3D打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的研究進(jìn)展

，

(1 山東省中醫(yī)藥研究院，山東 濟(jì)南 250014； 2 曲阜中醫(yī)藥學(xué)校； 3 精密測試技術(shù)及儀器國家重點實驗室)

3D打印(Three Dimensional Printing)，即快速成型技術(shù)。是一種計算機(jī)控制，基于數(shù)字模型文件，通過計算機(jī)輔助設(shè)計或斷層掃描數(shù)據(jù)，按照逐層疊加的原理，通過打印材料構(gòu)建出三維立體精細(xì)的模型[1-4]。近年來，隨著各個行業(yè)對精密度的要求越來越高，3D打印技術(shù)也隨之飛速發(fā)展，成為當(dāng)前研究的熱點。3D打印具有成本低、速度快、精度高的優(yōu)點，在航空航天、工業(yè)設(shè)計、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[5]。在傳統(tǒng)醫(yī)藥行業(yè)市場中，工廠批量生產(chǎn)的生物材料不能滿足病人需求，新生3D打印技術(shù)具有個性化、小批量和高精度等優(yōu)勢，可以解決健康產(chǎn)業(yè)個性化需求與生產(chǎn)規(guī)模之間的矛盾。目前，3D個性打印已在牙科、骨科等領(lǐng)域得到應(yīng)用。本文主要從3D打印技術(shù)的原理與分類、3D打印在醫(yī)療方面的應(yīng)用、3D打印研究的瓶頸及研究前景3個方面進(jìn)行綜述。

1 3D打印技術(shù)的原理與分類

1.1 光固化立體印刷(SLA)

簡稱光造型術(shù)，是目前最廣泛的3D打印工藝。通過液體光敏聚合物經(jīng)紫外照射處理來描繪物體，從而達(dá)到建模的目的。在光固化材料中低聚物是最基礎(chǔ)的材料，包括聚富馬酸二羥丙酯(PPF)、脂肪族聚酯、聚碳酸酯以及蛋白質(zhì)、多糖等天然高分子。為了降低系統(tǒng)的黏度，避免由于噴嘴的高黏度導(dǎo)致堵塞，需要在反應(yīng)體系中加入雙鍵的小分子溶劑，即稀釋劑。稀釋劑可以參與整個固化反應(yīng)，在光敏樹脂體系中十分重要。SLA具有成型速度快、精度高的特點，但也存在制作成本較高、清洗雜質(zhì)時可能會影響原形狀等缺點[6]。王權(quán)[7]選用SLA技術(shù)制備alginate/hydroxyapatite水凝膠活性支架，并復(fù)合Atsttrin蛋白，檢測活性支架性能和骨修復(fù)能力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)支架性能優(yōu)異，并且對骨有很好的促修復(fù)作用。

1.2 熔融沉積成型(FDM)[8]

也被稱為熔融堆積法。選用熱熔噴頭，將半流動狀態(tài)的材料在指定的位置凝集，逐層堆積后形成器件。該工藝主要選用熱塑性材料，包括石蠟、塑料、尼龍絲和低熔點金屬、陶瓷等。FDM工藝的關(guān)鍵是保持半流體材料熔點溫度(約高于熔點1 ℃)。每一層的厚度是由擠出絲的直徑所決定的，通常是0.25～0.50 mm。FDM材料利用率高，工藝簡單，但精度低[9]。該方法適用于制備中小型規(guī)模(中等復(fù)雜度)零件，不適合制造大型零件。KARASHIMA等[10]通過混合不同濃度的磷灰石以及聚乳酸(PLA)，采用FDM打印該復(fù)合支架，研究支架的生物活性。實驗表明，通過使用3D打印PLA復(fù)合材料，磷灰石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0184，該復(fù)合材料具有較高的生物活性和生物降解性，作為植入物前景良好。韓永杰等[11]以聚己內(nèi)酯(PCL)為原料利用FDM制備無孔隙及孔徑300、500 μm 3種PCL支架，并檢測其生物相容性，探討其作為組織工程骨支架的潛力。MTT法檢測結(jié)果表明，支架在1、2、3 d均可促進(jìn)細(xì)胞生長，無細(xì)胞毒性，用快速成型技術(shù)制備的聚合物具有較高的孔隙率，良好的生物相容性，具有制作骨組織工程支架的潛力。

1.3 選擇性激光燒結(jié)(SLS)[12]

