人體器官3-D打印研究進(jìn)展

人體器官3-D打印研究進(jìn)展

徐惟1高志華丁曉慧叢敬解輝周慧

(沈陽醫(yī)學(xué)院，遼寧沈陽110034)

關(guān)鍵詞〔〕3-D打?。蝗梭w器官

中圖分類號〔〕R318〔文獻(xiàn)標(biāo)識碼〕A〔

基金項(xiàng)目：沈陽醫(yī)學(xué)院科技

通訊作者：周慧(1982-)，女，講師，博士，主要從事生物工程研究。

1沈陽軍區(qū)總醫(yī)院

第一作者：徐惟(1982-)，男，主治醫(yī)師，碩士，主要從事胸外科研究。

人體器官3-D打印是指利用影像學(xué)〔CT磁共振成像(MRI)〕知識以及計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)虛擬構(gòu)建出所需物體的空間結(jié)構(gòu)，然后使用相關(guān)材料，分層打印出實(shí)體的一種組織工程學(xué)技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)有高精度、速度快、按需打印等。 但是在力學(xué)、生物學(xué)等方面有一定的不足。本文通過檢索近年國內(nèi)外3-D打印技術(shù)在人體器官打印領(lǐng)域中應(yīng)用的相關(guān)文獻(xiàn)，并進(jìn)行綜合分析。

13-D打印技術(shù)及其原理

3-D打印技術(shù)又稱“添加制造”技術(shù)。 2009年美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(ASTM)成立的3-D打印技術(shù)委員會F42 對此項(xiàng)技術(shù)定義為：一種與傳統(tǒng)的材料去除加工方法相反，基于三維數(shù)字模型，通常采用逐層制造方式將材料結(jié)合起來的工藝。由于其技術(shù)原理參考了目前商用打印機(jī)，故稱其為“打印機(jī)”。

23-D打印技術(shù)與人體器官3-D打印的關(guān)系

中國每年因末期器官衰竭而需要器官移植的人大約有150萬，但實(shí)際只有不到1萬的器官可以使用，供求比例達(dá)到1∶150〔1〕。且這些患者的數(shù)量每年正在以超過10%的增量增長。而人體器官3-D打印技術(shù)的發(fā)展可能會為這些患者提供一線希望。近年來,3-D打印技術(shù)已被應(yīng)用到組織工程學(xué)中，希望利用3-D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)體外組織、器官的復(fù)制〔2〕。如果3-D打印技術(shù)和克隆技術(shù)相結(jié)合則有希望解決免疫排斥反應(yīng)〔3〕。Miornov等〔4〕提出的器官打印為以上希望的現(xiàn)實(shí)帶來了一個可能的方案，細(xì)胞具有融合趨勢是其生物學(xué)理論基礎(chǔ)，而細(xì)胞本身的復(fù)制行為以及細(xì)胞與細(xì)胞、細(xì)胞外基質(zhì)間的相互作用即是天然存在的自組裝過程〔5〕。

3實(shí)現(xiàn)人體器官3-D打印的步驟

3.1前期處理階段首先利用影像學(xué)技術(shù)獲取所需打印器官的資料。 CT 、MRI 是該步驟數(shù)據(jù)獲取的主要來源。高分辨率是其主要特點(diǎn)，此外，MRI 圖像在區(qū)別不同種類的軟組織以及對密度相似物體的區(qū)分效果極佳。而最近研究的 MCT(Micro CT,LCT ) 技術(shù)已能觀察到組織的微觀結(jié)構(gòu)。 最后根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整部分參數(shù)，從而得到最佳數(shù)據(jù)。

3.2器官打印階段運(yùn)用計(jì)算機(jī)等設(shè)備將上述步驟得到的數(shù)據(jù)，構(gòu)建成產(chǎn)品模型，并自動把產(chǎn)品按一定方式進(jìn)行虛擬“分割”，同時將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?-D打印機(jī)，打印機(jī)就會進(jìn)行打印。打印過程中的關(guān)鍵在于打印機(jī)的噴嘴，噴嘴的打印力度必須適當(dāng)，從而保護(hù)細(xì)胞和組織的生命力。由Bolnad等〔6〕設(shè)計(jì)研究，將細(xì)胞或細(xì)胞聚集體及可生物降解并處于溶膠狀態(tài)的熱敏凝膠，分別置于打印機(jī)的各個噴嘴中,用計(jì)算機(jī)控制各類細(xì)胞或細(xì)胞聚集體，細(xì)胞與凝膠間的比例及噴嘴的噴射位置和力度，逐層進(jìn)行打印。熱敏凝膠經(jīng)噴出后即由溶膠狀態(tài)變成凝膠狀態(tài)，這一狀態(tài)的改變，不僅可以為細(xì)胞培養(yǎng)提供框架,還類似于普通打印中的紙張，在打印過程中作為基底成分。

