3D打印技術(shù)在醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域中的應(yīng)用及研究進(jìn)展

唐靚+楊亞冬+羅濤+張文元

[摘要] 3D打印技術(shù)實際上是一系列快速成形技術(shù)的統(tǒng)稱，學(xué)名為“增材制造”，其基于CT或MRI的醫(yī)學(xué)影像數(shù)字化圖像數(shù)據(jù)，通過計算機軟件系統(tǒng)進(jìn)行三維重建。被譽為“第三次工業(yè)革命”的代表性技術(shù)，受到醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)界的青睞。本文對3D打印技術(shù)在快速3D打印組織與器官模型、3D生物打印活體組織與器官、定制個性化假體內(nèi)植物、3D打印控釋藥物支架、新藥測試、個性化藥物篩選等醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域中的研究及應(yīng)用加以綜述。

[關(guān)鍵詞] 3D打??；器官模型；活體組織；個性化假體；控釋藥物；新藥測試；藥物篩選

[中圖分類號] TP39；R318.1 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1673-9701（2016）28-0165-04

3D打印技術(shù)經(jīng)過30年的發(fā)展，目前正受到媒體、大學(xué)、科研機構(gòu)、政要高度重視及廣泛關(guān)注，被譽為“第三次工業(yè)革命”的代表性技術(shù)，也受到了醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)界的青睞。3D打印技術(shù)實際上是一系列快速成形技術(shù)的統(tǒng)稱，學(xué)名為“增材制造”，其基于CT或MRI的醫(yī)學(xué)影像數(shù)字化圖像數(shù)據(jù)，通過計算機軟件系統(tǒng)進(jìn)行三維重建。然后，在計算機控制下，按照計算機輔助設(shè)計（CAD）模型數(shù)據(jù)，以STL格式文件輸入計算機系統(tǒng)中，通過3D打印堆積成為一個三維立體結(jié)構(gòu)。猶如數(shù)學(xué)上先微分、再積分的過程。在醫(yī)療領(lǐng)域常見的3D打印技術(shù)有三維印刷、光固化立體印刷、熔融沉積成型、選擇性激光燒結(jié)、立體平版印刷，以及3D繪圖/直寫/生物打印。目前，3D打印技術(shù)在醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域的研究及應(yīng)用主要有以下幾個方面。

1 快速3D打印組織與器官模型

3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的最直接應(yīng)用就是打印各式各樣精確的器官或組織的3D模型。為提高手術(shù)成功率，應(yīng)用3D打印1∶1的個性化實體器官模型和病變模型，能將器官或病變內(nèi)部構(gòu)造的細(xì)節(jié)逼真地、精確地、可視化地表現(xiàn)出來，進(jìn)行術(shù)前模擬、評估、演練、手術(shù)規(guī)劃與導(dǎo)航，確定病灶部位與手術(shù)路徑，以確保手術(shù)成功。因此，這項技術(shù)在手術(shù)設(shè)計及操作演練等方面具有廣闊的應(yīng)用前景和極高的應(yīng)用價值，已在外科、新生兒科、口腔科等領(lǐng)域發(fā)揮了積極作用。而且還能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，Cohen等[1]基于臨床CT數(shù)據(jù)使用3D打印技術(shù)快速和廉價地制作顳骨模型，可以為教育培訓(xùn)服務(wù)。Ernoult等[2]應(yīng)用3D打印技術(shù)重建頜面外科，可用于術(shù)前模擬、手術(shù)指導(dǎo)、教育培訓(xùn)等。

神經(jīng)元有各種各樣的形狀和大小。為了理解這種神經(jīng)元的多樣性， McDougal等[3]研究三維可視化跟蹤成千上萬的神經(jīng)元；輪廓像由NeuroMorpho.Org和ModelDB免費在線存儲庫獲得。3D打印神經(jīng)元模型，輪廓可以顯示在電腦屏幕上，用于統(tǒng)計分析性質(zhì)不同的細(xì)胞類型，也可以用來模擬神經(jīng)行為等。Kim等[4]使用三維打印模板體外制作膠原基大腦微脈管系統(tǒng)模型，不僅可用于血腦屏障在生理和病理的基本研究，也可應(yīng)用于制藥研究。

