3D打印技術在醫(yī)學中的應用

康 興，馬正慧(綜述)，周歡娣，薛曉英(審校)

(河北醫(yī)科大學第二醫(yī)院放療科，河北 石家莊 050000)

3D打印技術是指在特定數字設計的基礎上，通過分層沉淀材料來構建物理對象的過程。3D生物打印技術則是活細胞和生物材料的同時打印，其使用計算機輔助的傳輸過程一層一層地打印來制造生物工程的結構。它為細胞、蛋白質、DNA、藥物顆粒、生長因子和生物活性物質的空間位置提供了非常精確的定位，從而更好地指導生物組織的形成。體外組織、器官模型是一個有用的平臺，可以促進對藥物、化學制品的系統(tǒng)性、重復性和定量的研究。在發(fā)展組織、器官模型時，主要的目標是模擬生理上相關的功能，這些功能通常需要復雜的培養(yǎng)系統(tǒng)。生物打印技術為構建三維組織器官模型提供了令人興奮的前景，因為它使復雜活體組織的再生性、自動化生產成為可能。同時生物打印的組織器官模型對某些疾病的治療、新型藥物篩選或毒性預測也有很大的作用[1]。目前，該技術已經逐漸用于臨床檢查診斷、指導治療策略，利用其打印出來的醫(yī)學工具、3D手術模型、組織器官假體、心臟補片等也已經用于臨床。在這篇綜述中，強調了3D生物打印技術在體外組織器官模型、腫瘤模型發(fā)展中的重要性，評估它們與原生組織的相似性，以及在藥物研究、毒性測試和疾病、腫瘤方面的應用。

1 3D生物打印技術醫(yī)療模型制作

1.1頜面部的應用

1.1.1耳朵 先天性的或者意外導致的疾病，例如小耳癥、無耳畸形，會引起耳部的損傷或者喪失，最常見的方法就是用假體或者被雕刻的肋骨軟骨替換受損的耳朵[2-4]。但是這些傳統(tǒng)的技術并不理想。利用3D生物打印技術可以制造出表面光滑、復雜的軟組織假體，與耳廓有類似的機械性能，并且價格低廉。此外，還可以使用彩色光譜儀來重現患者皮膚的顏色，用于臨床[5]。最近，報道了3例患有小耳癥的患者使用了3D打印的假耳[6]。其較之前的假體在形狀、質地、方向和顏色等方面都有改進。

1.1.2眼球 在生理光學和光學設計等領域的許多實驗中，必須仔細考慮眼睛的光學系統(tǒng)作用[5]。因此，需要眼球模型來獲得其詳細的生物學功能。有學者提出了調節(jié)依賴性的模型眼，其中角膜前表面是非球面的，晶狀體的表面也是非球面的，折射率是均一的，不過會隨著調節(jié)程度的變化而改變。最近，3D打印技術憑借其獨特的制造精密設備的能力，已經被用于制造眼球模型[7]。3D打印的模型與Navarro的模型相比，在眼球前室深度和總軸長度的計算上顯示出了更高的準確性。

1.1.3口腔 3D生物打印技術已經被應用于制作下頜骨重建的中間夾板和手術規(guī)劃模型，并且用于重建下頜骨和上頜骨的結構[8-10]。這是一個相對低成本、快速、方便和準確的過程。在正頜外科手術中，利用3D打印技術制作患者的下頜模型，在術前模擬手術步驟從而最后制作出中間和最后的夾板，對于手術的成功是十分重要的[9]。預制的三維模型可以幫助外科醫(yī)生精確地規(guī)劃手術的方向，并縮短手術時間。并且，基于CBCT數據可以制作出精度極高的3D打印牙復制品，用于牙齒自體移植或制造牙根模擬種植體。

