3D打印在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的征程

早期3D打印技術(shù)是一種快速原型技術(shù)，時(shí)至今日除塑料原型外，復(fù)雜發(fā)動(dòng)機(jī)部件、房屋、食物甚至人體器官都可實(shí)現(xiàn)3D打印。醫(yī)療領(lǐng)域是3D打印的主要市場(chǎng)之一,廣泛應(yīng)用于定制假牙、助聽器外殼、手術(shù)和醫(yī)療模型、矯形和修復(fù)部件以及人造髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)植入物等方面。

3D打印醫(yī)學(xué)模具和結(jié)構(gòu)

制作“模具”或身體部位模型是3D打印技術(shù)的一個(gè)獨(dú)特用途。有了身體部位模型，醫(yī)生在準(zhǔn)備、規(guī)劃或優(yōu)化復(fù)雜的醫(yī)療操作或程序時(shí)可直觀地觀察到患者的身體器官。

更進(jìn)一步技術(shù)發(fā)展是3D生物打印技術(shù)，是將活細(xì)胞層沉積到凝膠介質(zhì)上以生產(chǎn)3D生物功能結(jié)構(gòu)，其最終目標(biāo)是將3D打印技術(shù)應(yīng)用到組織工程（TE）方面以制造出器官和身體結(jié)構(gòu)。

3D打印的數(shù)據(jù)處理流程

在獲取到內(nèi)臟的醫(yī)學(xué)成像數(shù)據(jù)后，要進(jìn)一步根據(jù)數(shù)據(jù)建立細(xì)分的數(shù)據(jù)體系，然后把醫(yī)學(xué)數(shù)字圖片和通信（DICOM,DigitalImagingandCommunicationinMedicine）文件轉(zhuǎn)換成用于3D打印的立體成像或標(biāo)準(zhǔn)鑲嵌語言格式（STL,StereolithographyorStandardTessellationLanguage）或者是其他文件格式。最后計(jì)算機(jī)輔助打印。圖片來源：YooSJ,ThabitO,KimEK,etal.3Dprintinginmedicineofcongenitalheartdiseases[J].3DPrintinginMedicine,2015,2(1):3.

隨著成像技術(shù)如多排螺旋CT（MD-CT）和磁共振成像（MRI）的發(fā)展，放射診斷的放射性已經(jīng)變得越來越小，同時(shí)能夠得到更大的信息量，其可在短時(shí)間內(nèi)獲取高分辨率的3D圖像數(shù)據(jù)。圖像處理在以高保真度呈現(xiàn)人體器官和結(jié)構(gòu)方面扮演著越來越重要的角色，尤其是在3D打印中，更是起著基礎(chǔ)作用。

3D打印模擬組織的醫(yī)學(xué)模具

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、醫(yī)學(xué)成像和3D打印技術(shù)方面的最新進(jìn)展已經(jīng)提供了一種快速且成本效益不錯(cuò)的方法，該方法根據(jù)個(gè)人的CT或MRI結(jié)果重建計(jì)算模型從而生成患者特定模擬組織的醫(yī)學(xué)模型。

Biglino等利用Stratasys公司（位于美國(guó)明尼蘇達(dá)州EdenPrairie市）的PolyJetTM技術(shù)制造柔性動(dòng)脈模型。這是一種增材制造技術(shù)，PolyJetTM技術(shù)先使用孔口噴射逐層沉積的液體光敏聚合物，然后通過紫外線（UV）照射使其固化。在這項(xiàng)研究中使用了一種名為TangoPlus的類似橡膠的材料，因?yàn)樗臋C(jī)械性能接近于真實(shí)的組織。

這樣的模型能夠給醫(yī)生以觸覺反饋，可以直接在模具上操作并且能夠幫助醫(yī)生對(duì)患者的結(jié)構(gòu)和潛在病理有一個(gè)全面的了解。在很多情況下，可以幫助和加快手術(shù)進(jìn)程，縮短醫(yī)療程序的周期。

外科手術(shù)或訓(xùn)練模型

a:顯示心臟安裝在一個(gè)圖形設(shè)計(jì)的平臺(tái)上。

b:外科訓(xùn)練的四個(gè)范例模型。

c:3D打印模型，左心發(fā)育不全，外科醫(yī)生在此基礎(chǔ)上進(jìn)行諾伍德手術(shù)。

圖片來源：YooSJ,ThabitO,KimEK,etal.3Dprintinginmedicineofcongenitalheartdiseases[J].3DPrintinginMedicine,2015,2(1):3.

