打印生命——3D生物打印的發(fā)展現狀和趨勢綜述

1、打印生命3D生物打印的發(fā)展現狀和趨勢綜述摘要：近年來3D打印技術快速發(fā)展，其應用所涉領域越來越多。文章調查了3D打印技術在生物醫(yī)學領域的應用現狀和趨勢，分別從醫(yī)學模型快速建造、組織器官代替品制作、臉部修飾與美容、制備生物醫(yī)用高分子材料四個方面進行闡述，并就可能產生的問題進行思考。關鍵字：3D生物打印，醫(yī)學模型，器官代替品，臉部修飾，生物醫(yī)用高分子材料Abstract:three-dimensionalprinting(3DP)techniquedevelopsrapidlyinrecentyears,whichisappliedinmoreandmorefields.Thepaperinves

2、tigatesthat3DPtechniquestatusispresentedinthebiomedicinefield,whichisrepresentedfromfouraspectsincludingconstructingmedicalmodelsquickly,makingloanerfororgans,facialembellishmentandbeautifythefeatures,highpolymermaterialformedicine.moreover,problemswhichcancausearethought.Key：three-dimensionalbiolog

3、icalprintingtechnique,medicalmodels,loaderfororgans,facialembellishmenthighpolymermaterialformedicine引言來設想一個糟糕的情景，因為遭遇嚴重的車禍，很多受害者不得不面臨著下肢截肢手術，難道就此永遠坐在輪椅上？再也無法站立起來？不必沮喪，現在只需要幾個小時，就可以根據你的需要，量身定做一套專屬于你的植入器官。這或許在20年前根本不能想象，如今卻有可能通過3Dfc物打印機來實現3。當然所用材料不是墨水，而是生物墨水，即細胞。2013年4月，英國格拉斯哥大學宣布成功用3D打印機合成藥品；6月，美國華盛

4、頓兒科醫(yī)學中心利用3D打印技術，打印出全球第一顆像正常人一樣跳動的心臟,接連不斷的消息讓人們相信：3D打印在生物醫(yī)療領域將發(fā)揮神奇的作用1。那么，神奇的生物3D丁印技術究竟是彳f么呢？生物3D打印是以計算機三維模型為基礎，通過軟件分層離散和數控成型的方法，定位裝配生物材料或活細胞，制造人工植入支架、組織器官和醫(yī)療輔具等生物醫(yī)學產品的3D打印技術2。以3DTEP為代表的生物打印技術正在悄然改變著人類的世界，特別是在醫(yī)療領域的應用，不僅給醫(yī)生帶來了新的思路，也給患者帶來了希望3。本文就目前迅速發(fā)展的生物打印在不同方面的國內外現狀和前進趨勢進行了闡述，旨在幫助相關領域學者更好地了解3Dfc物打印現狀

5、與趨勢，促進我國在生物打印領域把握機遇、搶占先機，引領世界發(fā)展！正文3D生物打印的發(fā)展現狀醫(yī)學模型快速建造醫(yī)學道具、模型、用品等材料可通過3DT印獲得。利用3D丁印技術，可將計算機影像數據信息形成實體結構，用于醫(yī)學教學和手術模擬。傳統(tǒng)醫(yī)學教學模型制作方法時間長，且搬運過程容易損壞，使用3D丁印技術，可有效減少制作時間，根據需要隨時制作，并降低搬運損壞的風險。2013年6月，美國國家兒童醫(yī)學中心兒科心臟病學家勞拉奧利弗里通過使用CT掃描患者心臟圖像，利用一部價格約25萬美元的3D打印機，成功打印制作出人體真實復制患者疾病的心臟模型，打印出的模型能用于復雜手術術前研究，使手術操作人員更好地掌握患者

6、心臟結構，以此減少手術風險。美國某醫(yī)院在所實施的頭顱分離手術前，先使用3D丁印機造出了嬰兒連體頭顱模型，并對手術方案進行充分的研究分析。他們將往常同類型手術72小時耗時縮短到了22小時。目前，3D丁印醫(yī)學模型已獲得較好的技術支持，具備一定的打印速度，能使用多種材質進行打印，應用程度高，有著很好的應用前景4。組織器官代替品制作人體組織器官代替物的材料要求很高，實現難度大。但目前已有一些成功案例，比如復制人體骨骼，制作義肢等。比如，人體某塊骨骼缺失或損壞需要置換，首先可掃描對稱的骨骼，形成計算機圖形并做對稱變換，再打印制作出相應骨骼。與傳統(tǒng)方法相比，該技術不需要先制作模具，可直接打印，建造速度較快

