3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

徐弢

3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

徐弢

3D打印起源于20世紀(jì)80年代，近年來(lái)發(fā)展迅猛，被譽(yù)為“第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志之一”。生物3D打印是3D打印的一個(gè)分支，目前正在國(guó)內(nèi)外掀起新一輪研究熱潮。本視頻對(duì)生物3D打印作一個(gè)簡(jiǎn)要介紹。

一、什么是生物3D打印

生物3D打印是基于“增材制造”的原理，以特制生物“打印機(jī)”為手段，以加工活性材料包括細(xì)胞、生長(zhǎng)因子、生物材料等為主要內(nèi)容，以重建人體組織和器官為目標(biāo)的跨學(xué)科跨領(lǐng)域的新型再生醫(yī)學(xué)工程技術(shù)。它代表了目前3D打印技術(shù)的最高水平之一。

二、生物3D打印技術(shù)的發(fā)展歷程

從1995年出現(xiàn)以來(lái)，生物3D打印技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了四個(gè)層次。第一層次：打印出的產(chǎn)品不進(jìn)入人體，主要包括一些體外使用的醫(yī)學(xué)模型、醫(yī)療器械，對(duì)使用的材料沒(méi)有生物相容性的要求；第二層次：使用的材料具有良好的生物相容性但是不能被降解，產(chǎn)品植入人體后成為永久性植入物；第三層次：使用的材料具有良好的生物相容性，而且能被降解。產(chǎn)品植入人體后，可以與人體組織發(fā)生相互關(guān)系，促進(jìn)組織的再生；第四層次：使用活細(xì)胞、蛋白及其他細(xì)胞外基質(zhì)作為材料，打印出具有生物活性的產(chǎn)品，最終目標(biāo)是制造出組織、器官。這是生物3D打印的最高層次。

在現(xiàn)階段，第一到第三層次的技術(shù)發(fā)展已比較成熟，已經(jīng)進(jìn)入到實(shí)際應(yīng)用層面。第一層次的應(yīng)用有神經(jīng)外科及脊柱外科的個(gè)性化手術(shù)模型、假肢等。第二層次的應(yīng)用有個(gè)體化的永久植入物，如假耳移植物、下頜骨移植物等。2014年北醫(yī)三院通過(guò)3D技術(shù)打印出的椎體移植物，也屬于這一類(lèi)。第三層次采用可降解的生物相容性材料，制作出仿生的組織工程支架。清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)采用低溫沉積成形技術(shù)，制造出具有分級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)的骨支架，最多可以做到4級(jí)孔隙，有利于各種細(xì)胞的生長(zhǎng)進(jìn)入，處于世界領(lǐng)先水平。

第四層次也被稱(chēng)為“細(xì)胞打印”或“器官打印”，是現(xiàn)代意義的生物3D打印，相比較而言前三個(gè)層次可以被稱(chēng)為“快速成型”。細(xì)胞打印概念于2000年 由美 國(guó) Clemson 大學(xué) 的 Thomas Boland 教 授 首 先提出，并于2003年首次成功實(shí)現(xiàn)。2004年該團(tuán)隊(duì)獲得一項(xiàng)細(xì)胞打印的專(zhuān)利，并授權(quán)給在納斯達(dá)克上市的 Organovo 公司，該公司是目前國(guó)際上生物 3D 打印領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊。由于筆者的博士導(dǎo)師就是Boland 教授，筆者參與了其中的工作，發(fā)表的論文受到廣泛的關(guān)注。

三、生物3D打印的臨床需求和科學(xué)意義

在美國(guó)，每1.5小時(shí)就有1例病人因?yàn)榈炔坏胶线m的器官移植而死亡，每年有超過(guò)800萬(wàn)例組織修復(fù)相關(guān)的手術(shù)。生物3D打印技術(shù)的目標(biāo)就是解決組織、器官短缺的問(wèn)題。