3.3后續(xù)處理階段將上述過程得到的器官置于適當(dāng)?shù)沫h(huán)境培養(yǎng)成熟〔7〕。整個過程都嚴(yán)格要求無菌操作，通過加入有助于細(xì)胞生長的生長因子、氧氣，增強(qiáng)培養(yǎng)條件等方法使其成熟，最終得到所需器官。

4人體器官3-D打印技術(shù)的臨床應(yīng)用

德國的Gunter Tovar博士已經(jīng)成功的利用人體器官3-D打印技術(shù)制造出人工血管，其生物學(xué)特點(diǎn)與人體自身血管極其相似。瑞士Christian Weinand 領(lǐng)導(dǎo)的研究小組順利的復(fù)制了他自己的拇指骨〔8〕，取得了很大的進(jìn)步。北京大學(xué)的薛世華等〔8〕成功完成了人牙髓細(xì)胞共混物的三維生物打印。Petzold 等〔9〕在小兒顱縫早閉及顱頜面畸形患者的術(shù)前手術(shù)計(jì)劃中也應(yīng)用了該技術(shù)，后期觀察臨床效果良好。此外，該技術(shù)在心臟外科以及神經(jīng)外科等領(lǐng)域也被成功應(yīng)用。Brown 等〔10〕將該技術(shù)應(yīng)用于117例復(fù)雜手術(shù)者，術(shù)后隨訪觀察效果極佳。比利時 Hasselt 大學(xué) BIOMED研究所成功的為1例83歲患者實(shí)施人工下頜骨置換術(shù)，術(shù)后第1天患者便恢復(fù)部分說話、吞咽功能〔11〕。王臻等〔12〕為1例14歲右股骨下段骨肉瘤術(shù)后復(fù)發(fā)患兒施行保肢手術(shù)，手術(shù)圓滿完成。He等〔13〕利用該技術(shù)制備了半膝關(guān)節(jié)和人工骨模具，術(shù)后隨訪表明該復(fù)合半膝關(guān)節(jié)假體與周圍組織、骨骼匹配良好，并且具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，效果極佳。Faulkner-Jones等〔14〕已經(jīng)利用該技術(shù)打印出人造肝組織。

5人體器官3-D打印技術(shù)的優(yōu)勢

(1)高精度。(2)可同時打印細(xì)胞和支架材料。(3)高效率。(4)可實(shí)現(xiàn)按需打印。(5) 從根本上解決免疫排斥反應(yīng)。(6)所需生產(chǎn)成本低。(7)有助于醫(yī)生準(zhǔn)確了解組織的細(xì)微結(jié)構(gòu)及病變與周圍結(jié)構(gòu)的關(guān)系，研究手術(shù)方案〔15〕。

6人體器官3-D打印技術(shù)中的難題

(1) 細(xì)胞過于脆弱，容易死亡。(2)3-D 數(shù)據(jù)的獲取不準(zhǔn)確。(3) 支架材料的可降解性及降解時間，孔徑大小等都對其打印結(jié)果有影響〔15〕。(4)花費(fèi)材料多。(5)所需材料價(jià)格極高。

7前景展望

人體器官3-D打印技術(shù)能在體外實(shí)現(xiàn)所需組織器官的復(fù)制。由于打印過程中所用細(xì)胞來自患者自身，故能最大的減少免疫排斥反應(yīng)。同時可實(shí)現(xiàn)高精度，高效率，按需打印等。具有廣泛的使用價(jià)值。對等待器官移植以及因嚴(yán)重車禍等需要器官移植的患者來說，人體器官3-D打印技術(shù)的發(fā)展無疑是開辟了一條新的道路。在臨床及科研等方面具有深遠(yuǎn)的發(fā)展前景。同時，由于該技術(shù)正處于初步發(fā)展階段，在力學(xué)、生物學(xué)等方面有一定的不足。在支架材料的選擇及性能等方面面臨著一些難題。需要廣大人才的積極參與和研究。面對人體器官3-D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢和存在問題，必須致力于研究核心技術(shù)，廣泛參考國內(nèi)外優(yōu)秀資源，予以結(jié)合，早日實(shí)現(xiàn)人體器官3-D打印技術(shù)在臨床的應(yīng)用。

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15王成燾.硬組織外科臨床數(shù)字技術(shù)系統(tǒng)研究〔J〕.中國骨科臨床與基礎(chǔ)研究雜志,2010;2(2):87-91.

〔2014-11-25修回〕

(編輯袁左鳴/滕欣航)