SLS法，即利用紅外激光束燒結(jié)粉末。具有加工速度快的優(yōu)點，但是成型產(chǎn)品表面較粗糙，處理過程中會產(chǎn)生粉塵或毒氣，高溫也會造成一部分材料變性或降解。郭凌云等[13]應(yīng)用SLS法構(gòu)建3D支架，以羥基磷灰石(HA)和PCL為原材料，運(yùn)用SLS法制備純PCL支架和含HA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05、0.10的HA/PCL復(fù)合支架。結(jié)果顯示，支架的三維多孔結(jié)構(gòu)彼此相連接，隨著HA含量的增加，抗壓強(qiáng)度略有下降，但支架親水性提高。含質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10 HA的PCL支架表現(xiàn)出良好的細(xì)胞相容性。SLS制備的HA/PCL支架，外形可塑性、孔隙結(jié)構(gòu)良好，具有良好的力學(xué)性能和細(xì)胞相容性，為其制作骨組織支架提供了保證。

2 3D打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 構(gòu)建個體化3D模型，模擬或指導(dǎo)手術(shù)過程

傳統(tǒng)手術(shù)治療的醫(yī)學(xué)模式主要是通過X射線等影像學(xué)檢查獲得的二維數(shù)據(jù)，根據(jù)醫(yī)生的經(jīng)驗確定手術(shù)方案，不能滿足個體化需求。3D打印可對復(fù)雜幾何形狀物體建模，并與已有的二維數(shù)據(jù)相結(jié)合，得到科學(xué)準(zhǔn)確的病人病變部位模型，為醫(yī)生手術(shù)治療提供精準(zhǔn)指導(dǎo)。

個體3D打印模型的構(gòu)建對手術(shù)治療有重要的指導(dǎo)作用，使復(fù)雜手術(shù)更加準(zhǔn)確。何泓等[14]通過對病人盆腔進(jìn)行MRI掃描，獲取原始圖像后構(gòu)建病人腹腔內(nèi)臟器的3D模型。術(shù)前根據(jù)3D模型演練，決定采用經(jīng)后路子宮切除術(shù)，從而保證了手術(shù)過程的順利進(jìn)行，精確完整地切除子宮。后又嘗試將此技術(shù)應(yīng)用于個體化的胎盤植入手術(shù)中。

王棟等[15]通過3D打印技術(shù)處理5例典型的上頸椎CT圖像，用來構(gòu)建骨骼三維立體模型，并應(yīng)用于骨科規(guī)培時的臨床教學(xué)和手術(shù)指導(dǎo)。該模型不僅可以使學(xué)生親自參與實驗，而且在臨床上可以為醫(yī)生提前確定手術(shù)方案、模擬手術(shù)過程、熟練手術(shù)操作及預(yù)計手術(shù)結(jié)果。3D模型有助于加深對人體解剖學(xué)的理解，達(dá)到精準(zhǔn)手術(shù)要求，提高臨床工作興趣，對臨床教學(xué)以及手術(shù)指導(dǎo)有重要意義。

2.2 3D打印人工骨支架

骨組織主要由米羥基磷灰石和膠原組成，成分簡單，構(gòu)建骨組織工程得到了廣泛關(guān)注，并取得飛速發(fā)展。傳統(tǒng)的支架技術(shù)，不能在微觀上對支架的孔徑進(jìn)行調(diào)控，而3D打印技術(shù)可以模仿天然骨復(fù)雜多孔的結(jié)構(gòu)，使構(gòu)建精細(xì)骨組織支架成為了可能。PLA是從植物資源(如玉米)所提取出的淀粉原料制成，具有良好的生物可降解性，可最終生成二氧化碳和水。PLA還有良好的力學(xué)性能，易加工塑形，在藥物控釋、內(nèi)固定、組織工程、人造皮膚等領(lǐng)域都有應(yīng)用，這是近年來的一個研究熱點[16]。HA是一種與骨的無機(jī)成分相近的骨替代材料[17]，因優(yōu)異的生物相容性和骨傳導(dǎo)作用，已廣泛作為制作骨組織工程支架的材料。

TANODEKAEW等[18]將PLA以及HA采用SLA技術(shù)制備成復(fù)合支架，并觀察細(xì)胞增殖和細(xì)胞毒性及評估成骨細(xì)胞活性，結(jié)果表明，在早期的培養(yǎng)中，HA和孔徑大小對支架的生物活性和成骨細(xì)胞的分化具有促進(jìn)作用，從而證明了它們在骨修復(fù)中的應(yīng)用潛力。