1.2內臟器官

1.2.1肝臟 尸體的數量是有限的，無法滿足日益增長的肝移植的需求。因此，越來越多的患者在接受來自健康捐獻者的肝葉移植[11]。但是，這種方法容易產生一些風險，比如捐贈人可能會導致失血、周圍組織或者器官的損傷，甚至是死亡[5]。更重要的是，要預測移植肝臟的體積，避免產生大小尺寸不合適引起的綜合征[12]。外科醫(yī)生僅通過CT和MRI還不能精確地了解這些，3D打印技術就顯得很重要。它可以打印出供者和接受者肝臟的透明模型，并且其打印出的脈管系統(tǒng)數量準確，可用不同顏色來標記、顯示，可以使外科醫(yī)生精確的定位，設計手術計劃，提高手術成功率，縮短手術時間[11]。并且，3D打印模型也可以使外科醫(yī)生用同樣的方法定位到腫瘤的位置[5]。

1.2.2心臟 將3D生物打印的組織移植為心臟補片可能有助于心肌梗死后心臟功能的恢復[13]。有研究者將補片移植到被誘發(fā)心肌梗死的鼠模型中，最終生物打印的心臟補片增加了血管的形成，并且顯著改善了心臟的功能，此外，植入心臟補片后在梗死的心肌邊緣還顯示有血管增生[8]。最近，一些具有反復彎曲能力的類橡膠3D打印材料被證明具有與心血管組織相似的力學性能。此外，3D打印模型已經成功地用于幫助外科醫(yī)生進行手術規(guī)劃和術中定位，目前已經打印出了患有心室動脈瘤和惡性心臟腫瘤患者的三維心臟模型，同時也打印出了需要進行冠狀動脈搭橋術的患者的三維心臟模型。對這種復雜的手術來說，3D生物打印技術可以還原器官、病變的結構，使得術者在術前就清楚地了解到手術的范圍和位置，此外，在患者專用的3D打印模型上的模擬可以預測經導管主動脈瓣膜植入術實際手術過程中后椎旁靜脈瘺的發(fā)生，因此，生物打印手術模型尤其有價值[14]。

1.2.3腎臟 3D打印的腎臟模型有助于設計手術方案。腎臟病變的形狀和位置也被清晰地打印出來。在這個模型的幫助下，所有患者成功的進行了部分腎切除術，并對鄰近的健康的腎實質進行了適當的保留[15]。還有專家利用3D打印技術模擬了輸尿管膀胱的吻合，除了有膀胱周圍的脂肪外，還有單獨的黏膜層、漿膜層和肌層[16]。

2 腫瘤模型的建立

癌癥是世界上主要威脅人類生命的疾病之一，2012年全球有1 400萬例腫瘤新發(fā)病例、820萬例腫瘤相關死亡。在接下來的20年里，預計每年的病例數將從1 400萬增加到2 200萬。有上百種已知的腫瘤類型，即使在單一的腫瘤類型中，這種疾病也非常復雜，使得腫瘤的治療是一項艱巨而又艱難的任務。為了更好地理解腫瘤的發(fā)生和發(fā)展，需要更復雜的和更生理性的3D腫瘤模型，這些模型與體內腫瘤微環(huán)境密切相關。鑒于這些挑戰(zhàn)，生物打印技術表現出了在癌癥研究中的巨大潛力[14]。

2.13D腫瘤模型的優(yōu)勢 很多腫瘤生物學的研究是基于2D細胞培養(yǎng)模型得到的，傳統(tǒng)的2D細胞模型在描述腫瘤細胞行為和解釋腫瘤細胞生物學機制方面一定程度上是有效的。然而，因為結構、生物化學等因素的不足，其無法模仿真實生理組織中細胞與細胞、細胞與細胞外基質之間的相互作用。生物學研究表明，細胞在3D模型的環(huán)境中有不同的行為，例如：細胞形態(tài)、細胞功能、細胞分化、細胞增殖、藥物代謝、基因表達、蛋白質的合成和細胞的生存能力。3D模型可以模擬細胞與細胞之間，細胞與細胞外基質之間的相互作用。尤其對于腫瘤的研究，一個恰當的腫瘤三維模型必須通過復雜的設計原則來模擬腫瘤的侵襲性行為，以及腫瘤細胞間的相互作用[16]。

