3d打印技術醫(yī)學應用解決方案

1、9/6/2022 xxxxxxxxxxxxx第1頁9/6/2022 3D打印在生物中應用定義技術前景應用發(fā)展方向第2頁9/6/2022 3D生物打印技術定義 3D生物打印是以計算機三維模型為基礎，經(jīng)過軟件分層離散和數(shù)控成型方法，定位裝配生物材料或活細胞，制造醫(yī)療輔具、人工植入支架、組織器官等生物醫(yī)學產(chǎn)品3D打印技術，3D生物打印是當前3D打印技術研究最前沿領域。第3頁9/6/2022 3D生物打印技術前景 年，全球3D打印市場規(guī)模達28.2 億美元， 年進入快速發(fā)展期，三年復合增速達27%。Wohlers Associates 預測，未來幾年，該市場仍會保持近20%增加，到 年，行業(yè)規(guī)?；蜻_1

2、08 億美元，為當前5 倍。第4頁9/6/2022 3D生物打印技術前景 3D生物打印發(fā)展空間巨大源于三方面原因：全球醫(yī)療領域開支巨大，為3D打印技術提供了潛在發(fā)展空間； 現(xiàn)今社會存在一個健康危機，就是器官短缺。伴隨醫(yī)學不停進步，我們壽命較以前有了很大延長。問題是，我們活越久，我們身體器官就越輕易失靈，而當前，我們沒有足夠器官來替換。有數(shù)據(jù)表明，在過去十年里，需要移植器官病人增加了一倍，不過，器官移植手術并沒有增加。 第5頁9/6/2022 3D生物打印技術前景 3D打印技術以其快捷、準確性見長，以其個性化制造能力與病體需求差異性充分結合，在人工假體、人工組織器官制造方面產(chǎn)生巨大推進效應； 我

3、們知道， “3D打印”是通俗叫法，學術名稱為“快速原型制造 ”(Rapid Prototyping&Manufacturing)。它利用當代計算機技術，采取材料累加新成型原理，直接由CAD等數(shù)據(jù)打印自稱三維實體模型。 因為人體器官存在很大差異性，不適合采取常規(guī)模具來制作人工假肢等器官。這時，3D打印技術就顯現(xiàn)出它個性化能力了，我們只需要改變數(shù)據(jù)，就能夠完成器官制造。 第6頁9/6/2022 3D生物打印技術前景 相對其它領域來說，3D打印在醫(yī)療行業(yè)應用更含有經(jīng)濟性。 3D生物打印器官是用來替換失效器官，對此我們毫無選擇余地。尤其在現(xiàn)在這種情況下，需要移植器官病人遠遠比器官多時，其經(jīng)濟效益更是居

4、高不下。當然，當3D生物打印技術成熟以后，那時我們移植器官代價應該不會像現(xiàn)在那么高昂。第7頁9/6/2022 3D生物打印技術應用 3D細胞打印主要有三方面詳細應用： 作為醫(yī)學試驗研究工具。細胞打印產(chǎn)品包含組織和器官兩類，細胞準確定位和培養(yǎng)之后，形成結構具備生物特征，能夠作為很好醫(yī)學研究工具。 構建和修復組織器官。細胞打印成型組織和器官能夠依據(jù)病體需要進行器官移植和修復。第8頁9/6/2022 3D生物打印技術應用現(xiàn)階段，一些皮膚、脂肪組織能夠打印并用于修復。打印移植器官還在研究中，最有希望率先突破領域可能在人工肝臟方面。 做藥品研發(fā)領域藥品篩選模型。細胞打印成型組織和器官能夠用來進行藥品篩選