2 3D生物打印活體組織與器官

3D生物打印是3D打印技術(shù)研究中新興的、快速擴張的、富有生命力的、最具有發(fā)展前景的技術(shù)領(lǐng)域，正在成為主流技術(shù)平臺，被認(rèn)為是21世紀(jì)組織工程、生物制造的新范式。這些技術(shù)可能是我們下一步超越傳統(tǒng)基于支架的組織工程的障礙和局限，并可能提供工業(yè)化生產(chǎn)組織工程產(chǎn)品的潛力，特別是承載組織，如骨骼、軟骨、骨軟骨和牙齒組織工程[5]。通過增材制造與細(xì)胞打印的結(jié)合，可以直接打印出具有層次結(jié)構(gòu)及功能性的人體組織與器官。增材制造生物打印機正被測試來制作復(fù)雜的多細(xì)胞矩陣，這種多細(xì)胞矩陣能夠生長成為功能性器官和替代組織供人類患者使用。這些設(shè)計的一個好處是利用患者自身的細(xì)胞來生產(chǎn)可植入的代替器官，患者不需要一輩子服用抗免疫藥物來防止移植排斥。它是目前全球研究的焦點，為獲得活體組織與器官帶來了希望，期待從根本上解決移植器官短缺及免疫排斥問題。

器官和組織3D打印技術(shù)指通過患者影像（即CT或MRI圖像）收集數(shù)字體積數(shù)據(jù)之后，數(shù)學(xué)建模創(chuàng)建一個數(shù)字3D圖像。在計算機的精確控制下，將適合的細(xì)胞、生長因子與凝膠材料混合在一起，進(jìn)行層層堆積成形。3D生物打印技術(shù)最大優(yōu)勢在于復(fù)雜外形與內(nèi)部微細(xì)結(jié)構(gòu)的一體化制造，可同時在明確的空間位置多噴頭打印各種細(xì)胞與材料，可以根據(jù)患者的個體化需要打印出各種器官和組織，在打印過程中盡量維護細(xì)胞生存能力，最后植入患者體內(nèi)。最終目標(biāo)是實現(xiàn)功能性人類器官和組織的開發(fā)，有效克服可移植器官的缺乏和終身免疫抑制所造成的危害。應(yīng)用3D打印植入物拯救生命的手術(shù)，已經(jīng)在患者中進(jìn)行。然而，在3D打印技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用轉(zhuǎn)化之前幾個問題需要解決。這就是血管化、神經(jīng)分布，經(jīng)濟成本，以及生物材料的安全性與適印性等問題[6]。器官需要血管進(jìn)行血液循環(huán)及營養(yǎng)物質(zhì)傳輸，缺乏可灌注血管網(wǎng)絡(luò)，三維工程化組織中密集的細(xì)胞會很快形成一個壞死核心。但是血管長且細(xì)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，大大增加了打印難度，這也是3D打印的難點。Miller等[7]應(yīng)用碳水化合物玻璃打印剛性三維絲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將它們作為犧牲模板，制備出布滿內(nèi)皮細(xì)胞的柱形網(wǎng)絡(luò)支架組織，可進(jìn)行血液灌注和產(chǎn)生高壓脈動流。這個簡單的血管鑄造方法允許獨立控制的網(wǎng)絡(luò)幾何結(jié)構(gòu)、內(nèi)皮化和血管外的組織，它兼容多種細(xì)胞類型，合成的和天然的細(xì)胞外基質(zhì)，以及交聯(lián)策略。Attalla等[8]利用微流體打印頭整合接種細(xì)胞的凝膠支架開發(fā)出即刻可灌注的血管網(wǎng)絡(luò)。這個微流體設(shè)計允許范圍廣泛的細(xì)胞、生長因子與ECM材料結(jié)合，可創(chuàng)建一個潛在的替代血管網(wǎng)絡(luò)。目前，利用3D生物打印技術(shù)已經(jīng)打印出皮膚、骨組織、人造血管、心臟瓣膜等，均呈現(xiàn)出了很好的應(yīng)用前景。Stanton等[9]應(yīng)用三維生物打印設(shè)計毫微米生物雜合機器人運動性微型體系結(jié)構(gòu)，制作了微型移動機器人。它能夠通過細(xì)胞收縮功能在不同液體中游泳，可在脆弱和限制性生物環(huán)境中執(zhí)行其功能，有望用于如血管阻塞物的清除等。