李翠笛[19]采用3D打印技術(shù)構(gòu)建鈣磷硅基骨修復(fù)支架。研究發(fā)現(xiàn)，垂直孔為350 μm的MCS/CPC支架具有適宜的孔隙率、抗壓力學(xué)強(qiáng)度及細(xì)胞相容性，并有利于細(xì)胞黏附。負(fù)載rhBMP-2后，可顯著加快新生骨組織形成，植入初期，纖維組織即可在連通孔道中自由生長，在植入約12周后，CPC、MCS/CPC支架、MCS/CPC/rhBMP-2支架的新生骨面積分別為7.3%、10.1%、24.3%，MCS/CPC/rhBMP-2支架新生骨面積明顯高于CPC和MCS/CPC支架，而且該支架材料機(jī)械性能良好，是一種理想的骨缺損修復(fù)材料。

周燁等[20]對8例下頜骨腫瘤病人，進(jìn)行CT和MRI掃描，應(yīng)用快速成型技術(shù)制作腫瘤模型和修復(fù)塊模型，通過三維重建，術(shù)前明確了腫瘤位置，術(shù)中引導(dǎo)骨腫瘤截骨，術(shù)后對手術(shù)效果進(jìn)行評價。結(jié)果顯示，8例病人無局部復(fù)發(fā)，無感染、松動、斷裂等并發(fā)癥發(fā)生，避免了腫瘤邊界切除不準(zhǔn)確及術(shù)后病理性骨折等并發(fā)癥發(fā)生。

金光輝等[21]用SLS技術(shù)構(gòu)建納米HA/PCL人工骨支架，觀察修復(fù)兔橈骨大段骨缺損效果。研究發(fā)現(xiàn)，術(shù)后12周，復(fù)合材料組材料植入?yún)^(qū)板層骨生成明顯，通過SLS技術(shù)，HA/PCL人工骨支架具有良好的組織結(jié)構(gòu)和生物相容性，結(jié)合種子細(xì)胞后能修復(fù)骨缺損，降解速率優(yōu)于純PCL人工骨支架。

2.3 3D打印人工器官和血管

據(jù)統(tǒng)計，我國每年有150萬的器官移植需求，但是只有1.5萬人能獲得合適的器官。3D打印技術(shù)的日漸成熟為新型器官移植提供了技術(shù)保障。相比較傳統(tǒng)的人造器官，3D生物打印制造的器官更容易被人體接受，可降解，并且可以代替損傷的器官。但如何保持組織工程里細(xì)胞的活性也是目前器官打印的難點。

劉媛媛等[22]采用生物3D打印和靜電紡絲制備可吸收血管支架，并將成纖維細(xì)胞負(fù)載到血管支架(CBVS)上，檢測其相容性、力學(xué)性能和細(xì)胞增殖情況。實驗表明，細(xì)胞可以良好地黏附在支架上，并有助于細(xì)胞增殖。

2.4 軟骨組織工程方面的應(yīng)用

軟骨組織是由膠原、一部分細(xì)胞以及水份組成。由于軟骨組織中軟骨細(xì)胞的代謝活性較低，且無血管分布，所以軟骨組織損傷后自我修復(fù)能力有限。雖然，目前軟骨組織工程仍處在實驗階段，距離有效臨床應(yīng)用尚有距離，但其發(fā)展速度和臨床應(yīng)用前景已被廣泛關(guān)注。

張維杰等[23]采用雙相聚乙二醇/β-磷酸三鈣骨制備軟骨復(fù)合支架，考察對軟骨缺損模型的修復(fù)情況。結(jié)果顯示，復(fù)合支架組術(shù)后軟骨明顯修復(fù)，未見明顯免疫排斥反應(yīng)及感染等并發(fā)癥。徐奕昊[24]通過3D打印技術(shù)構(gòu)建鼻翼軟骨，并將軟骨細(xì)胞PGA/PLA支架體外培養(yǎng)后，植入裸鼠皮下，發(fā)現(xiàn)體內(nèi)培養(yǎng)8周后的軟骨形態(tài)與人鼻翼軟骨無明顯差異。初步探討了應(yīng)用3D打印技術(shù)輔助構(gòu)建鼻翼軟骨的可行性，為臨床上鼻翼再造手術(shù)精細(xì)化要求提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。秦海燕等[25]選用聚氨酯彈性體為原材料，F(xiàn)DM打印人耳廓形態(tài)多孔支架，通過體內(nèi)和體外培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)支架的孔徑大小及支架的彈性與正常耳廓相當(dāng)，移植于裸鼠體內(nèi)也可以形成較為成熟的軟骨組織。

2.5 活細(xì)胞打印技術(shù)