5、試驗，填補現(xiàn)階段蛋白篩選直接到動物體篩選技術缺失，提升藥品篩選效率和新藥研發(fā)速度。第9頁9/6/2022 3D生物打印技術應用 康奈爾大學機械工程與計算機科學技術教授胡迪利普森在年出版3D打印：從想象到現(xiàn)實一書中，提出了一個“3D打印生命階梯”概念。胡迪利普森認為：把身體各部位依據(jù)復雜性排列成一個很高階梯。無生命假肢會位于階梯底層；中層將是簡單活性組織，如骨與軟骨；簡單組織之上將會是靜脈和皮膚；最靠近階梯頂層將是復雜且關鍵器官，如心臟、肝臟和大腦；生命階梯頂層將是完整生命單位可能有一天將會是具備完整功效人造生命形式。如今，3D打印技術已經(jīng)實現(xiàn)所構想階梯底層，我們正在探索中間級并夢想著有一天能夠

6、抵達最高級。 第10頁9/6/2022 3D生物打印技術應用 當前，第一波3D打印身體部位商用浪潮已經(jīng)出現(xiàn)，3D打印假肢、牙冠、隱形眼鏡與助聽器等無生命修復形式已經(jīng)存在于世界各地成千上萬人體內(nèi)。 第11頁9/6/2022 3D生物打印技術應用 3D打印牙齒、助聽器以及矯正器過程都很相同：先對身體出現(xiàn)問題部位進行掃描，再將掃描數(shù)據(jù)發(fā)送到一個特殊試驗室，在那里這些數(shù)據(jù)被調(diào)整為可行性設計文件，最終，按照設計文件用軟橡膠、堅硬而有光澤陶瓷或者柔軟而有彈性透明塑料進行3D打印。 當前，3D打印身體部位采取單一材料，如金屬、陶瓷或塑料。它們可自定義形狀、可小批量生產(chǎn)，這些特征使它們成為3D打印完美對象。第

7、12頁9/6/2022 3D生物打印技術應用 伴隨技術發(fā)展，組織工程支架和植入物3D打印也日趨成熟。首先借助CT、ECT技術獲取人體模型器官模型，經(jīng)過3D技術處理：包含3D模型建立，然后對不一樣材料、部位進行建模。最終指導3D打印設備噴射生物相容性材料，形成所需要結構。3D打印在構建植入物微觀結構方面相對傳統(tǒng)工藝有很顯著優(yōu)勢。在美國，僅骨移植修復材料市場空間就達200億美元。另外，一些血管支架等領域應用也在逐步發(fā)展。 世界上首例由3D打印技術制作人工下頜骨移植手術于年6月在荷蘭進行，接收移植病人是名患有骨髓炎83歲女性。術后她恢復情況良好，新下頜骨并未影響她語言表示和進食能力。第13頁9/6/

8、2022 3D生物打印技術應用 第14頁9/6/2022 3D生物打印技術應用 年上六個月，普林斯頓大學研究人員成功打印出含有功效性仿生耳朵，造價1000美元（約合人民幣6000元）。研究人員表示，他們所創(chuàng)造出仿生學耳朵在能力上要遠遠超出正常人聽覺，甚至能夠聽到無線電頻率，因為這個耳朵組織是與電子技術結合在培養(yǎng)皿中生長。 科學家們選擇打印材料為水凝膠，接著用3D打印機打印出仿生耳朵，然后將從小牛身上獲取細胞注入水凝膠中，接著加入一個含有納米銀粒子聚合物，這種聚合物能夠傳輸無線射頻信號。最終將小牛細胞成長為軟骨組織，并圍繞一個線圈天線變硬。這么，一個仿生學耳朵就誕生了。第15頁9/6/2022

9、3D生物打印技術應用 第16頁9/6/2022 3D生物打印技術應用 器官短缺已經(jīng)成為一個全球性難題。長久以來，醫(yī)療行業(yè)投入了大量資源進行研究以期處理移植器官不足難題。而近期3D打印肝臟、3D打印腎臟等醫(yī)療領域取得突破，正讓整個醫(yī)療行業(yè)興奮不已。生物器官打印材料是組成器官細胞，從打印頭里出來不是無生命物質(zhì)，而是活細胞。 3D細胞打印是利用一層層生物結構塊，去制造真正活體組織。這種3D生物打印機有兩個打印頭，一個放置最多達8萬個人體細胞，被稱為“生物墨”；另一個可打印“生物紙”。所謂生物紙主要成份是水凝膠，可用作細胞生長支架。這種機器首先“打印”器官或動脈3D模型，接著將一層細胞置于另一層細胞之

