3D打印在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的征程

早期3D打印技術(shù)是一種快速原型技術(shù)，時至今日除塑料原型外，復(fù)雜發(fā)動機部件、房屋、食物甚至人體器官都可實現(xiàn)3D打印。醫(yī)療領(lǐng)域是3D打印的主要市場之一,廣泛應(yīng)用于定制假牙、助聽器外殼、手術(shù)和醫(yī)療模型、矯形和修復(fù)部件以及人造髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)植入物等方面。

3D打印醫(yī)學(xué)模具和結(jié)構(gòu)
制作“模具”或身體部位模型是3D打印技術(shù)的一個獨特用途。有了身體部位模型，醫(yī)生在準備、規(guī)劃或優(yōu)化復(fù)雜的醫(yī)療操作或程序時可直觀地觀察到患者的身體器官。

更進一步技術(shù)發(fā)展是3D生物打印技術(shù)，是將活細胞層沉積到凝膠介質(zhì)上以生產(chǎn)3D生物功能結(jié)構(gòu)，其最終目標是將3D打印技術(shù)應(yīng)用到組織工程（TE）方面以制造出器官和身體結(jié)構(gòu)。

3D打印的數(shù)據(jù)處理流程

在獲取到內(nèi)臟的醫(yī)學(xué)成像數(shù)據(jù)后，要進一步根據(jù)數(shù)據(jù)建立細分的數(shù)據(jù)體系，然后把醫(yī)學(xué)數(shù)字圖片和通信（DICOM, Digital Imaging and Communication in Medicine）文件轉(zhuǎn)換成用于3D打印的立體成像或標準鑲嵌語言格式（STL, Stereolithography or Standard Tessellation Language）或者是其他文件格式。最后計算機輔助打印。圖片來源：Yoo S J, Thabit O, Kim E K, et al. 3D printing in medicine of congenital heart diseases[J]. 3D Printing in Medicine, 2015, 2(1): 3.

隨著成像技術(shù)如多排螺旋CT（MD-CT）和磁共振成像（MRI）的發(fā)展，放射診斷的放射性已經(jīng)變得越來越小，同時能夠得到更大的信息量，其可在短時間內(nèi)獲取高分辨率的3D圖像數(shù)據(jù)。圖像處理在以高保真度呈現(xiàn)人體器官和結(jié)構(gòu)方面扮演著越來越重要的角色，尤其是在3D打印中，更是起著基礎(chǔ)作用。

3D打印模擬組織的醫(yī)學(xué)模具
計算機輔助設(shè)計（CAD）、醫(yī)學(xué)成像和3D打印技術(shù)方面的最新進展已經(jīng)提供了一種快速且成本效益不錯的方法，該方法根據(jù)個人的CT或MRI結(jié)果重建計算模型從而生成患者特定模擬組織的醫(yī)學(xué)模型。

Biglino等利用Stratasys公司（位于美國明尼蘇達州Eden Prairie市）的PolyJetTM技術(shù)制造柔性動脈模型。這是一種增材制造技術(shù)，PolyJetTM技術(shù)先使用孔口噴射逐層沉積的液體光敏聚合物，然后通過紫外線（UV）照射使其固化。在這項研究中使用了一種名為TangoPlus的類似橡膠的材料，因為它的機械性能接近于真實的組織。

這樣的模型能夠給醫(yī)生以觸覺反饋，可以直接在模具上操作并且能夠幫助醫(yī)生對患者的結(jié)構(gòu)和潛在病理有一個全面的了解。在很多情況下，可以幫助和加快手術(shù)進程，縮短醫(yī)療程序的周期。

外科手術(shù)或訓(xùn)練模型

a: 顯示心臟安裝在一個圖形設(shè)計的平臺上。

b: 外科訓(xùn)練的四個范例模型。

c: 3D打印模型，左心發(fā)育不全，外科醫(yī)生在此基礎(chǔ)上進行諾伍德手術(shù)。

圖片來源：Yoo S J, Thabit O, Kim E K, et al. 3D printing in medicine of congenital heart diseases[J]. 3D Printing in Medicine, 2015, 2(1): 3.