7、。這項技術可應用于牙種植、骨骼移植等。在制造過程中，研究人員掃描患者骨骼需求位置情況，并設計出骨骼部件的模型，在機器作用下，材料就以層疊方式累積起來，經過固定成形，制成一個人造骨骼實物。一位比利時的83歲骨髓炎患者接受了下頜骨移植，所用的人造骨骼是一個3D丁印成品，而打印出的的下頜骨未對患者的語言和表達造成影響1。身體軟組織器官制作亦取得進展，報道顯示，美國某大學已利用該技術制作出人造耳。與此同時，微型人體肝臟也已被成功制造。美國加利福尼亞州的全球生物打印領域先驅Organovo公司在實驗室培育可移植肝臟過程中，取得一項重大突破"他們利用裝有細胞的3D丁印機打印出迷你肝臟，深0.5毫

8、米，寬4毫米，擁有很多與真實肝臟一樣的功能，包括產生負責將激素、鹽和藥物運送到身體各處的蛋白質"4。德國研究人員利用3D丁印機等相關技術，制作出柔韌的人造血管，并能使血管與人體融合，并同時解決了血管免遭人體排斥的問題。該技術不斷進步和應用的深入將有助于解決當前和今后人造器官短缺所面臨的困難。另外，Organovo公司已開始嘗試利用患者自身細胞“打印”靜脈，每個血管大約需要一小時形成，這些血管需要數天時間熔合在一起。打印出來的血管將會在動物身上進行試驗，進而嘗試臨床試驗。因為在我們體內幾乎任何地方都密布血管，所以，從血管開始作為生物打印的切入點具有重要的實際意義。雖然目前還處于早期測試

9、階段，但科研人員有信心利用這項技術在5年內制作出心臟搭橋手術中所需的動脈和靜脈血管3。美國北卡羅來納州溫斯頓-塞勒姆市維克森林大學科學家已用一臺3D打印機制造出一個腎臟原型。他們使用了加入細胞混合物的凝膠一樣的可生物降解腳手架，逐層構建腎臟5。2013年5月底，全球首例3D打印器官人體移植手術取得成功。密歇根大學公共醫(yī)療中心通過3D打印技術，制造了一段人工氣管，移植入一位只有六周的美國嬰兒體內。這名植入3D打印器官的男嬰患有先天性的氣管發(fā)育缺陷。由于氣管受到壓迫，逐漸出現呼吸困難，等待他的很可能是缺氧死亡。為了挽救他的生命，該所大學的生物醫(yī)學工程師大衛(wèi)措普夫，通過計算機設計了一條適合這個男嬰的

10、氣管支架模型，隨后將具有熱塑性的生物可吸收材料作為墨水，最后打印出一百條細小管道，通過電腦激光技術，堆砌出一層層不同形狀和體積的塑料薄層，從而制造出一段人工氣管10。民革黨員、杭州電子科技大學的徐銘恩教授帶領的團隊研發(fā)出了國內首款生物3D打印機。據了解，目前國際上已有的生物3D丁印機只有3款，但打印出的細胞存活率非常低，且都不是在無菌的條件下進行打印。而徐銘恩團隊制作出的這款生物3D打印機是全球首個采用無菌條件打印的生物打印機，其打印出的細胞存活率在90%認上，被國際頂級期刊Biomaterials稱之為生物3D打印領域的全球最高水平2。從2009年開始，北醫(yī)三院骨科就開展3D打印骨骼技術的動

11、物實驗研究。如今該項技術已經通過動物實驗，并于今年被正式批準進入臨床觀察階段。截至目前，已經有近40位患者在簽署知情同意之后，植入了3D打印機制造的鈦合金骨骼，并接受定期追蹤檢查5。清華大學孫偉團隊在國內率先實現的單個細胞生物3D打印，通過細胞組裝，模仿天然組織和器官的結構。這樣的活細胞3D打印，需要將打印噴頭控制在納米（十億分之一米）級，通過細胞直接裝配組織器官，或是在計算機控制下將干細胞等與基質材料、生長因子等一起構成微滴單元，裝配成三維結構后，在實驗室最終培養(yǎng)成所需的皮膚、心臟瓣膜等組織和器官。目前，這個團隊已經成功制成兔模骨、人工耳朵等產品?；钚源蠖稳斯す堑?D打印技術，已經開始申報臨

12、床實驗批號。另外，3Dfc物打印在牙齒治療中也逐漸被運用4。目前，北大口腔醫(yī)院主任醫(yī)師唐志輝等已經開始動物實驗，用生物3D打印技術完成補種牙等口腔修復。對補種牙的人來說，這意味著可以獲得一顆和之前幾乎一模一樣的牙齒4。器官將實現預約定制，按需所，可以最大化滿足患者的需求。患者不必再為了等待移植器官而苦苦煎熬，徹底解決目前醫(yī)療中器官難尋的局面；而且采用的是患者自身的細胞，可以避免排異性。我們就如同有了一個實時的個人器官庫，只要我們有需求，就可以隨時開機制造完全符合自身需求的器官。更具有社會意義的是，器官的自給自足也能夠從源頭杜絕器官買賣的罪惡12。臉部修飾與美容利用3D打印技術制作臉部損傷組織，