3 定制個性化假體內(nèi)植物

醫(yī)學(xué)治療的個性化是21世紀(jì)醫(yī)學(xué)發(fā)展方向之一，假體的缺乏是全球性的問題。影像學(xué)與數(shù)字化醫(yī)學(xué)的快速發(fā)展，使個性化假體的定制成為一個重要的發(fā)展方向。3D打印技術(shù)正快速地應(yīng)用于個性化假體制造領(lǐng)域，有望緩解個性化假體的需求缺口。3D打印技術(shù)可根據(jù)確切體型匹配，定制個性化假體植入體，這項技術(shù)已被用于制造更好的鈦質(zhì)骨植入物、義肢以及矯正設(shè)備。在骨外科中，由于骨病損狀態(tài)是隨機的，用于骨缺損修復(fù)的植入物也只能是個體化的，而術(shù)前對患者骨骼進(jìn)行精確的在體三維測量非常困難。目前患者病損缺陷部位修復(fù)處理方法不夠健全，高度依賴外科醫(yī)生的技能、想象力，以及患者自身的再生潛力。3D打印技術(shù)為這些問題的解決提供了強有力的技術(shù)支持，可以直接將計算機中的三維設(shè)計轉(zhuǎn)化為各種空間結(jié)構(gòu)，將各種材料制成植入物，使之完全匹配于原身體部位來提供個體化的替代假體，實現(xiàn)準(zhǔn)確、自然的擬人化重建。這將徹底改變外科手術(shù)前假體的預(yù)制[10]。3D打印技術(shù)可定制復(fù)雜的個性化假體內(nèi)植物，不僅可提高手術(shù)效果，還可節(jié)省經(jīng)濟成本，最重要的是對于遠(yuǎn)程和醫(yī)療資源有限的地方更加有利。這項技術(shù)在重建外傷性損傷、面部損傷，以及假肢的發(fā)展、生物和人工植入體的發(fā)展，將產(chǎn)生深遠(yuǎn)而巨大的影響[11，12]。

現(xiàn)在功能性的生物打印還無法完全代替缺失的假體，不過非生物替代植入物可以長入現(xiàn)有的生物結(jié)構(gòu)中，這已經(jīng)是一種進(jìn)步。3D打印技術(shù)可以克服傳統(tǒng)制作工藝的限制，不再需要中間繁復(fù)的工藝過程和裝備。它可用于顱面整形手術(shù)[13，14]、骨科[1，15]及牙科治療[16]等，也可用于仿生三維軟組織再生[17，18]。

4 3D打印控釋藥物支架

組織和器官需要適當(dāng)?shù)乃幬?、生長因子的存在與釋放，藥物輸送系統(tǒng)（DDS）決定支架藥物、生長因子到達(dá)細(xì)胞、組織、器官的治療效果。通過打印出支架中藥物特殊外形或復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)藥物控釋，避免藥物過量釋放而引起的毒副作用，進(jìn)而讓人體的藥物吸收更為合理[19]。Inzana等[20] 3D印刷負(fù)載雙抗生素（利福平、萬古霉素）的生物陶瓷遞送治療植入物相關(guān)的骨感染。Akkineni等[21] 3D繪圖技術(shù)打印負(fù)載牛血清白蛋白（BSA）和血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）的磷酸鈣骨水泥支架。Costa等[22]增材制造負(fù)載地塞米松的控釋支架以增強骨骼再生。Lee等[23]通過3D打印技術(shù)有效固定rhBMP-2促進(jìn)工程化骨組織的成骨分化。Hung等[24]通過3D打印水性聚氨酯彈性納米顆粒，控釋 TGF-β3或小分子藥物Y27632，定制組織工程軟骨。系統(tǒng)性控制免疫抑制藥物環(huán)孢素A（CsA）往往會有許多副作用，因此，在同種異體或異種細(xì)胞移植后，有時候它不能以足夠的劑量使用，局部遞送是解決這個問題的有效方法。Song等[25]使用3D打印技術(shù)開發(fā)負(fù)載CsA 的3D藥物載體，進(jìn)行局部和持續(xù)遞送CsA。開發(fā)的3D藥物載體可以作為一種有效的異基因細(xì)胞治療的免疫抑制藥物輸送系統(tǒng)。Gupta等[26] 3D打印可編程釋放膠囊，實現(xiàn)在時空上精確控制化學(xué)和生物分子梯度，指導(dǎo)細(xì)胞生長、遷移和分化。