10、上。打印完一圈“生物墨”細胞以后，接著打印一張“生物紙”凝膠。第17頁9/6/2022 3D生物打印技術應用 不停重復這一過程，直至打印完成新器官。隨即，自然生成細胞開始重新組織、熔合，形成新血管。每個血管大約需要一小時形成，而熔合在一起需要數(shù)天時間。 第18頁9/6/2022 3D生物打印技術應用 3D打印再造人體器官基本“生物墨”人體細胞制備理論近年也有重大突破。年英國科學家約翰戈登和日本科學家山中伸彌取得諾貝爾生理和醫(yī)學獎揭，獲獎理由為“發(fā)覺成熟細胞可被重編程變?yōu)槎嗄苄浴薄?01月30日，Nature雜志披露日本理化研究所小保方晴子團體將細胞暴露于弱酸性環(huán)境中，即可將其轉化為干細胞。平都

11、有25%細胞在酸性條件下存活，而其中30%則轉化為多能細胞較之前山中伸彌僅1%轉化率高出許多。伴隨干細胞誘導分化成特定功效細胞（比如肝細胞、胰島細胞等）技術逐步完善，3D打印再造人體器官基本“生物墨”距離最終處理并不遙遠。第19頁9/6/2022 3D生物打印技術應用 第20頁9/6/2022 3D生物打印技術應用 現(xiàn)階段，一些皮膚、脂肪組織能夠打印并用于修復。打印移植器官還在研究中，最有希望率先突破領域可能在人工肝臟方面。 當前 ，3D細胞打印還處于試驗室階段，距離商用還有很長路要走。而且面臨著形成組織強度不夠、培育組織存活問題以及缺乏電腦化工具等一系列難題。 當前，3D生物打印領域先驅是美

12、國Organovo企業(yè)。Organovo企業(yè)成立7年來，在3D生物打印領域取得了一系列引人矚目標突破，包含：打印第一個全細胞工程人體動脈；使用來自脂肪組織干細胞制造動脈；首次將生物打印組織植入活體（動物）體內(nèi)；3D打印含有全部生物活性和功效人體肝臟組織并保留了40天。第21頁9/6/2022 3D生物打印技術應用 在Organovo企業(yè)打印3D迷你肝臟過程中，3D打印機逐層打印肝臟細胞和血管內(nèi)壁細胞，一共打印了大約20層。血管內(nèi)壁細胞負責為肝細胞提供營養(yǎng)和氧。他們打印迷你肝臟能夠產(chǎn)生清蛋白、膽固醇和解毒酶細胞色素P450，代謝肝臟內(nèi)藥品。迷你肝臟結合了肝實質(zhì)細胞和星狀細胞層，所擁有結構和功效對

13、醫(yī)學研究含有主要意義。迷你肝臟能夠被疾病侵襲，允許研究人員觀察整個病變過程，也能夠施以藥品，用以了解藥品療效。第22頁9/6/2022 3D生物打印技術應用 第23頁9/6/2022 3D生物打印技術應用 Organovo企業(yè)科學家利用3D打印機打印出迷你肝臟，深0.5毫米，寬4毫米，擁有很多與真正肝臟一樣功效 第24頁9/6/2022 3D生物打印技術應用 心臟3D生物打印也取得了很大進展，它首先培育心臟活細胞，然后經(jīng)過打印頭按照設計好模型逐層打印。即使打印出來心臟只具備一部分心臟功效，但對我們來說是一個很大進步。 在網(wǎng)易公開課中，有一個名叫“怎樣打印出人類腎臟”演講，是外科醫(yī)生安東尼阿特拉展示怎樣用三維細胞打印機打印出人類腎臟視頻。因為視頻較長，有興趣同學能夠自己上網(wǎng)搜索。 下面是視頻一個截屏：第25頁9/6/2022 3D生物打印技術應用 第26頁9/6/2022 3D生物打印技術發(fā)展 現(xiàn)今，3D打印還處于初級階段，應用最多是各種假肢，人工組織等