生物3D打印的医学应用

生物3D打印的医学应用刘腾飞（河南城建学院，河南，平顶山）摘要：3D打印正在引发全球制造业革命性变革，它与生物技术结合，可以进行仿生与个性化地制造。特别是制造有生命的人体组织与器官，成为支撑第三次工业革命生物材料科学与产业颠覆性变革的关键技术。本文主要综述了生物3D打印技术的概念及在生物医学方面的应用。关键词：生物3D打印；生物医学；医学应用Abstract：3Dprintingiscausingaglobalmanufacturingrevolution.Combinedwithbiologicaltechnology,3Dprintingcanmakethebionicandpersonalizedmanufacturing.Especiallythemanufacturingofhumantissueandorgansoflife,becomeakeytechnologytosupportthethirdtimesindustrialrevolutionbiologicalmaterialsscienceandindustrialdisruption.Thispapermainlyreviewstheconceptofbio3Dprintingtechnologyanditsapplicationinbiomedicine.Keyword:Biological3Dprinting;BiomedicalScience;Medicalapplications前言：生物三维打印也即是生物3D打印，是制造科学与生物医学交叉融合的新兴学科，它是目前3D打印技术研究的最前沿领域，也是3D打印技术中最具活力和发展前景的方向。1.生物3D打印的定义生物3D打印（3D-Bioprinting）是以计算机三维模型为基础，通过软件分层离散和数控成型的方法，定位装配生物材料或活细胞，制造人工植入支架、组织器官和医疗辅具等生物医学产品的3D打印技术。2.生物3D打印的层次及核心技术生物3D打印可分为4个层次：体外模型制造、永久性可植入物制造、细胞间接装配制造和细胞直接装配制造。与机械制造业的产品类似，生物3D打印4个层次的产品均由零件装配而成。但是，与普通机械产品不同的是，生物3D打印的产品除第一层次体外模型之外，其他均涉及组成生物体的各种组织和器官乃至整个生物体，虽然也可以视为由“零件”装配而成。但这些“零件”是具有活性的，它们不仅具有复杂的结构和组成，而且具有特定的生理功能。因此，对于生物3D打印技术，除了保证制品的机械特性之外，更强调制品的生物相容性和生物活性，以确保临床应用的有效性和安全性。生物3D打印核心技术是细胞装配技术即细胞3D打印技术，它是在组织器官三维模型指导下，由3D打印机接受控制指令，定位装配活细胞/材料单元，制造组织或器官前体的新技术。细胞装配有多种方法，根据其技术路线的不同，可将其分为两类：细胞直接装配和细胞间接装配，两条技术路线的主要区别在于，前者通过机械制造手段直接操作细胞，而后者通过所制造的支架的材料和结构，影响细胞长入，间接控制细胞的装配。3.生物3D打印技术的医学应用由于每个人的身体构造和病理状况均存在特殊性和差异化，而生物3D打印技术所具有的快速性、准确性及擅长制作复杂形状实体的特性使它在生物医学领域有着广泛的应用前景，加之医学领域较少考虑性价比，甚至可以不计成本采用最新技术，这为3D打印技术的产业推广应用提供了发展空间，目前3D打印技术应用到生物医学领域的范围已经超出了我们的想象，引起了广泛关注。3.1为再生医学、组织工程、干细胞和癌症等生命科学和基础医学研究领域提供新的研究工具美国德雷塞尔大学的生物制造研究实验室最近采用3D打印来创建肿瘤组织的模型。这比传统的2D组织培养更接近真实的肿瘤。这种研究方式可以帮助人们更好地理解肿瘤如何生长，最重要的是，它们如何死亡，这为研究癌症提供了新的研究工具。人类胚胎干细胞在再生医学领域受到了非常多的关注，这些由早期胚胎发展而来的干细胞拥有着分化成人体各种细胞的能力，如何无损并可控地让胚胎干细胞形成人们所需的三维结构，一直是业界难题。从更长远的角度看，这种新的打印技术可以为人类胚胎干细胞制作人造器官铺平道路。3.2为构建和修复组织器官提供新的临床医学技术，推动外科修复整形、再生医学和移植医学的发展现在平均每150名等待器官移植的患者，只有1人能等到可供移植的供体。有了3D打印的器官，不但解决了供体不足的问题，而且避免了异体器官的排异问题，未来人们想要更换病变的器官将成为一种常规治疗方法。美国维克森林大学再生医学研究所发布了最新科研成果，可以由一台3D生物打印机放置多种类型的肾脏细胞（由活体组织提取出的细胞培育而成）。肾脏移植一直资源异常紧缺，虽然目前通过生物打印方法制造的肾脏仍然无法发挥作用，但它们无疑将带来巨大的希望——未来使用病人自己的细胞培育出能与身体完美匹配的器官。英国牛津大学研究出最新3D打印技术，将水和液体分子连接在一起形成了具有人体细胞功能的“液滴”（仿生组织），这些打印出的“功能液滴”可用于替换受损的人体组织，或作为新方法为人体投递新药，相关研究发表在《科学》（《Science》）期刊上。牛津大学化学系教授HaganBayley说：“打印出来的液滴网络可以设计成不同外型，例如：扁平体可折叠成类似花瓣的形状，并形成中空结构，这是打印机无法实现的，折叠之后的结构可模拟肌肉运动，在液滴之间产生水传输。我们可以建立具有伸缩性的新型软质材料，进一步实现人体活细胞和组织的打印。”2014年4月9日美联社报道，美国路易斯维尔大学的科学家已经用3D打印的方式打印出人类心脏瓣膜以及小血管。