13、如耳、鼻、皮膚等，可以得到與患者精確匹配的相應組織，為患者重新塑造頭部完整形象，達到美觀效果。首先掃描臉部建立起3D計算機數據，醫(yī)生可以制作出患者所缺少的部位，重現原來面貌。比起傳統(tǒng)技術，該方法更精確，材質選擇更加多樣化。據報道，一位左半邊臉上長著腫瘤的患者，在做了切除手術后臉上留下了一個大洞。醫(yī)生利用3D打印技術為患者制作了一張假臉。制作中，首先全面掃描患者頭骨及面部，根據所得的結果分析并建立起原來的面部三維圖像，再打印輸出實物，通過使用特殊的材質，再打印制作出與面部完美貼合并且栩栩如生的假臉12。目前存在多種生物打印，在大部分情況下，醫(yī)生需要從患者身上獲取細胞，隨后進行培育，再移植給患者。

14、研究者們開始嘗試使用3D打印技術制造皮膚。“在打印皮膚組織上，浙并大學已有所突破?！闭憬髮W高分子科學與工程學系副教授毛崢偉介紹。他所在的課題組，以膠原一殼聚糖、硅橡膠皮膚等再生材料進行匹配皮膚再生過程的生物穩(wěn)定實驗，同時以基因技術促進血管生成和抑制斑痕，通過50多次動物實驗證明，缺損皮膚愈合時間加快，且真皮彈性可恢復至八成左右6。3D打印技術已經用于多種植入物，頭骨創(chuàng)傷的治療也可以使用通過直接金屬激光燒結技術過程和3D打印技術，生產鈦植入物。隨著3D打印技術所支持材質的增多，打印質量的精細化，以及美容市場的壯大，臉部修飾與美容應用將有更加廣闊的天地，應用水平亦將得到進一步提高。制備生物醫(yī)用高

15、分子材料3D打印技術不僅能實現材料與患者病變部位的完美匹配，而且能在微觀結構上調控材料的結構，以及細胞的排列，更有利于促進細胞的生長與分化，獲得理想的組織修復效果，因此，在近年來，3D打印技術被越來越多的應用于生物醫(yī)用材料的制備。韓國浦項科技大學Cho等使用PPF/HA為原料，制備了3D復合支架材料.獲得的支架材料的孔和骨架結構均一，且孔間相互貫通，使用HA粉末能有效地產生納米/微米尺度形態(tài).加入HA能進一步促進胚胎成骨細胞前體細胞在支架上的黏附和增殖。日本東京醫(yī)科大學的Matsuo等以聚（L浮L酸/HA）（PLLA/HA）為原料，制備了可吸收多孔托架，輔助牙齒移植材料一起，用于下頜骨腫瘤切除

16、后的下頜骨重建，獲得了比金屬鈦支架更好的修復效果。另外，以碳酸酯寡聚體-雙甲基丙烯酸酯（OCM-2）/HA為原料，利用立體印刷技術制成的復合材料能促進骨形成，以及材料與骨的結合。尤其是，材料經過超臨界CO2處理后，增加了材料與骨組織的接觸面積，顯著提高了材料的生物相容性。美國康奈爾大學的Butcher等以PEG-DA/藻酸鹽復合原料制備了主動脈瓣水凝膠支架。該水凝膠的彈性模量可在5.374.6kPa范圍內變化。制備較大的瓣膜可獲得更高的精確度。種植于水凝膠支架上的豬主動脈瓣間質細胞在培養(yǎng)21天后具有接近100%的存活率。另外，通過立體印刷技術，以甲基丙烯酸修飾的PLA-PEG-PLA三嵌段共聚

17、物為原料，可以制備出多孔或非多孔水凝膠，材料具有較窄的孔徑分布、良好的貫通性和力學性質。所得的水凝膠能促進人間充質干細胞的黏附和生長。美國Therics公司的Sherwood等通過3DP技術，制備了上層組分為PLGA/PLLA下層為PLGA/TCP的軟骨-骨復合支架。上層軟骨支架區(qū)的孔隙率為90%,而下層成骨區(qū)孔隙率控制在55%。研究發(fā)現軟骨細胞更傾向于黏附于支架的軟骨支架區(qū)，培養(yǎng)6周后可以看到軟骨組織的形成。支架的成骨區(qū)力學強度可以達到與人新生松質骨同一數量級.該研究為完全關節(jié)重建技術提供了一種新的方案。美國斯克里普斯研究所的D'Lima等以天然牛股骨牌制成體外軟骨缺損模型，以PEG