5 新藥測試

目前的新藥研發(fā)耗資大、周期長、風(fēng)險高，主要原因涉及動物實驗和人體試驗。目前新藥測試過程中，往往使用大量實驗動物，不僅成本高，而且難以準(zhǔn)確地體現(xiàn)藥物對患者器官的治療作用和毒性反應(yīng)。因此，應(yīng)用人類組織來測試更有意義。利用3D打印具有活性的組織器官進(jìn)行新藥藥效測試，不僅可以縮短新藥研發(fā)周期，節(jié)省研發(fā)費用，還能大大降低實驗動物數(shù)量及人體試驗帶來的危害。不同類型的3D打印的微小型活性組織器官正用來測試新的藥物和治療方案。3D打印的人造肝臟組織可以更確切地模擬人體對藥物的反應(yīng)，從而幫助人們選擇更安全、更有效的藥物，這對于藥物研發(fā)、毒性測試都非常有價值。微型肝臟的研究已取得一定進(jìn)展，美國Organovo打印了微型活體肝臟組織，擁有一些與真實肝臟一樣的功能，可生成白蛋白、細(xì)胞色素P450s，可提供預(yù)測肝組織毒性標(biāo)記評估[27]。

6 個性化藥物篩選

體內(nèi)存在的實體瘤是一個三維的細(xì)胞聚集體，而目前使用較多的體外腫瘤二維單層細(xì)胞培養(yǎng)的耐藥模型未能模擬出個體腫瘤細(xì)胞在體內(nèi)所處的狀態(tài)[28]，其耐藥機制并不完全等同于體內(nèi)實際的耐藥機制。3D打印構(gòu)建的癌細(xì)胞三維結(jié)構(gòu)能夠更好地反映體內(nèi)腫瘤的生長和發(fā)育情況。

細(xì)胞3D打印技術(shù)能有效控制支架的微觀結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)，并可將細(xì)胞與材料同時操作，實現(xiàn)細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)材料的特定空間排布，是一種更接近體內(nèi)癌細(xì)胞病變特性的腫瘤模型。其對腫瘤學(xué)研究、癌癥個體化治療和抗癌藥物研發(fā)等均會產(chǎn)生重要的促進(jìn)作用[29]。為體外構(gòu)建高效準(zhǔn)確的個體化治療藥物篩選模型提供了新的技術(shù)空間[30]。可用細(xì)胞3D打印技術(shù)構(gòu)建更準(zhǔn)確的藥物篩選模型，為構(gòu)建準(zhǔn)確、高效、高通量的藥物篩選模型提供了可能[31]。3D打印技術(shù)還可以制造“細(xì)胞芯片”，在設(shè)計好的芯片上打印細(xì)胞，細(xì)胞在芯片上生長，可以被電極檢測到，可借助細(xì)胞芯片檢測藥物的抗腫瘤活性和肝毒性[32，33]。

7 機遇與挑戰(zhàn)

3D打印技術(shù)雖然技術(shù)先進(jìn)，發(fā)展迅速，但是3D打印技術(shù)尚處于起步階段，存在眾多瓶頸，面臨巨大挑戰(zhàn)。3D打印技術(shù)還有很多問題需要解決，目前，可用的3D打印材質(zhì)非常有限，主要是一些金屬、陶瓷、石膏、樹脂、塑料等的應(yīng)用。在生物支架材料方面，主要有生物材料的安全性與適印性等問題，類組織/器官的血管化、神經(jīng)分布以及經(jīng)濟成本問題。3D生物打印材料還要具有細(xì)胞相容性，生物墨水是目前最大的瓶頸。目前3D打印的精度、速度和效率還不夠高，適用范圍有限。另外，目前3D打印技術(shù)還存在一些門坎，如3D打印機設(shè)備昂貴、需要專業(yè)培訓(xùn)、軟件設(shè)計及數(shù)據(jù)處理、需要多學(xué)科合作等問題阻礙了這項技術(shù)的廣泛應(yīng)用。因此需要加強3D打印機設(shè)備的開發(fā)及普及，加強醫(yī)生和3D打印技術(shù)人員的合作，培養(yǎng)既精通醫(yī)學(xué)、材料學(xué)，又精通3D打印技術(shù)的人才。

不久的將來，隨著醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、制造學(xué)的整合，許多科學(xué)問題將被逐一突破與解決，3D打印技術(shù)將成為一種操作簡便、快捷、準(zhǔn)確的診療手段，造福于人類。雖然目前3D打印技術(shù)還存在著許多問題與不足，但從長遠(yuǎn)來看，3D打印技術(shù)在醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。就像半個世紀(jì)前的電腦，那時有誰能想到今天它對人類社會產(chǎn)生如此巨大而深遠(yuǎn)的影響。

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（收稿日期：2016-05-26）