3D醫學打印 度身訂造治療新趨勢

[2016-10-04]

1997年,荷李活科幻電影《The Fifth Element》講述一班科學家在一艘太空船中意外拾獲一隻手臂,他們利用先進的3D生物打印技術,分析該手臂的基因數據,並成功把該「人體」重組過來。無獨有偶,在1997年,3D醫學打印範疇也有嶄新的突破,當然,相比電影情節,當年的3D打印發展還落後得多。

究竟,3D打印技術從電影橋段走到現實,又有幾分可以成真?現階段醫學界普遍認為,透過3D打印技術,可為病人打印獨一無二的器官模型、醫療儀器,有助醫者術前規劃,為病人提供更合適的個人化治療,大大提升手術成效。至於將來有否機會打印心臟、腎臟等生物器官,還是未知之數,但,醫學突破總是時刻在發生。

老鼠長出耳朵 震撼醫學界
「1997年出現了一幅震撼醫學界的照片,就是那隻老鼠背部生了一隻耳仔,人人以為隻老鼠懂得聽人話!」

香港大學矯形及創傷外科學系楊偉國博士笑說,事實上,那次只是科學家一次組織工程(tissue regeneration)的實驗,但在醫學界引起極大迴響。該次是由美國組織工程學家Joseph Vacanti與曹誼林博士在哈佛大學醫學院一起合作的實驗研究,二人找到一些不會被人體排斥的塑膠,作為3D打印物料,製作耳朵支架,然後再把人造耳縫到實驗老鼠的背部。慢慢老鼠細胞在人造耳上生長,並轉化成軟骨,但是這隻耳朵沒有聽覺功能。楊博士說︰「有些嬰兒在胚胎發育不全,天生無耳殼,聽力很差,透過手術,可將人造耳殼移植到耳朵位置,有助病人改善外觀及聽力。」

混入生物細胞作「墨水」
十六年後,3D生物打印(3D bio printing)再有新突破。以往的人造耳殼是塑膠造的,美國Cornell University的研究團隊於2013年將生物細胞混入水凝膠(hydro gel)作打印材料,透過電腦掃描取得病人耳朵結構影像後,利用3D生物打印儀器,將耳朵支架一層層打印出來,製成品便像倒模般,更切合不同病人的生理需要,因這些假體內含生物細胞,若支架結構環境及細胞生長情況理想,移植人體後,可在體內逗留更長的時間,發揮更佳功效。

除耳朵外,外國有案例打印過(生物打印)三維氣道、膀胱、輸尿管、人工髖關節等,並成功放置人體,暫時大部分個案只屬臨牀測試。

個人化治療 提升手術成效
楊博士指,相對更複雜的內臟組織,骨頭相信是最快成功做到生物打印的器官,然而即使能夠成功打印,目前都只屬臨牀測試階段。香港大學剛購入全港首部3D生物打印儀器,希望加強有關方面的研究,及將來的臨牀測試。「以骨頭為例,生物打印技術已經做到,未能廣泛應用的原因是政府有監管,譬如GMP如何設定,暫時未有標準。當然,我們會繼續進行臨牀測試,若個別病人有需要又符合條件,我們會跟醫院有關方面申請,希望病人能夠受惠於這項技術。」

說到底,3D醫學打印技術,對醫患有何好處?簡單一點來說,就是tailor made的個人化治療,能夠減低手術風險,長遠提升療程成效。他舉例說,有病人撞車,有一大段腿骨碎裂,以往做法一是縮骨,但會變長短腳,或取自體骨或屍骨補上,可自體骨不能取太多,屍骨也較易脆,生長速度很慢,若可利用生物打印技術,只需將尺寸合適的人造骨完整打印出來,填上缺骨位置便成,因骨骼支架含生物細胞,癒合時間較快,手術風險亦更低。

完善術前規劃
在醫學用途上,目前3D打印技術最常應用在手術前的規劃,即一般模型打印,常用材料是塑膠,在骨科手術來說也很普遍。譬如有些病人患骨癌,透過取得病人電腦掃描數據,構建患處的三維模型,醫生做手術前,能夠看到實物,知道腫瘤在骨骼哪個位置,進行預習,便可增加手術成效。另一些情況是,有病人因意外導致盆骨碎裂,因3D模型是一比一的,預習手術時,將固定骨骼的鋼板、螺絲「拗定先」,試好位,真正動手術時,便可準備所有工具,精確無誤及更快捷地完成手術。