实验证明，这些小血管在老鼠等小动物身上可以正常工作。研究团队计划在3-5年内打印出心脏的各个部件，然后用手工把它们组合在一起。这一项目最终目标是用人体的自身细胞打印出一个完整的、能用于移植的心脏，它不会产生排异现象。如果一切能按计划进行，这种生物打印心脏有望在10年内进入人体试验阶段。打印用的细胞取自病人的脂肪，这些细胞需要经过仪器净化，再与凝胶混合后放入打印机的“墨盒”中，按事先设定的形状打印。最终，这些细胞会长在一起形成组织。3.3开发全新的高成功率药物筛选技术和药物控释技术在全球，每年具有超过1000亿美元的药物开发领域，利用生物打印出药物筛选和控释支架，可为新药研发提供新的工具。美国麻省理工学院（MIT）对利用三维印刷（3DP）工艺制备药物控释支架进行了研究，用聚甲基丙烯酸甲（PMMA）材料制备了支架结构，对其生物相容性、降解性和药物控释性能进行了测试。这种支架同样有可能应用于生物因子的控释，在组织器官制造过程中，生物因子根据设计要求的可控缓释对于组织器官的生长起着重要的调控作用。2013年5月出版的《新英格兰医学杂志》发表公开信，科学家成功将3D打印出的气管支架植入婴儿体内。他们用计算机设计了一个患儿气管支架的模型，并使用热塑性的生物可吸收材料，通过激光烧结技术制造了一个气管支架。在移植手术中，依靠支架上的孔洞与气管进行固定。一年以后，通过内窥镜造影手术观察患儿的左主支气管，发现一切正常，该技术为解决此类的问题提供了借鉴和解决方案。3.4制造“细胞芯片”，在设计好的芯片上打印细胞，为功能性生物研发做铺垫目前，组织工程面临的挑战之一就是如何将细胞组装成具有血管化的组织或器官，而使用生物3D打印技术制造“细胞芯片”，使人们看到了解决该难题的可喜前景。通过使细胞在芯片上生长，为“人工眼睛”、“人工耳朵”和“大脑移植芯片”等功能性生物研发做铺垫。2013年12月19日，据新加坡《联合早报》报道，英国剑桥大学的研究人员从老鼠视网膜中取出两种细胞，然后让细胞通过打印机喷头，看看打印出的细胞是否还存活。据称，该研究小组使用一种压电喷墨打印头，让成年老鼠的神经胶质细胞（gliacell)和视网膜神经节细胞（retinalganglioncells）通过一个不到1毫米的喷嘴“打印”出来。虽然经过高速喷射被弹出，但“打印”出来的细胞都很健康，并能在培养器中生长。研究小组说，这是首次利用3D打印技术成功打印中枢神经系统的成熟细胞，希望未来能打印出视网膜组织，帮助患有退化性眼疾的病人。3.5定制化、个性化假肢和假体的3D打印为广大患者带来福音根据每个人个体的不同，针对性地打造植入物，以追求患者最高的治疗效果。在美国，骨植入修复材料市场每年超过200亿美元。我国肢体残疾人有8000多万，至少有70万人需要安装假肢。假肢接受腔、假肢结构和假肢外形的设计和制造精度直接影响着患者的舒适度和功能。2013年3月，据国外媒体报道，美国的一名患者成功接受一例具有开创性的手术，用3D打印头骨替代75%的自身头骨。3D打印头骨的制造者、康涅狄格州牛津性能材料公司的研究人员表示，他们希望利用3D打印植入物替换患者其他部位的缺失或者受损骨骼。据悉，他们使用的打印材料是聚醚酮，为患者定制的植入物两周内便可完成。目前国内3D打印骨骼技术也已取得初步成就，在脊柱及关节外科领域研发出几十个3D打印脊柱外科植入物，其中颈椎椎间融合器、颈椎人工椎体及人工髋关节三个产品，已经进入临床观察阶段。实验结果非常乐观，骨长入情况非常好，在很短的时间内，就可以看到骨细胞已经长进到打印骨骼的孔隙里面，2013年被正式批准进入临床观察阶段。3.6手术器械3D打印技术的开发提供更直观的新型医疗模式个性化的医疗发展必然促使传统的医疗设备随之改变以适应新型的医疗模式，数字化技术可以为新型的手术器械设计提供技术支持，而3D打印技术则把虚拟的设计更直接、更快速地转化为现实。在一些复杂的手术（例如移植手术）中，医生需要对手术过程进行模拟。以前，这种模拟主要基于图像———用CT或者PET检查获取病人的图像，利用3D打印技术，就可以直接做出跟病人数据一模一样的结构，这对手术的影响将是巨大的。4.生物3D打印应用前景生物3D打印技术正处于蓬勃兴起的阶段，3D打印技术在生物医学工程中得到了广泛应用，其应用现状表明：3D打印在体外器官模型、组织工程与再生医学等方面展现出广阔的应用前景。抓住生物材料及植入器官的3D打印技术发展浪潮，发展我国生物3D打印技术，对我国生物材料医疗器械产业的进步具有十分重要意义。参考文献[1]第三次工业革命[J].经济学人(英),2012-04-21[2]徐铭恩.生物3D打印——打印生命的希望[J].杭州科技，2103(18):20-23[3]RomanoPE.3dprintinglivestemcells;hobbitin3D;superretinadisplya;yourmicrobiome;hospitalstakeover;incometaxes;bicyclists;deerdangers[J].BinoculVisStrabologQSimmsRomano.2013,28(1):52-64.[4]美国路易斯维尔大学科学家用3D打印心脏瓣膜.雅虎新闻网，2014-04-05.[5]科学家利用3D打印技术“打印”出眼睛细胞.中国新闻网，2013-12-19.[6]医疗业即将引入3D打印技术[N]北京青年报，2013-06-27.[7]BottlesK.Isdigitalmedicinecomingsoon?[J].PhysicianExec.2013,39(4):22-24,26-27.