3D腫瘤模型的優(yōu)點包括:能夠聚集不同的細胞類型、能夠模擬腫瘤細胞的微環(huán)境(如細胞外基質)及腫瘤的球形結構、模擬化學擴散梯度。因此，腫瘤研究會從3D打印技術中受益。一項肝癌細胞HepG2的三維球形結構與其單層結構的比較研究中顯示，前者不僅增加了細胞和細胞粘連，還減少了細胞的凋亡。另有研究發(fā)現，3D水凝膠中培養(yǎng)的球形結構的卵巢癌細胞系(OV-MZ-6和SKOV-3)在接觸抗癌藥物紫杉醇后，其存活率高于2D培養(yǎng)基培養(yǎng)的癌細胞系的存活率。此外，研究者用3D打印的方法構建體外宮頸癌模型，在模型中，HeLa細胞被封裝在凝膠、藻朊酸鹽和纖維蛋白原的水凝膠混合物中，與2D傳統(tǒng)模型相比，3D模型中細胞的存活率和增殖率都較高，細胞聚集形成球形的能力以及HeLa細胞中與腫瘤轉移相關的因子基質金屬蛋白酶(matrix metalloprotein,MMP)蛋白表達也表現得更高[17]。專家認為，腫瘤細胞的3D立體球形培養(yǎng)使其形成一個中空的壞死核心，最中間的細胞生長在低氧的環(huán)境中，是靜止不動的，這與體內癌細胞生長的生物學行為相同，與臨床腫瘤標本觀察到的結果一致[17]。

3D立體球形的細胞培養(yǎng)展現出接近于真實的腫瘤組織的分化，化學物質的含量梯度，也可以模擬乏血管的腫瘤結節(jié)或者微小轉移。在基因表達的情況下，臨床上人類癌癥基因的表達譜與三維模型組織結構中的致瘤信號相似，但是與在2D環(huán)境中培養(yǎng)的腫瘤細胞卻不一樣。認識癌癥的發(fā)病機理，有必要在體外模擬出腫瘤細胞與細胞之間、腫瘤細胞與外基質之間的相互作用，在類似于體內的環(huán)境中可以獲得更多與生理相關的結果。因此，使用三維模型的癌癥研究在腫瘤微環(huán)境和腫瘤細胞空間分布的生物行為方面取得了更準確的表現，這對于癌癥的早期診斷和治療策略是至關重要的[17]。

2.23D打印技術在腫瘤臨床中的應用 傳統(tǒng)的技術已經能夠在一定程度上成功地制造出醫(yī)療器械，但是精確度不高，限制了它們在精密實驗中的應用。因為3D打印技術在制造硬件和儀器方面的精確性，其在腫瘤研究領域可以發(fā)揮重要作用。例如，在放射治療中，腫瘤由質子束直接輻射。放射物理學技術使得輻射只在癌細胞上起作用，減少了不良反應。距離補償器(range compensator,RC)可以使輻射劑量在目標組織的遠端與照射的表面分布一致，這是通過計算機化的銑床(computer milling machine，CMM)來完成的。然而，這種常規(guī)方式制作的距離補償器具有一定的局限性，比如由于制造其的工具的尺寸和形狀而導致的其低分辨率，使得劑量分布不一致。而3D打印技術可以提供更精確的幾何圖形。在一些婦科腫瘤的患者中，放療中的內照射是其中的一種治療方式，密封的放射源用中空的導管插入目標組織中，通過此種照射來治療腫瘤，其中使用3D打印的導管較常規(guī)制作的導管可以更加精確的插入到腫瘤部位，利于腫瘤的精確治療[17]。