人體是由多種細(xì)胞和基質(zhì)材料按特定方式有機(jī)組合而成，具有高度的復(fù)雜性。組成人體的細(xì)胞有超過(guò)250種以上，僅一個(gè)腎臟就包含有20多種細(xì)胞。軟骨組織是相對(duì)較簡(jiǎn)單的組織，細(xì)胞種類(lèi)較少且沒(méi)有血管、神經(jīng)支配。1994年科學(xué)家認(rèn)為組織工程技術(shù)可以解決器官再造的技術(shù)，當(dāng)時(shí)首選的目標(biāo)就是制造皮膚或軟骨組織，但是至今沒(méi)有真正的成功。而生物3D打印技術(shù)可能是解決方法之一。

四、生物3D打印的實(shí)現(xiàn)

最早我們使用的是噴墨打印技術(shù)。噴墨打印機(jī)能夠快速地把細(xì)小的墨滴精確地打印到相應(yīng)的位置。噴墨打印機(jī)的工作原理是：噴頭里有加熱元件，將墨滴里面的水快速加熱到200℃，使水產(chǎn)生氣化，將前面的墨滴噴出去。我們將細(xì)胞混懸液灌入墨盒，成功地實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞打印。

為什么 200℃的高溫沒(méi)有殺死細(xì)胞？研究發(fā)現(xiàn)，噴墨的過(guò)程非常迅速，只需要20微秒，熱量還來(lái)不及傳遞到墨滴，墨滴就已經(jīng)被噴出去了。通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，打印出的細(xì)胞可以達(dá)到95%以上存活率。

細(xì)胞和基質(zhì)材料逐層打印，就可以達(dá)到3D打印的目的。噴墨打印機(jī)可以打出不同的顏色，因此我們也可以打出不同的細(xì)胞。比如打印一個(gè)類(lèi)似血管的結(jié)構(gòu)，可以把內(nèi)皮細(xì)胞打印到管壁內(nèi)層，平滑肌細(xì)胞打印到管壁外層，這樣逐層打印，可以得到一個(gè)和正常結(jié)構(gòu)類(lèi)似的產(chǎn)品。

五、工程及醫(yī)學(xué)科學(xué)的挑戰(zhàn)

首先，由于操作對(duì)象是活細(xì)胞，非常脆弱。打印是一個(gè)物理和機(jī)械的過(guò)程，這就產(chǎn)生了打印后細(xì)胞能不能存活、會(huì)不會(huì)發(fā)育、會(huì)不會(huì)產(chǎn)生變異甚至腫瘤化的問(wèn)題。其次，生物仿生對(duì)制造精度及準(zhǔn)確性要求極高，打印機(jī)能不能達(dá)到精度要求，也是一個(gè)挑戰(zhàn)。第三，組織及器官是由多材料及多細(xì)胞組成的非均質(zhì)體系，這對(duì)制造學(xué)也是一個(gè)挑戰(zhàn)。

六、活細(xì)胞打印的部分實(shí)例

2003年，我們將海馬細(xì)胞裝入墨盒，在世界上首次打印出一個(gè)細(xì)胞環(huán)。隨后我們還用活細(xì)菌打印出 Clemson 大學(xué)的名稱(chēng)和標(biāo)志。在精確度方面，我們可以打印單個(gè)動(dòng)物細(xì)胞微球。在美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金資助下，我們研究了打印的物理機(jī)械過(guò)程對(duì)細(xì)胞的影響，發(fā)現(xiàn)生物打印不影響細(xì)胞的存活、生長(zhǎng)及正常生理功能。我們還研究了細(xì)胞打印的最佳參數(shù)及條件。

七、生物3D打印的應(yīng)用

生物3D打印由于其精度高、便攜，可用于戰(zhàn)場(chǎng)上快速進(jìn)行戰(zhàn)傷創(chuàng)面的修復(fù)。這個(gè)課題得到美國(guó)國(guó)防部的基金資助。

我們用心肌細(xì)胞和生物材料模擬打印了動(dòng)物心臟。發(fā)現(xiàn)打印出的細(xì)胞能夠有節(jié)奏地跳動(dòng)，提示打印出的器官可以具有一定的功能。

