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TCT訪談 | 對話上海交大醫學院附屬九院王金武教授

TCT訪談 | 對話上海交大醫學院附屬九院王金武教授

2022/5/5 15:43:59

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醫學3D打印已經在醫療模型、診療器械、康復輔具、假肢、牙齒及人工關節等方面催生出一條產業鏈雛形。有關3D打印產品的審批,國家對該類產品的政策方面的決策,以及產品上升過程中遇到的技術和材料等方面存在重重問題。如何突破這些瓶頸并掌握整個市場的方向與核心技術成為了企業長久立足的關鍵,也是臨床醫生與科研人員普遍關心的問題。

TCT亞洲視角團隊在疫情期間通過線上訪談的形式與上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院的王金武教授對這一系列問題進行了交流。

以下內容整理自采訪記錄

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王金武 教授

為量產而生的云平臺

戴尅戎院士和王金武教授的數字醫學團隊長期致力于醫學3D打印研究,圍繞骨關節的臨床需求,主要包括3D打印術前模型、手術導板、骨科植入物以及生物3D打印。

針對當前骨關節領域朝著微創化、個性化、精準化的發展趨勢,王教授團隊還致力于3D打印醫療器械的標準制定、注冊與監管,使其進入審批水平行列,滿足臨床需求。目前已經完成制定的金屬3D打印標準、生物3D打印標準和康復輔具3D打印標準,都已經作為團體標準發布。

“在制定標準的基礎上,團隊也獲得了國內第一個3D打印醫療器械注冊證,也是在注冊人制度下第一個高校全資子公司獲得的醫療器械注冊證?!蓖踅鹞浣淌诮榻B說,“在上海交通大學的支持下,我們建立了醫療器械試制基地,成立了上海交通大學醫療器械注冊創新服務中心,主要承擔醫療器械的檢測、注冊服務、監管科學研究等方面的工作?!?/p>

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戴尅戎院士與王金武教授合影

與批量生產的人工關節以及傳統醫療器械相比,3D打印醫療器械在生產個性化骨關節產品時,臨床應用中的成本相對較高,企業盈利空間不大。為此,在科技部重點專項的支持下,上海交通大學建立了醫療器械智能制造云平臺。王教授通過一個簡單的例子向我們說明了建立平臺的意義:企業打印一顆1萬元的牙齒可能未必賺錢,但是如果通過3D打印一下子打印200顆個性化的牙齒,情況就不一樣了。

在醫療器械云平臺設立之初,建立個性化病人的疾病庫與醫工交叉的醫療器械模板庫,當醫工交叉的模板庫足夠大以后,3D打印醫療器械就從原來的“3D打印+互聯網+物聯網”模式升級為“3D打印+互聯網+物聯網+人工智能”的模式。在人工智能基礎上可以既快又準地篩選出與個性化病人需求接近的醫工交叉模板,此后只需進行一些簡單的規劃和設計。這樣的智能制造的云平臺可以大大節省時間,降低企業成本,也方便將來個性化醫療器械注冊認證與臨床應用轉化。

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轉化醫學國家重大科技基礎設施(上海)

“生物3D打印在創造具有生理結構功能并能自我修復的組織器官方面,已經成為了一個極富有臨床轉化前景的技術?!?王金武教授說到,“得益于生物3D打印,目前我們可以通過3D打印的類器官進行高通量的藥物篩選。例如將腫瘤患者腫瘤細胞打印成多個同樣的腫瘤小單元,從而篩選出治療該腫瘤患者最有效的個性化藥物?!痹诳萍疾恐攸c研發計劃支持下,王金武教授團隊還利用生物3D打印與機器人的技術結合研發了生物3D打印機器人,為將來生物3D打印進入臨床骨關節軟骨修復微創治療領域做好了試驗研究方面的準備。

研究成果的臨床應用

王教授團隊在醫學領域的應用主要有術前模型與導板、3D打印內植物與康復輔具。王金武教授著重給我們介紹了康復輔具中矯形器的應用,概括來說便是“一老一小”。

“一老”指的是大部分人60歲以后,膝關節會出現內翻或者外翻。膝關節痛的兩個主要因素是力學因素和炎癥因素,其中對于力學因素,我們可以通過矯形器來治療。個性化的3D打印的矯形器輕便、安全、有效,適合每一個需要治療的病人。對于一些早期和中期的膝關節痛病人,可以大大減緩關節置換的時間,甚至不用換關節。團隊研發的3D打印膝關節矯形器不僅獲得了醫療器械注冊證,在上海以及其他省市的一些醫院也已經在臨床推廣應用了。

