在迈阿密大学新开放的3D生物打印实验室里，医学的未来看起来非常像科幻小说。想想那些可以修复人体的微型机器人设备，专为猎杀癌细胞而设计的分子，以及能够在不到10分钟内创建人工耳的打印机。
"你可能认为这是科幻小说，但事实并非如此，"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·道纳特表示，"这是现实。"
这座耗资500万美元的设施位于迈阿密健康区的米勒医学院内，研究人员正在使用活细胞、蛋白质和生物材料创建3D打印组织、骨骼和其他生物结构。该实验室是南佛罗里达州唯一一家此类实验室，旨在推进再生医学、药物开发和个性化治疗的研究。
院系成员希望这项技术能够促进广泛的临床和研究应用，包括用于伤口愈合的工程皮肤和软骨、骨骼再生支架、患者特定的手术模型以及设计用于通过皮肤递送药物的微针。
实验室的一个项目重点是帮助那些因创伤性损伤而失去大段骨骼的患者。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代缺失的骨骼。
治疗大骨骼缺损可能需要多次手术，即使这样，骨骼也不总是能正常愈合。
"这真的很痛苦，而且不是一次性的手术，"领导米勒医学院3D生物打印设施研究计划的保罗·G·科埃略博士说，"所以这个项目应运而生。对这样的技术有着巨大的需求。"
研究人员开发了一种由与天然骨骼相同矿物质组成的3D打印支架，具有开放结构，允许细胞和血管生长进入其中。该支架通过用于稳定骨折的特殊3D打印杆插入，然后可以植入患者体内。随着材料与身体整合，新骨骼在支架周围形成，帮助修复那些原本难以治疗的严重损伤。
该技术已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，但该设施主任瓦苏德夫·维韦卡南德·纳亚克表示，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，如将药物直接递送到病变细胞或监测患者健康状况。
"这里在微米和纳米尺度上所做的事情，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年后的医学发展方向更为重要，"纳亚克说。
在实验室内部，科学家们正在开发纳米级技术，包括可实时追踪患者健康状况并将数据直接传送给医生的植入式传感器，以及旨在帮助修复受损组织的靶向药物递送系统。
"我们确实拥有可以用于体内修复的纳米机器人，"道纳特说，"它们拥有充当GPS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。"
该设施也是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不可或缺的一部分。"
虽然实验室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精确解剖结构，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指南，帮助医生在手术中进行精确切割，减少手术室中的时间并提高准确性。
打印的指南充当模板，外科医生可以在手术过程中直接将其放置在患者身上，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——由实验室研究人员设计的机器——将用于打印用于硬组织再生的特殊材料，也可能有助于创建包括分层皮肤在内的复杂生物组织。
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