18、DMA/軟骨細胞混合溶液為生物墨水，在紫外光照下，在軟骨缺損部位進行原位打印。該方法打印成型的PEG水凝膠的壓縮模量與天然關節(jié)軟骨接近.打印后軟骨細胞能在水凝膠支架內均勻分布，而且細胞存活率要比生物墨水先沉積后再進行光照聚合的成型方法高26%。值得注意的是，打印后支架能與周圍的天然組織緊密結合，該性質對于未來體內組織缺損的原位修復非常重要。該方法為開發(fā)能直接應用于體內的原位生物打印技術，進行組織缺損原位修復提供了一個重要的手段3D生物打印的發(fā)展趨勢如上所述，3D生物打印技術在一些領域應用成效明顯，它給人們帶來了福音。然而，3D打印技術應用將不止于此。首先，3D打印技術將有力克服組織損壞與器官衰

19、竭的困難。當3D生物打印速度提高到一定水平，所支持的材質更加精細全面，且打出的組織器官免遭人體自身排斥時，每個人專屬的組織器官都能隨時打出，這就相當于為每個人建立了自己的組織器官儲備系統(tǒng)。患者有需要即可進行更換，這樣，人類將有力克服組織壞死、器官衰竭等困難。其次，表皮修復、美容應用水平也將進一步提高。隨著打印精準度和材質適應性的提高，身體各部分組織將能更加精細的修整與融合，所制作的材質自然而然成為身體的一部分，有助于打造出更符合審美的人體特征。再次，目前，藥物研究大多需要各種級別的動物實驗和人體試驗。未來通過3D打印的模式器官來檢測藥物試驗效果，不但有利于縮短臨床藥物研發(fā)周期，還將可能避免潛在

20、的人體試驗損害。有專家估測，如果藥物生產商采用3D打印器官進行藥物開發(fā)或試驗，平均每種藥物可節(jié)省上億美元研發(fā)費用最后，當3D打印設備逐步普及后，在一些緊急情況下，還可利用3D打印機制作醫(yī)療用品，如導管、手術工具、衣服、手套等，可使用品更加適合個體，同時減少獲取環(huán)節(jié)和時間，臨時解決醫(yī)療用品不足的問題12。但3D生物打印技術還處于起步階段還有很多沒有克服的難關。人體的最大問題是它的不規(guī)則形狀。每一個人體都是一個像銀河般復雜的生物世界。身體是不斷變化的。隨著我們的環(huán)境、情緒以及食物的不斷變化，它們也會喜怒無常、不斷變化。無數細胞每天以人們尚不能充分理解的神秘方式生長、愈合和變化，目前還沒有解碼細胞彼

21、此間如何傳遞信號。比如目前以細胞為“生物墨水”的活性組織打印，復雜的血管系統(tǒng)仍然是組織工程學需要攻克的難關，相當于“四分鐘跑一英里”的極限，如果沒有血管系統(tǒng)提供養(yǎng)分并帶走廢物的“高速路”，3D器官結構中的活細胞將迅速死亡。另一個人類尚未解決的問題是活細胞需要一個“啟動”按鈕。目前，盡管科學研究可以將細胞以完美的形狀放在支架上的正確位置，但是仍然沒有人準確地知道如何啟動種子細胞。自然知道如何讓一個器官開始運作，人類仍不知道。3D生物打印需要多學科協同的科研。比如個性化數據分析與建模、機械學與工藝控制、生物學與醫(yī)學、材料學。尤其是材料的作用，保持再生組織器官的外形，提供必要的力學支撐，調控細胞的行為，為細胞生長提供物理空間6。結論盡管3D生物打印技術顯示出巨大的潛在優(yōu)勢，但距離大規(guī)模的工業(yè)實際應用還有較長的一段距離。當前，國內的3D生物打印企業(yè)還很難完全依靠市場生存，需要政府對該產業(yè)在資金扶持、稅收、市場引導等方面實施一系列長期穩(wěn)定的扶持政策。概括起來，為加快推動中國3D生物打印技術研發(fā)和產業(yè)化，特提出如下政策建議：一是加強頂層設計和統(tǒng)籌規(guī)劃。建議中國應該高度重視3D生物打印技術可能帶來的產業(yè)變革，深入研判全球3D生物打印技術及產業(yè)化的發(fā)展趨勢，制定符合中國國情的3D生物打印技術及產業(yè)化中長期發(fā)展戰(zhàn)略和行動計劃。二是加大對3D生物打印技術的研發(fā)和產業(yè)化投入。三是加快3D生物打印的試點