我們還將羊水中提取的干細(xì)胞進(jìn)行3D打印，并加入骨系分化因子，獲得了活性的骨組織。此羊水干細(xì)胞技術(shù)被美國(guó)時(shí)代雜志評(píng)為2007年世界十大醫(yī)學(xué)突破之一。

我們還做了生物打印大血管、微血管的研究。

八、生物3D打印技術(shù)的發(fā)展方向

首先，3D打印應(yīng)該定位于“替代性技術(shù)”，是在傳統(tǒng)塑造手段不能完成的情況下使用。而不能什么都打，不能為了打印而打印。其次是如何產(chǎn)業(yè)化的問(wèn)題，要做出產(chǎn)品而且有盈利，才能持續(xù)健康地發(fā)展下去。

九、生物3D打印的產(chǎn)業(yè)化

實(shí)驗(yàn)室成功不等于產(chǎn)業(yè)化成功。產(chǎn)業(yè)化是指從創(chuàng)新成果到形成一定規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化過(guò)程。這是非常復(fù)雜的。

對(duì)醫(yī)療產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，因?yàn)槭且獞?yīng)用于人體的，所以必需符合國(guó)家法規(guī)，且在安全性、有效性方面符合臨床要求。產(chǎn)品獲得上市注冊(cè)證是一個(gè)重要標(biāo)志，只有獲得上市注冊(cè)證才能進(jìn)入醫(yī)療市場(chǎng)。目前主流的是美國(guó)FDA、歐盟CE、中國(guó)CFDA這三個(gè)注冊(cè)證。一個(gè)不含細(xì)胞的用于組織修復(fù)的3D打印產(chǎn)品從研發(fā)到上市，大致需要5到6年時(shí)間。而含活細(xì)胞的3D打印產(chǎn)品，由于各方面的原因，尚不能估計(jì)上市時(shí)間。雖然時(shí)間很長(zhǎng)，也不能停止在這方面的創(chuàng)新和研究。

目前已經(jīng)上市的生物3D打印產(chǎn)品有：具有骨小梁結(jié)構(gòu)的髖臼杯、全鈦?zhàn)刁w融合器、3D打印顱骨產(chǎn)品、3D打印面骨產(chǎn)品等。目前上市的產(chǎn)品均為不可降解產(chǎn)品（第二層次），尚無(wú)可降解產(chǎn)品（第三層次）。

3D打印腦膜組織修復(fù)支架－睿膜，是全球首個(gè)3D打印的軟組織產(chǎn)品。其微觀結(jié)構(gòu)最接近自體腦膜，臨床效果好于已往的人工腦膜產(chǎn)品。

十、生物3D打印技術(shù)發(fā)展路線圖

生物3D打印技術(shù)的發(fā)展路線是從納米、微米、厘米到分米級(jí)別。納米級(jí)別即生物分子的打印包括蛋白、DNA等的打印都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了。微米級(jí)別指細(xì)胞的打印，也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了。厘米級(jí)別指神經(jīng)、血管、組織等，尚未實(shí)現(xiàn)，還處于研發(fā)階段。分米級(jí)別指心、肝、腎等器官，將是我們最終的目標(biāo)。

通過(guò)整個(gè)行業(yè)的努力，以及與臨床醫(yī)生、生物學(xué)家等多專(zhuān)業(yè)專(zhuān)家的合作，相信通過(guò)3D打印這種先進(jìn)的制造手段，一定能夠?qū)崿F(xiàn)人類(lèi)的科學(xué)夢(mèng)。

2014-12-09)

(本文編輯：羅美玲)

10.3877/cma.j.issn.2095-9141.2015.01.017

100062 北京，清華大學(xué)生物制造中心

徐弢，Email：xutao@tsinghua.edu.cn

徐弢.3D 打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用[J/CD].中華神經(jīng)創(chuàng)傷外科電子雜志,2015,1(1):57-58.