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團隊研發的康復輔具

“一小”指的是兒童發育過程中產生的骨骼畸形也可以通過3D打印矯形器來治療。矯形器的應用主要有兩個典型的例子,都是目前王金武教授團隊正在研究的方向。一類是脊椎側彎矯形,兒童脊柱側彎在2020年的兩會上被指出已成為繼肥胖癥、近視之后,我國兒童青少年健康面臨的第三大“殺手”,建議盡快開展兒童青少年脊柱側彎防控工作。

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脊柱側彎示意圖

脊柱側彎的發病率在文獻中的數據是3%-5%,近幾年不少學者通過大樣本兒童的調研篩查發現,實際上的發病率超過了10%。在兒童發育過程中通過使用3D打印矯形器是可以矯正的,但如果沒有及時治療,側彎至大約40°以后便需要進行手術。手術費用昂貴且對兒童青少年創傷很大,術后并發癥有可能造成截癱,對社會和家庭的影響都非常大。

還有兒童是牙齒畸形的問題,如不齊、反合、擁擠或者不正等,發病率在80%以上。這種情況也可以通過3D打印的隱形矯正器進行治療。以上,得益于團隊研發的3D打印醫療器智能制造云平臺,可以快速方便地為兒童和老年人制作3D打印矯形器。

戴尅戎院士、王金武教授牽頭的科技部重點研發項目團隊通過生物3D打印技術進行的藥物篩選也實現了臨床轉化,除了腫瘤及其他藥物的個性化篩選,還可以通過生物3D打印來明確一些藥物是否具有肝毒性、腎毒性。

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《Nature》報道了上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院戴尅戎院士王金武教授團隊的生物3D打印項目

技術的研發與實現最終的臨床轉化應用都離不開數字化的設計、個性化的3D制造與人工智能及智能制造的云平臺。上海交通大學目前已經完成了疾病庫和專家模板庫的初步搭建,將由專門的人工智能和軟件的工程師、醫生以及相關的研究人員來共同維護。

技術難題與未來

生物3D打印是3D打印領域皇冠上的明珠,它所使用的3D打印材料我們稱之為生物墨水。生物墨水包含了細胞、因子,以及一些生物材料構成的機制。在細胞藥物領域,目前我們國家還沒有細胞藥物獲得審批,即使是干細胞,也大多處于臨床實驗階段。因此,只有首先實現細胞藥物獲批,生物3D打印才有可能在注冊證方面實現零的突破。同時,生物墨水的保存、質控、防止污染、監管等都面臨著安全性、有效性的瓶頸,都是目前在臨床轉化方面的難題。

王教授補充說:“當然,我們國家四川大學的張興棟院士提出了以具有一定結構的動物源I型膠原或生物活性材料為主要成分,不外加生長因子和藥物,誘導干細胞成軟骨細胞系分化,最終實現關節軟骨的再生,適用于治療因創傷、退變導致的局灶性關節軟骨缺損的再生修復。如果我們通過生物3D打印的方式,將其用作生物材料來打印,未來就可以將其作為生物3D打印的產品進行臨床轉化。關于這一研究方向,我們團隊也正在協助有關科技部項目的參與單位來共同推進臨床轉化工作,目前已經完成了相關的動物試驗,也正在九院進行臨床GCP之前的相關準備工作,預計很快就可以進入臨床試驗階段?!?/p>

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相關論文以題為Bioprinted Constructs that Mimic the Ossification Center Microenvironment for Targeted Innervation in Bone Regeneration

發表在《Advanced Functional Materials》上。王金武教授為通訊作者之一。

歐美和日本已經有不少干細胞的藥已經進入臨床,王教授認為中國在這方面也會很快實現從零到一的突破。特別是在數字化醫療領域,我國由原來的跟跑歐美到與之并跑,當前在某些領域我們已經實現超跑了。

3D打印醫療器械的市場潛力巨大

隨著近幾年5G、人工智能、元宇宙等數字化技術的不斷發展,整個醫療領域也在朝著信息化、智能化、數字化的方向發展。尤其是醫療器械正朝著個性化、微創化發展,特別是隨著可吸收生物材料的突破性研究進展,由無活性的內植物向有生物活性的個性化內植物發展將會是未來的一大發展趨勢。

王教授認為數字醫療技術、3D打印的醫療器械以及生物3D打印都將是未來在臨床轉化方面的一個方向,未來市場發展的速率也將是一個加速的過程。隨著技術的發展與老齡化程度的加深,人們對個性化醫療的應用會越來越廣泛。尤其是生物3D打印機器人,3D打印類器官藥物的高通量篩選,3D打印個性化醫療器械智能制造云平臺的發展,都有助于實現醫療的個性化、微創化、智能化,更好地造福傷殘、造福社會。

 

審核編輯(
李娜
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