與放射學(xué)相關(guān)的醫(yī)學(xué)模具

3D打印技術(shù)已被用于制造具有不同衰減區(qū)域的放射學(xué)真實(shí)模型。研究者采用多層印刷技術(shù)構(gòu)建具有真實(shí)病理情況、解剖結(jié)構(gòu)和異質(zhì)性的肝臟和腦部模型。將患者肝臟和頭部CT圖像分割成組織、血管、肝臟病變、白質(zhì)和灰質(zhì)以及腦脊液。根據(jù)掃描數(shù)據(jù)，將不同的打印材料對(duì)應(yīng)到這些物質(zhì)上。

打印出的肝臟模具與患者的肝臟具有相似的紋理。大腦模型的CT圖像，與患者真實(shí)大腦的CT圖具有極高相似度。這些模具具有與真實(shí)組織類似的非均相和真實(shí)的病理，可被用于圖像質(zhì)量評(píng)估、輻射測(cè)試等。

生理醫(yī)學(xué)模具

具有患者特異性和模擬組織的醫(yī)學(xué)模具包含個(gè)體化信息，并在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用和臨床領(lǐng)域具有重大潛力，3D打印技術(shù)已被證明是制造這種模型的有效方法。

主動(dòng)脈根部的CT圖像、3D計(jì)算模型

和3D打印的生理體模例子

（a）、（b）和（c）分別顯示升主動(dòng)脈和瓣膜的CT橫截面圖和縱向視圖；

（d）、（e）和（f）分別表示從升主動(dòng)脈、左心室流出道（LVOT）和側(cè)面觀察的3D計(jì)算模型，主動(dòng)脈壁和小葉被半透明地描繪，鈣化被繪成紅色，嵌入的纖維被繪成綠色；

（g）、（h）和（i）顯示3D印刷的生理體模。為了更好地說明，鈣化和纖維用黑色材料印刷。

但是現(xiàn)有的3D打印技術(shù)在模仿人體器官組織方面仍然存在不足，許多人體器官結(jié)構(gòu)如心臟瓣膜，由于定向的組織結(jié)構(gòu)而具有各向異性的力學(xué)性質(zhì)；然而，常規(guī)的3D打印模具不具有各向異性力學(xué)性能。

因此，大多數(shù)3D打印的醫(yī)學(xué)模具，甚至那些具有患者特異性和組織模仿特征的模具，僅在解剖學(xué)上而非生理學(xué)上接近人體器官的結(jié)構(gòu)。

再生組織和器官的增材制造

由于對(duì)組織器官移植的需求日益增加及組織器官供體的不足，人們?cè)赥E領(lǐng)域已經(jīng)做出了許多努力來開發(fā)真實(shí)人體組織和器官的生物替代品。TE使用具有高孔隙率和相互連接性的生物可降解支架來為細(xì)胞生長(zhǎng)和重組提供形狀、機(jī)械支撐和微結(jié)構(gòu)以改善和加速修復(fù)過程。在這方面，TE支架的設(shè)計(jì)在治療成功率方面起主導(dǎo)作用。

然而，要精確控制支架的孔隙率和內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，以控制氧氣、營(yíng)養(yǎng)物和可溶性生物分子來促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)和分化仍然十分困難。此外，指導(dǎo)不同類型TE支架細(xì)胞生長(zhǎng)，以形成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的功能組仍然是工程設(shè)計(jì)的難題。

生物打印的三個(gè)最重要和最完善的技術(shù)是激光誘導(dǎo)向前轉(zhuǎn)移（LIFT）、噴墨生物打印和機(jī)器人噴涂。激光誘導(dǎo)向前轉(zhuǎn)移（LIFT）是一種可以將細(xì)胞沉積到接收基底上的技術(shù)。

通常，將激光脈沖束施加在包含源油墨（即水凝膠和細(xì)胞）的供體載玻片或帶上，隨后蒸發(fā)油墨使高壓氣泡朝向位于供體載玻片下方的接收基板噴射。通過控制供體載玻片或基底的移動(dòng)，沉積的2D圖案可以在逐層融合中形成3D結(jié)構(gòu)。

噴墨打印也可以用來構(gòu)建多種細(xì)胞類型的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。已有研究者使用熱噴墨打印機(jī)制作了由干細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞組成的餅狀3D構(gòu)建體。

與普通噴墨打印方法（通常將墨水噴射到固體基質(zhì)上以獲得3D構(gòu)建體）相反，將細(xì)胞與氯化鈣（CaCl2）組合以形成生物墨水，并將墨水噴射到藻酸鹽-膠原溶液中。

由于形成了Ca2+-藻酸鹽復(fù)合物的“蛋盒”螯合結(jié)構(gòu)，聚合物溶液表面受墨滴影響的部分瞬間固化。體外實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明打印的細(xì)胞能夠在3D構(gòu)建體中存活、增殖并維持細(xì)胞功能。

用于生物打印的機(jī)器人噴涂允許通過氣動(dòng)或機(jī)械驅(qū)動(dòng)的方式以逐層方式，分配生物聚合物或合成生物聚合物來制造毫米級(jí)的3D構(gòu)建體。由多種細(xì)胞類型組成的微型組織（即球體和類器官）可以作為打印構(gòu)件。

增材制造技術(shù)的最新進(jìn)展使得幾個(gè)新的TE路徑成為可能，尤其是現(xiàn)在有了新的增材制造技術(shù)，以下三種方法得以快速發(fā)展：

開發(fā)混合支架材料以實(shí)現(xiàn)支架特性的可調(diào)性；

特殊微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)支架的可轉(zhuǎn)換性；

集成傳感器以實(shí)現(xiàn)內(nèi)置過程監(jiān)控能力。

轉(zhuǎn)載自：中國(guó)3D打印網(wǎng) 版權(quán)歸原作者所有