罗希特·巴尔加瓦(Rohit Bhargava)的3D打印机即使移动速度很慢，也能让人着迷。随着打印机头尖端的移动，它会挤出一根薄薄的、闪闪发光的看上去像塑料的管子。喷嘴移开，抽出另一根管子。然后他们突然联系起来了;用其他管子连接，形成一个复杂的三维形状:一个微小的、解剖学上精确的心脏复制品。
这些管子不是塑料的;它们是由一种可溶性物质异麦糖制成的。尽管心脏令人印象深刻，但Bhargava的最终目标要微妙得多:癌症可以在人体的导管和血管中扎根。这些细密的金银丝被植入人体细胞，然后被包裹在胶原蛋白的圆柱中，在那里异麦芽糖会溶解。剩下的是由活细胞制成的真实人体解剖模型:这是一个研究疾病的3D平台，就像你身在体内一样。
(3 d打印的心脏支架)
作为伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的创新负责人癌症中心(在一个新窗口中打开)在美国，巴尔加瓦一直致力于为医疗问题注入更先进的工程解决方案。自由形状的3D打印机是这一努力的首批未来成就之一。
但Bhargava的项目只是我们所知的一波有望改变医学和医疗保健的技术之一;让它们更快、更准确，希望还能大幅降低价格。微针贴片、手持诊断机、更好的传感能力，以及3D生物打印，这些只是未来十年内进入你身边的医生办公室——甚至可能进入你的家中的技术中的一小部分。
“医疗保健必须改变一些根本的东西。政策只是其中的一部分。”“看看手机和笔记本电脑吧，它们过去要贵得多，但随着技术的进步，它们已经变得便宜了。如果我们将工程学引入医疗保健领域，将基础知识转化为可用的解决方案，我们就有机会以类似的方式降低成本，提高质量。”
3D打印身体
bhargava的打印机由复杂的数学算法驱动，能够打印直径只有10微米(相当于人类头发的五分之一)的小管，这与标准打印机不同3 d打印机因为它不会一次沉积一层。它挤出的空心纤维可以相互连接，形成高度复杂的框架，细胞可以在上面生长，体液也可以通过。
一个目标解剖结构，比如乳腺导管或淋巴管，可以被复制数十个、数百个甚至数千个，这使得实验的可重复性高且快。通过将肿瘤细胞引入每个样本，研究人员可以专注于个体癌症对各种治疗和身体环境的行为和反应。这种方法将更容易研究和理解健康组织和病变组织之间的差异。
(Rohit Bhargava，伊利诺伊大学工程学院)
这种3d打印技术，加上大功率，machine-learning-driven红外显微镜可以成像个人疾病的独特化学环境(也由Bhargava的研究小组开发)，正在帮助定制临床护理成为现实。
“不仅仅是细胞，还有血液、化学、分子环境、肿瘤——存在于组织中的一切，”Bhargava说。“这最终将使我们能够通过考虑患者的整个组织来真正实现个性化诊断。”
Cyborgian解决方案
在明尼苏达大学(University of Minnesota)，迈克尔·麦卡尔平(Michael McAlpine)也一直专注于3D生物技术，但这是一项有意义的研究。
“你一定要用生物学来取代生物学吗?”通常情况下，你不会，”McAlpine说。“我们用钛替换膝盖软骨，或者用起搏器替换心脏——所以你需要用一个3d打印的肝脏来替换肝脏吗?这个肝脏由与原始肝脏相同的细胞组成。”也许你可以用电子聚合物打印出更好的肝脏。”
他的实验室早期的成功之一是打印仿生耳(在一个新窗口中打开)它是一种粉红色的软骨外壳，内含一圈银纳米颗粒。尽管在当时它被嘲笑为粗糙和简单，耳朵仍然能够探测到超出人类听觉自然范围的无线电频率。它是用一台现成的打印机制作的。
