研究人员使用3D打印和可注射凝胶来制造生物工程耳朵

　　

　　

　　威尔康奈尔医学院的内科医生和康奈尔大学的生物医学工程师已经成功地制造出了一个活体人耳的复制品，它的外观和行为都像一只天然的耳朵。研究人员相信，他们的生物工程方法最终将在科学家和医生的长期追求中取得成功，为数千名先天性耳朵畸形的儿童提供看起来正常的“新”耳朵。

　　在他们的研究中，研究人员展示了如何使用3D打印和由活细胞制成的新型可注射凝胶来制作与人耳相同的耳朵。在为期三个月的研究期间，这些灵活的耳朵稳定地生长出软骨，取代了用来帮助塑造它们的胶原蛋白。

　　“我相信这将是重建外科医生长期以来一直希望帮助先天性缺耳或严重畸形儿童的新颖解决方案。”该研究的主要作者之一、生物再生医学和外科实验室(LBMS)主任、威尔康奈尔医学院外科整形外科副教授、康奈尔大学生物医学工程系兼职副教授杰森·斯佩克特博士说。“像这样的生物工程耳替代品也可以帮助那些在事故或癌症中失去部分或全部外耳的人。”

　　目前，替代耳是用类似泡沫塑料的材料建造的，有时外科医生会用从年轻病人身上取下的肋骨来建造耳朵。斯佩克特医生同时也是纽约长老会医院/威尔康奈尔医学中心的整形和重建外科医生，他说:“这种手术选择对儿童来说非常具有挑战性和痛苦，而且耳朵很少看起来完全自然或表现良好。”“从长远来看，所有其他在实验室里‘培养’耳朵的尝试都失败了——包括1997年一项通过在老鼠背上植入耳朵的照片而被广泛宣传的研究。”

　　研究人员称，这只康奈尔大学的生物工程耳朵在外观和功能上都是迄今为止最好的。此外，制作耳朵的过程很快——最多需要一周时间。

　　“这对医学和基础科学来说是一个双赢的结果，证明了我们共同努力可以取得什么成就，”该研究的另一位主要作者、康奈尔大学生物医学工程系副教授兼副主任劳伦斯·j·博纳萨尔博士说。

　　一周内扫描、打印和成型一只人耳

　　斯佩克特博士和伯纳萨尔博士都想要治疗的畸形是小耳畸形，这是一种外耳发育不完全的先天性畸形。虽然导致这种疾病的原因尚不完全清楚，但研究发现，如果母亲在怀孕期间服用了痤疮药物，孩子就会出现小个子症。通常情况下，只有一只耳朵受到影响。

　　每年每1万名新生儿中，小畸形的发病率从几乎1例到4例以上不等。许多出生时患有小耳畸形的儿童内耳完好，但由于外耳结构缺失，听力丧失，外耳结构起着捕捉和传导声音的作用。

　　自2007年以来，Spector博士和Bonassar博士一直在生物工程人体替代部件上合作，Bonassar博士也一直与其他Weill Cornell医生合作。例如，他和威尔·康奈尔大学的神经外科医生罗杰·h·rtl博士目前正在测试生物工程椎间盘置换术，使用的技术与本研究中展示的技术相同。

　　研究人员专门致力于开发主要由软骨构成的人体结构的替代品——关节、气管、脊柱、鼻子——因为软骨不需要血管化和血液供应来维持生存。

　　为了制作耳朵，伯纳萨尔博士和他的同事们首先对一对双胞胎女孩的耳朵进行了激光扫描和全景照片，这些照片在电脑屏幕上提供了她们耳朵的数字化3D图像。这一过程耗时30秒，而且不涉及任何电离辐射。然后，研究人员将该图像转换为数字化的“实体”耳朵，并使用3D打印机组装耳朵的模具。研究人员说，这种霉菌就像一个盒子，中间有一个洞，形状就像耳朵的镜像。

　　他们将动物来源的胶原蛋白注射到耳模中，然后添加了近2.5亿个软骨细胞。胶原蛋白作为软骨生长的支架。胶原蛋白是哺乳动物体内的主要结构蛋白。动物胶原蛋白经常用于美容和整形手术。康奈尔大学研究人员开发的这种高密度胶原蛋白凝胶，在去除霉菌后，其稠度类似于柔性果冻。

　　“这个过程很快，”博纳萨尔博士说。“设计模具需要半天时间，打印需要一天左右，注射凝胶需要30分钟，15分钟后我们可以取出耳朵。我们修剪耳朵，然后让它在滋养细胞培养基中培养几天，然后再植入。”

　　在三个月的观察期间，耳朵内的软骨生长并取代胶原支架。“最终，生物工程耳朵只包含耳廓软骨，就像一个真正的耳朵一样，”斯佩克特博士说。

　　以前的生物工程耳朵不能随着时间的推移保持它们的形状或尺寸，而且耳朵里的细胞也不能存活。

　　研究人员现在正在实验室寻找扩大人耳软骨细胞数量的方法，以便这些细胞可以用于模具。

　　斯佩克特博士说，在儿童身上植入生物工程耳的最佳时机是在他们大约5岁或6岁的时候，因为在这个年龄，耳朵的大小是成人的80%。斯佩克特博士说:“我们还不知道生物工程耳朵是否会继续长到完全大小，但我怀疑它们会的。”“植入新耳朵的手术很简单——畸形的耳朵会被移除，生物工程耳朵会被植入该部位的皮瓣下。”

　　斯佩克特博士说，如果未来所有的安全性和有效性测试都能成功，那么在短短三年内就有可能尝试首次将康奈尔大学的生物工程耳朵植入人体。

　　“这项研究的创新有两个方面，”博纳萨尔博士说。“利用成像技术快速准确地做出耳植入物的形状是新的，高密度胶原蛋白凝胶用于模具也是新的。”

　　“这些生物工程耳朵非常有前途，因为它们精确地反映了人耳的天然结构，”斯佩克特博士说。“他们应该为儿童和其他需要帮助的人恢复听力和正常的外表。这一进展代表了医生和基础科学家之间令人兴奋的合作。这表明我们希望共同努力，改善这些耳朵畸形、缺耳等患者的生活。”