迈阿密——在迈阿密大学新开放的3D生物打印实验室中，医学的未来看起来很像科幻小说。想象一下能够修复人体的微型机器人设备，专门设计用来猎杀癌细胞的分子，以及能在不到10分钟内创造出假耳的打印机。
"你可能认为这是科幻小说，但实际上不是，"迈阿密大学米勒医学院生物化学和分子生物学系主任西尔维娅·道纳特(Sylvia Daunert)说，"这是一个现实。"
这座位于迈阿密健康区米勒医学院的500万美元设施，研究人员正在利用活细胞、蛋白质和生物材料创建3D打印的组织、骨骼和其他生物结构。该实验室是南佛罗里达州唯一同类机构，旨在推进再生医学、药物开发和个性化治疗的研究。
教职员工希望这项技术能够促进广泛临床和研究应用，包括用于伤口愈合的工程皮肤和软骨、骨再生支架、患者特异性手术模型以及设计用于通过皮肤递送药物的微针。
实验室的一个项目专注于帮助因创伤性损伤而失去大量骨骼的患者。在国家卫生研究院和美国国防部的资助下，研究人员开发了一种3D打印材料，旨在为受伤的军人和其他创伤患者替换缺失的骨骼。
治疗大型骨缺损可能需要多次手术，即使如此，骨骼也不总是能正常愈合。
"这非常痛苦，而且不是一步手术就能完成的，"领导米勒医学院3D生物打印设施研究计划的保罗·G·科埃略(Paulo G. Coelho)博士说，"所以这个项目就派上用场了。这种需求非常巨大。"
研究人员开发的3D打印支架采用与天然骨骼相同的矿物质成分，具有开放结构，允许细胞和血管生长其中。该支架通过专门设计的3D打印杆插入，用于稳定骨折，然后可以植入患者体内。随着材料与身体融合，新骨在支架周围形成，帮助修复原本难以治疗的严重损伤。
该技术已经在动物研究中显示出成功，研究人员表示他们正准备开始人体临床试验。
尽管实验室正在创建骨骼植入物等大型结构，但该设施的主任瓦苏德夫·维韦卡南德·纳亚克(Vasudev Vivekanand Nayak)表示，最重要的突破发生在肉眼几乎看不见的微小尺度上。其中包括纳米机器人——设计用于在体内执行任务的微型机器，如直接向病变细胞递送药物或监测患者健康状况。
"这里在微米和纳米尺度上所做的工作，比如用于药物递送的微针、纳米机器人的组件和其他微机电系统，可能对30年后的医学发展更为重要，"纳亚克说。
在实验室内部，科学家们正在开发纳米级技术，包括可植入传感器，这些传感器实时跟踪患者健康状况并将数据直接传送给医生，以及旨在帮助修复受损组织的靶向药物递送系统。
"我们确实有可以在体内进行修复的纳米机器人，"道纳特说，"它们有像GPS一样作用的分子，可以找到癌细胞，或者找到需要修复的器官并到达那里，部署药物并进行修复。"
该设施还作为未来科学家和工程师的培训基地。
每周，有十多名学生在实验室工作，学习如何操作打印机、编写代码并参与研究项目。其中一台机器专门用于学生培训，让他们亲身体验这项技术。
"对我们来说，培训下一代科学家、工程师和医学科学家非常重要，"道纳特说，"他们完全是我们工作和研究的组成部分。"
尽管实验室正在开发的许多技术距离应用于患者还有数年时间，但研究人员表示该设施已经在手术室中产生了影响。
利用CT或MRI扫描和计算机辅助设计，实验室可以进行虚拟手术规划。虚拟环境用于映射患者的确切解剖结构并制造骨骼和器官的精确3D复制品，使外科医生能够在进入手术室前规划复杂的手术程序。研究人员还可以打印定制的手术导板，帮助医生在手术中进行精确切割，减少手术室停留时间并提高准确性。
打印的导板作为模板，外科医生可以在手术过程中直接放置在患者身上，消除了手动测量和标记手术标志的需要。
展望未来，实验室正准备添加两台定制的robocasters——由该设施研究人员设计的机器——将用于打印硬组织再生的特殊材料，还可能帮助创建包括分层皮肤在内的复杂生物组织。
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