“这是一种带有简单电子元件的电池类型，工程界使用‘直写’和‘增材制造’这样的词，因为他们觉得‘3D打印’不是一个好词，”麦卡尔平说。“但它打破了障碍。3d打印的仿生学现在到处都是。”
McAlpine正在致力于开发3D打印机的杀手级应用程序:一台能够同时处理不同类型材料的机器，能够以快速、无缝的方式将生物材料与电子材料放置在一起。
虽然我们还没有达到可以轻易获得具有超人能力的假耳的地步，但多亏了麦卡尔平在生物打印方面的持续工作，我们离这个目标也不远了。而且他还没有止步于耳朵——他的团队最近制作了一份仿生眼(在一个新窗口中打开)(如图所示)，并致力于生产和再生仿生皮肤脊髓(在一个新窗口中打开)．
“现在没有人想去买3D打印机，因为它们只打印硬塑料小摆设放在你的桌子上，”麦卡尔平说。“扩大3D打印机的能力，在一台打印机中使用软聚合物等材料，并具有完整的电子和生物功能:这是革命性的进步。”
无痛注射
(微针补丁)
在达拉斯的德克萨斯大学，Jeremiah J. Gassensmith的研究集团(在一个新窗口中打开)正在使用3D打印技术改善一种广受诟病的医疗体验:注射。
“皮下注射没有朋友，”罗恩·斯默多笑着说化学家(在一个新窗口中打开)他是加森史密斯的合作者之一。Gassensmith(见下图)和Smaldone与研究生Danielle Berry和Michael Luzuriaga一起开发了3d打印微针贴剂(在一个新窗口中打开)-有点像一块尼龙搭扣，但里面装着药物或疫苗。
被约翰霍普金斯大学认定为15个中之一有前途的技术(在一个新窗口中打开)为了避免或避免未来的疾病大流行，微针贴片恰如其名:一种网格状的微针，无痛地刺穿皮肤上层，输送药物或疫苗有效负载。目前，微针阵列是在昂贵的工厂洁净室通过塑料注射模具或通过光刻在不锈钢模板上生产的。在生物可降解塑料中3D打印这种阵列的能力可以大大降低微针贴片的价格，并使其在任何有电源供应的地方生产成为可能。
加森史密斯的团队使用的是现成的LulzBot打印机和聚乳酸聚合物——一种由乳酸制成的可堆肥的生物相容性塑料——制造出一个小网格状的针头，然后将其浸泡在钾溶液中，将针头的尖端蚀刻成微米级的针头。在猪皮上，84%到92%的针会脱落、溶解并传递测试染料，而传统设计的成功率约为75%。
未来，Gassensmith的团队将探索如何将蛋白质整合到聚合物基质中，使它们能够在高温打印过程中存活下来。这是使廉价、一次性微针贴片成为可行技术需要克服的关键障碍。
Gassensmith说:“微阵列可以让你避免需要训练有素的医疗专业人员来进行注射，因为你不会进入血管，也不会产生有害生物的废物。”“它还使医学民主化。它打破了需要这些高端生产设施来生产疗法的惯例。”
医疗Microswimmers
(马克斯·普朗克智能系统研究所研究科学家Hakan Ceylan)
Hakan Ceylan有一个雄心勃勃的目标:他的目标就是消除对手术的需求。他打算怎么做呢?用细胞大小的游泳机器人，或微游泳者。
“手术是非常有侵略性和创伤性的。很多人死于术后感染。Ceylan(在一个新窗口中打开)他是德国斯图加特马克斯·普朗克智能系统研究所的研究科学家。
微游泳者通过双光子聚合(激光)进行3d打印，它们的双螺旋水凝胶形式注入了磁性纳米颗粒。这些微游泳者是半自主的，因为它们是通过外部磁电流引导通过“身体”(在实验室测试中是水)，但它们也被设计成对在体内遇到的特定环境或化学信号自动做出反应。
Ceylan目前的原型在MMP-2酶的存在下膨胀，MMP-2酶是由乳腺癌细胞产生的。这就释放出机器人负载的磁性纳米颗粒，表面涂有抗体，将它们附着在癌细胞上。在测试中，磁性微游泳器能够标记40%的细胞——比传统的细胞标记技术好4倍。
