù)的應(yīng)用——開啟生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域希望的曙光”。賀健康教授介紹說。

△生物3D打印技術(shù)為醫(yī)療手術(shù)介入提供了全新的解決方案

賀健康的研究工作始于3D打印人體植入這一方向，逐步擴(kuò)展到各個(gè)領(lǐng)域，力求以制造技術(shù)變革醫(yī)療修復(fù)技術(shù)。相較于傳統(tǒng)的假體植入，生物3D打印技術(shù)不僅在細(xì)胞生長(zhǎng)中“筑巢引鳳”，提供良好支撐，還具有良好的可降解性。3D打印除了在宏觀上可以滿足患者的實(shí)際需要，在復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)的構(gòu)建中也有著巨大的優(yōu)勢(shì)，可以通過對(duì)微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控，讓細(xì)胞和組織更好地生長(zhǎng)。自2001年團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)國(guó)際首例3D打印鈦合金下頜骨臨床試驗(yàn)以來，西安交大的生物制造技術(shù)已逐步拓展個(gè)性化PEEK植入物、可降解、可再生軟組織支架乃至活性器官制造等多個(gè)領(lǐng)域。目前臨床應(yīng)用的3D打印人體植入物多是鈦合金、聚醚醚酮、可降解聚合物等材料，這些材料已經(jīng)經(jīng)歷了較長(zhǎng)時(shí)間的臨床使用驗(yàn)證，生物相容性很好，在人體長(zhǎng)期使用的副作用和排異反應(yīng)不大。

生物3D打印產(chǎn)品因?yàn)槭窃谌梭w使用，所以強(qiáng)度、耐熱及抗腐蝕性能需求不突出，像現(xiàn)在打印的鈦合金、聚醚醚酮植入物的力學(xué)性能均可達(dá)到承載部位骨科的需求，像我們制造的3D打印個(gè)性化乳房支架還要想著如何降低強(qiáng)度，與軟組織的力學(xué)性能相匹配。2016年實(shí)現(xiàn)了可降解乳腺支架的國(guó)際首例臨床應(yīng)用。目前該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)臨床應(yīng)用30余例，氣管外支架等技術(shù)也已完成臨床應(yīng)用幾十例，患者均反饋良好。團(tuán)隊(duì)正逐步將前沿技術(shù)轉(zhuǎn)向臨床醫(yī)學(xué)，團(tuán)隊(duì)的技術(shù)已應(yīng)用于第四軍醫(yī)大學(xué)、西京醫(yī)院、交大二附院、南京兒童醫(yī)院、鄭大一附院等臨床治療中，并在逐步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化，使更多患者受益。任何學(xué)科向前發(fā)展，都需要找到新的增長(zhǎng)點(diǎn)，隨著小康社會(huì)的到來和實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的需要，面向人民生命健康的生物制造與3D打印會(huì)越發(fā)重要，希望醫(yī)療科技創(chuàng)新的步伐能得到進(jìn)一步加快。

生物3D打印墨水是面向未來活性組織與器官打印的關(guān)鍵材料，這里面不僅包含材料成分，還包含生長(zhǎng)因子、細(xì)胞等生物學(xué)成分，目前主要還是處于實(shí)驗(yàn)室研究階段——科技的創(chuàng)新，就是要不斷地探索。不論我們是向前看科技發(fā)展的趨勢(shì)，還是從當(dāng)前挖掘科技價(jià)值、探索未來商業(yè)的方向來看，生物3D打印技術(shù)具前瞻性和顛覆性，成為聚焦前沿生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的新豐碑，為患者帶來福音，帶來曙光。

科技需要不斷創(chuàng)新，賀健康教授和他的生物3D打印團(tuán)隊(duì)也在不斷地研究探索中。