與放射學(xué)相關(guān)的醫(yī)學(xué)模具
3D打印技術(shù)已被用于制造具有不同衰減區(qū)域的放射學(xué)真實模型。研究者采用多層印刷技術(shù)構(gòu)建具有真實病理情況、解剖結(jié)構(gòu)和異質(zhì)性的肝臟和腦部模型。將患者肝臟和頭部CT圖像分割成組織、血管、肝臟病變、白質(zhì)和灰質(zhì)以及腦脊液。根據(jù)掃描數(shù)據(jù)，將不同的打印材料對應(yīng)到這些物質(zhì)上。

打印出的肝臟模具與患者的肝臟具有相似的紋理。大腦模型的CT圖像，與患者真實大腦的CT圖具有極高相似度。這些模具具有與真實組織類似的非均相和真實的病理，可被用于圖像質(zhì)量評估、輻射測試等。

生理醫(yī)學(xué)模具
具有患者特異性和模擬組織的醫(yī)學(xué)模具包含個體化信息，并在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用和臨床領(lǐng)域具有重大潛力，3D打印技術(shù)已被證明是制造這種模型的有效方法。

主動脈根部的CT圖像、3D計算模型

和3D打印的生理體模例子

（a）、（b）和（c）分別顯示升主動脈和瓣膜的CT橫截面圖和縱向視圖；

（d）、（e）和（f）分別表示從升主動脈、左心室流出道（LVOT）和側(cè)面觀察的3D計算模型，主動脈壁和小葉被半透明地描繪，鈣化被繪成紅色，嵌入的纖維被繪成綠色；

（g）、（h）和（i）顯示3D印刷的生理體模。為了更好地說明，鈣化和纖維用黑色材料印刷。

但是現(xiàn)有的3D打印技術(shù)在模仿人體器官組織方面仍然存在不足，許多人體器官結(jié)構(gòu)如心臟瓣膜，由于定向的組織結(jié)構(gòu)而具有各向異性的力學(xué)性質(zhì)；然而，常規(guī)的3D打印模具不具有各向異性力學(xué)性能。

因此，大多數(shù)3D打印的醫(yī)學(xué)模具，甚至那些具有患者特異性和組織模仿特征的模具，僅在解剖學(xué)上而非生理學(xué)上接近人體器官的結(jié)構(gòu)。

再生組織和器官的增材制造
由于對組織器官移植的需求日益增加及組織器官供體的不足，人們在TE領(lǐng)域已經(jīng)做出了許多努力來開發(fā)真實人體組織和器官的生物替代品。TE使用具有高孔隙率和相互連接性的生物可降解支架來為細胞生長和重組提供形狀、機械支撐和微結(jié)構(gòu)以改善和加速修復(fù)過程。在這方面，TE支架的設(shè)計在治療成功率方面起主導(dǎo)作用。

然而，要精確控制支架的孔隙率和內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，以控制氧氣、營養(yǎng)物和可溶性生物分子來促進細胞生長和分化仍然十分困難。此外，指導(dǎo)不同類型TE支架細胞生長，以形成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的功能組仍然是工程設(shè)計的難題。

生物打印的三個最重要和最完善的技術(shù)是激光誘導(dǎo)向前轉(zhuǎn)移（LIFT）、噴墨生物打印和機器人噴涂。激光誘導(dǎo)向前轉(zhuǎn)移（LIFT）是一種可以將細胞沉積到接收基底上的技術(shù)。

通常，將激光脈沖束施加在包含源油墨（即水凝膠和細胞）的供體載玻片或帶上，隨后蒸發(fā)油墨使高壓氣泡朝向位于供體載玻片下方的接收基板噴射。通過控制供體載玻片或基底的移動，沉積的2D圖案可以在逐層融合中形成3D結(jié)構(gòu)。

噴墨打印也可以用來構(gòu)建多種細胞類型的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。已有研究者使用熱噴墨打印機制作了由干細胞、平滑肌細胞和內(nèi)皮細胞組成的餅狀3D構(gòu)建體。

與普通噴墨打印方法（通常將墨水噴射到固體基質(zhì)上以獲得3D構(gòu)建體）相反，將細胞與氯化鈣（CaCl2）組合以形成生物墨水，并將墨水噴射到藻酸鹽-膠原溶液中。

由于形成了Ca2+-藻酸鹽復(fù)合物的“蛋盒”螯合結(jié)構(gòu)，聚合物溶液表面受墨滴影響的部分瞬間固化。體外實驗的結(jié)果表明打印的細胞能夠在3D構(gòu)建體中存活、增殖并維持細胞功能。

用于生物打印的機器人噴涂允許通過氣動或機械驅(qū)動的方式以逐層方式，分配生物聚合物或合成生物聚合物來制造毫米級的3D構(gòu)建體。由多種細胞類型組成的微型組織（即球體和類器官）可以作為打印構(gòu)件。

增材制造技術(shù)的最新進展使得幾個新的TE路徑成為可能，尤其是現(xiàn)在有了新的增材制造技術(shù)，以下三種方法得以快速發(fā)展：
開發(fā)混合支架材料以實現(xiàn)支架特性的可調(diào)性；
特殊微結(jié)構(gòu)設(shè)計以實現(xiàn)支架的可轉(zhuǎn)換性；
集成傳感器以實現(xiàn)內(nèi)置過程監(jiān)控能力。

來源：知領(lǐng)