他们的想法是，如果可以在全身检测并标记出流氓细胞，就可以在细胞水平上对它们进行靶向破坏——这样就不需要外科医生用手术刀或毒性化疗了。
考虑到胶质母细胞瘤，或侵入大脑的复杂分支肿瘤。因为切除它们的手术也必然会切除一部分脑组织，所以患者在手术后很少会恢复原样。存活率很低。
Ceylan说:“如果外科医生可以用微游泳者以一种干净利落的方式切除这些肿瘤，那么你就可以大大减少手术的侵入性。”“不需要打开整个头骨——只需要在一个小的位置注射。”
Ceylan承认，这种微游泳者的首次“实际使用”可能还需要10年或更长时间，因为在控制机器人、成像它们在体内的位置、以及从水凝胶中触发标记物或药物释放的不同方法等方面仍有许多问题需要解决。
更好的传感器无处不在
(Erik Viirre，加州大学圣地亚哥分校神经科学副教授)
在圣地亚哥的办公室里，埃里克·维尔雷(Erik Viirre)正在检查桌子上的几块试金石。仿制品原作的复制品《星际迷航》Tricorder是一种虚构的手持医疗设备，在剧中扮演了重要角色。1701年，正是阿瑟·c·克拉克在一艘沉船上发现了一枚银卢比。Viirre与作者在斯里兰卡家中的快照。
Viirre的白天的工作(在一个新窗口中打开)加州大学圣地亚哥分校的研究人员正在研究大脑，特别是一些人的大脑是如何导致偏头痛、耳鸣、眩晕和其他平衡障碍的。他的研究涉及到使用虚拟现实来帮助治疗这些疾病。
但他也是该大学的工作人员克拉克人类想象中心(在一个新窗口中打开)这给了卢比额外的意义——与这位科幻小说大师的个人联系。这些古董艺术品提醒Viirre，尽管我们在医学和技术上取得了进步，但一些对未来最强大的愿景还没有实现。
“我们有这些灵感，但我们仍然有很多问题，但至少我们现在能够看到问题，”Viirre说。“我们开玩笑说Siri和Alexa会出错，但它们做得相当不错。当然，我们会变得愤世嫉俗，但这是一种享乐性的适应”——换句话说，我们愉快地将科技融入我们的生活，但我们总是希望它更好、更快。
因此，Viirre在引导一些曾经虚构的技术成为现实的过程中扮演了重要的角色:手持传感技术(Viirre是美国科学院的医学和技术顾问Tricorder XPrize(在一个新窗口中打开)竞争)以及人工智能在医学领域的应用聊天机器人和人工智能诊断。但人工智能这头野兽需要数据，而未来的数据来自更好、更智能的传感器。
Viirre参与了一个声学分析项目，目的是筛查并最终诊断结核病以及其他严重的呼吸系统疾病。这个工具吗?在手机中安装更好的麦克风和电子设备，可以收听肺结核感染肺部的特有声音。莫桑比克即将开展的一项试点项目将从结核病诊所收集数据，以改进筛查工具。
Viirre也渴望视频分析的前景，特别是在诊断黑色素瘤方面。使这成为可能的是更大、更好的数据云和更便宜的高光谱传感器，这些传感器能够在红外、紫外线和可见光光谱中拍摄高分辨率图像。2015年入围诺基亚传感XChallenge决赛的英国公司Owlstone最近发布了一份系统(在一个新窗口中打开)用于检测呼吸化学标记物中的挥发性有机化合物，这可以表明各种疾病的存在，从感染到代谢性疾病，甚至癌症。
克拉克在1962年书(在一个新窗口中打开)未来概况探索科学技术的可能性，包括对全球电信的预测。Viirre认为，像Clarke那样不断提出问题和挑战极限，是开启拯救生命的创新的下一个涟漪的关键。
Viirre说:“我们现在能收集到的所有特征都是数据中的细微差别，这将帮助我们寻找疾病，我们很高兴像这样的传感器将使像《星际迷航》中的三录仪这样的东西成为现实。”“从医学院毕业三十年了，今年是我整个医疗生涯中最激动人心的一年。”
本文最初发表于个人数字版策划的，无广告的，可携带的出版物