可應用於複雜心臟手術
骨科以外,3D打印技術在心臟手術來說,起到關鍵的輔助作用。中文大學心臟科最近聯同香港大學機械工程系合作,成功將3D打印技術應用在複雜的左心耳封堵術個案中。心臟結構非常複雜,而左心耳尺寸、形狀,更被指像指紋般,人人不盡相同,因而大大增加手術難度。

中大醫學院心臟科名譽臨牀助理教授張誠謙醫生解釋,左心耳封堵手術通常應用於患有心房顫動病人身上,用以預防中風。「此病長者較常見,房顫即是心房唔係太識郁,血液運行不暢順、會凝固,令左心耳有機會形成血塊,如有血塊走到腦血管,就會中風;去到腳,沒血到就要割;去到腸,便會壞死。傳統方法是食薄血丸,但有流血不止的風險,曾有名七十八歲女病人因服用抗凝血藥後,出現出血性中風,不宜再服藥,需要做左心耳封堵術,因其左心耳呈雙葉狀,增加完全封堵的難度,決定以3D打印製造其左心耳模型,以助手術。」手術透過導管將封堵器帶到左心耳,封了左心耳入口,血塊便流不出去。

假體左心耳 作術前預習
他又指,因左心耳形狀人人不一,有些像西蘭花、有些似龍蝦爪,可現存的封堵器只得幾種尺寸,未必所有病人也適用。如最終封堵器形狀不適合病人,無論是太大、太小,或堵塞的方位不當,都有機會令其鬆掉,或令血塊滲漏,影響手術成效;「若部分病人需要動手術取回不適合的封堵器,因封堵器周邊有些倒鈎,負責穩固左心耳牆壁,收回導管時,有機會刺穿左心耳壁,可導致心包出血,嚴重會死亡,需做開胸手術修補破損位置。」

今次研究,突破點是利用軟矽膠來做3D打印物料,製作像真度極高的左心耳模型,讓醫生能夠在手術前準確地評估封堵器的尺寸,減省手術時間之餘,亦減少手術風險及併發症。中大醫學院心臟科助理教授李沛威醫生表示,「心臟組織柔軟兼具彈性,一般物料如橡膠會太硬,有些塑膠則過軟、易脆,是次用軟矽膠,質感像真的左心耳。」醫生會於手術前收集病人的三維超聲波及電腦掃描的資料,轉化成3D打印數據,製作專屬此病人的左心耳模型,進行術前預習。由去年至今,中大醫學院約有五至六個病人應用3D打印技術於左心耳封堵術上,術前嘗試與真正手術效果相符,未來將進行大型研究,提升準確度。

度身訂造支架 指日可待
事實上,在打印一般3D模型層面,技術已經非常成熟,醫學界進一步希望以3D打印技術,製作可放置人體的醫療儀器,如心臟支架。李醫生解釋,「打個支架出來不難,難處是個支架一定要摺得埋,可放入導管中,導管張開時,支架又懂得回復原本形狀,那是工程學、物料科學的問題,相信五年內應該可以解決。」那麼,個人化支架有什麼好處?「同樣道理,每人的血管形狀不同,現在只是用某幾種尺寸的支架,如支架位置不對,會令血塊再阻塞、血管壁組織增生,或者放得唔好,阻塞其他血管分支,造成心肌梗塞,若屆時可根據病人血管形狀、病變,設計一個個人化支架,以上風險便可大大減少。」

生物打印心臟 路遙遠
如此,電影中複製心臟、腎臟等橋段,距離我們又有多遠?「打印個心臟?一來心臟太多血管,況且現時生物打印儀器很難一次過打咁多東西,就算有十個噴頭,都很難協作,除心要跳,還要細胞、肌肉懂得協作,協作不到就是心律不正,係個病,暫時3D生物打印機製作不到如此複雜的器官結構。」楊博士說。

李醫生亦認同,要打印內臟器官放於人體,並能成功運作,還有太多關卡要跨越,例如跟人體有無排斥、器官能否運作、可以運作多久,中間牽涉很多基因及遺傳學,都需要一一解決。對於未來發展,他比較樂觀,「要打印如心臟般複雜器官,一定要醫學突破,但我相信十至十五年後應該可以做到,因你永遠不知道科學家在做什麼。」

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