3D打印可以精確控制細(xì)胞及細(xì)胞外基質(zhì)的分布，并形成與人體組織或器官類似的三維結(jié)構(gòu)。目前細(xì)胞打印技術(shù)僅探索性地開展了高通量制備含單細(xì)胞胞滴的研究。杭州電子科技大學(xué)自主研發(fā)出一臺生物材料3D生物打印機(jī)(Regenovo)，該機(jī)實現(xiàn)了無菌條件下的生物材料和細(xì)胞的3D生物打印，而且新型的溫控單元和打印噴頭設(shè)計，能夠支持從-5 ℃到260 ℃熔融的多種生物材料打印，支持活細(xì)胞打印，打印的細(xì)胞存活率高達(dá)90%，存活時間最長可達(dá)4個月[26]。劉冬生課題組[27]與英國瓦特大學(xué)Will Shu(舒文淼)等合作的DNA水凝膠材料已成功應(yīng)用于活細(xì)胞的3D生物打印，此凝膠可以通過多層打印實現(xiàn)厘米級結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，有足夠好的強(qiáng)度維持其形狀，不塌縮也不溶漲，可以被(特定的)DNA內(nèi)切酶迅速解離，且可以保持細(xì)胞活性。

2.6 制藥工程方面的應(yīng)用

傳統(tǒng)藥物制成一定劑型，對制劑的有效性、安全性、精密性要求很高，3D打印技術(shù)通過計算機(jī)精準(zhǔn)控制劑量、形狀，精準(zhǔn)控制藥物釋放達(dá)到實現(xiàn)個性化給藥，使藥物得到更有效的利用。

黃衛(wèi)東等[28]以慶大霉素為模型藥物，發(fā)現(xiàn)在掃描電鏡下，與傳統(tǒng)方法制備的藥物相比較，3D打印的藥物截面微孔更均勻、分布更好；在體外釋放方面，也能維持平穩(wěn)釋放濃度，釋藥特征與所設(shè)想的復(fù)雜釋藥行為一致?？梢钥闯?D打印成形技術(shù)應(yīng)用于制藥工程有著其他技術(shù)無法競爭的獨特優(yōu)勢。余燈廣等[29]應(yīng)用3D打印技術(shù)制備豆腐果苷零級控釋片，通過性能分析和體外釋藥試驗，結(jié)果控釋片中95.29%的豆腐果苷在7 h內(nèi)能以零級速率釋放，獲得所需要的藥物緩控釋效果，性能符合標(biāo)準(zhǔn)。

3 3D打印研究的瓶頸及研究前景

大量實驗及臨床試驗結(jié)果表明，3D打印技術(shù)在滿足個體獨特性方面具有其他技術(shù)無法競爭的優(yōu)勢。如制備3D醫(yī)學(xué)模型進(jìn)行臨床教學(xué)以及手術(shù)指導(dǎo)；結(jié)合種子細(xì)胞形成骨科支架材料，修復(fù)骨缺損；為新型器官移植提供了技術(shù)保障；輔助構(gòu)建軟骨組織，滿足臨床上軟骨再造手術(shù)的精細(xì)化要求；精確控制細(xì)胞及細(xì)胞外基質(zhì)的分布，形成與人體組織或器官類似的三維結(jié)構(gòu)；通過計算機(jī)精準(zhǔn)控制劑量、形狀，精準(zhǔn)控制藥物釋放實現(xiàn)個性化給藥；制備符合要求的精密的劑型，使藥物得到更有效的利用。

但打印材料的種類依然有限，是阻礙3D打印技術(shù)的主要瓶頸。目前可用的材料主要有塑料、樹脂和金屬等，而3D打印主要方式是將材料以“墨水”形式打出，并迅速固化。因此“墨水”在具有一般生物材料良好的生物相容性和可降解性的同時，還需考慮打印成型后，仍需保持原有生物活性和力學(xué)強(qiáng)度，這極大限制了3D打印的適用范圍?，F(xiàn)有的3D打印設(shè)備，只能打印中小尺寸物件，并且精密度隨著物件的增大而降低。受打印機(jī)工作原理的限制，打印生物材料多局限于化學(xué)聚合物，并且速度也很慢，不能滿足日益增長的需求。從監(jiān)管部門的角度來看，要求提供質(zhì)量穩(wěn)定、標(biāo)準(zhǔn)一致的產(chǎn)品，而3D是針對不同病人提供不同產(chǎn)品，與傳統(tǒng)監(jiān)管制度存在沖突。

3D打印技術(shù)涵蓋多門學(xué)科，其在生命科學(xué)領(lǐng)域必將成為未來研究熱點，對組織工程、再生醫(yī)學(xué)和醫(yī)療科研都將產(chǎn)生革命性的突破。

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