3 藥物的研究與毒性篩查

藥物研發(fā)需要大量的資金和人力資源。盡管一直在努力去提高生產力，只有萬分之一的新藥物可以進入臨床試驗階段，四分之一的候選藥物進入市場。在藥物研究中提高對候選藥物效果和毒性的預測能力可以加速新藥物進入臨床的速度。由于跨種的差異，動物模型的實驗結果不能精確的預測在人體實驗中的結果，導致很多藥物在臨床試驗中的失敗。并且越來越多倫理方面的考慮，使動物實驗的應用受限。

3D打印模型是解決這個問題的理想模型，因為其可以模擬自然組織，并且可以應用于高通量的篩選實驗。在人體試驗之前，3D生物打印模型是替代或補充動物試驗的極好方法，因為生物打印技術具有較高的仿真性、高產量的制造能力，使得藥物測試重復進行成為可能。

2014年11月，Organovo制造了3D打印的肝臟組織模型，用于篩查肝臟毒性藥物。Organovo的系統(tǒng)可以檢測商業(yè)藥物的安全性和藥物的毒性。在癌癥藥物的研究中，一個合適的腫瘤三維模型必須可以模擬腫瘤的侵襲性行為與腫瘤細胞間的相互作用，這需要通過復雜的設計模型的原則來實現。使用3D生物打印方法生成的癌癥模型，可以使得癌細胞受到多種因素的作用，例如：類似的腫瘤微環(huán)境(如細胞外基質)，模擬腫瘤組織的球形結構，化學梯度及增值譜的存在[18]。因此，3D生物打印可以更好的構造一個更接近真實的腫瘤模型，有利于抗腫瘤藥物的研究。

在體外BT474乳腺癌細胞模型中，細胞聚集成球形，這些球體中間的空洞壞死核高表達低氧生物標記物HIF-1a，這與先前觀察到的在實際腫瘤球體中的結果是一致的，3D模型表現出內部靜止的細胞區(qū)域和外部增殖的細胞區(qū)域，可以使得藥物的發(fā)展靶向于內部的靜止細胞。另外，腫瘤的血管是有滲漏的組織發(fā)育不良的血管，這個特點影響藥物在正常組織與腫瘤組織中的傳遞，急迫需要一個合適的模型來模擬腫瘤血管這種結構來優(yōu)化藥物的大小和劑量，未來3D打印技術可能會用來模擬這種腫瘤的血管[15]。

除此之外，在個體化醫(yī)療中，根據性別、年齡、體重和種族的不同，對患者進行分類，可以得到理想的藥物劑量。3D生物印刷技術能夠生產出對于不同類型患者的精確藥物劑量，可以促進個性化醫(yī)療的進步。給兒童、成年人或老年人提供正確的藥物劑量和強度，能提高治療效率并降低其成本。1996年第1次使用生物打印技術來調節(jié)給藥，藥物釋放的時間和速率通過改變聚合物基質中模型藥物的組成、結構和位置來控制，他們的研究甚至可以使3D打印在平板電腦上提供精確劑量的藥物[19]。

4 展 望

3D生物打印技術制作的癌癥模型，能模擬3D腫瘤環(huán)境，能夠從模型中獲得更準確和可靠的數據，顯示了更大的細胞存活能力，更多的與生理相關的蛋白質表達譜，更顯著的增殖差異，更高的抗癌藥物的化學抗性，以及真實腫瘤的特征，進而更客觀地探究腫瘤的生長、侵襲、遷移等的規(guī)律，更好地轉化、更有針對性地解決臨床實際問題。為了擴大生物打印組織器官的臨床使用，新的生物材料的開發(fā)對于3D打印技術的發(fā)展至關重要，適當細胞源的選擇也是將生物技術轉化為臨床應用和藥物篩選應用的關鍵因素。

3D打印技術有巨大的吸引力和推動力，隨著對該技術的不斷探索、完善，必將在醫(yī)學領域研究出更多分子機制方面的內容，有利于使精準醫(yī)療、個體化醫(yī)療向前邁進，其技術的發(fā)展將會帶來越來越多的臨床應用。