人体器官3-D打印研究进展

人体器官3-D打印研究进展

徐惟1高志华丁晓慧丛敬解辉周慧

(沈阳医学院，辽宁沈阳110034)

关键词〔〕3-D打印；人体器官

中图分类号〔〕R318〔文献标识码〕A〔

基金项目：沈阳医学院科技

通讯作者：周慧(1982-)，女，讲师，博士，主要从事生物工程研究。

1沈阳军区总医院

第一作者：徐惟(1982-)，男，主治医师，硕士，主要从事胸外科研究。

人体器官3-D打印是指利用影像学〔CT磁共振成像(MRI)〕知识以及计算机辅助技术虚拟构建出所需物体的空间结构，然后使用相关材料，分层打印出实体的一种组织工程学技术。该项技术的特点有高精度、速度快、按需打印等。 但是在力学、生物学等方面有一定的不足。本文通过检索近年国内外3-D打印技术在人体器官打印领域中应用的相关文献，并进行综合分析。

13-D打印技术及其原理

3-D打印技术又称“添加制造”技术。 2009年美国材料与试验协会(ASTM)成立的3-D打印技术委员会F42 对此项技术定义为：一种与传统的材料去除加工方法相反，基于三维数字模型，通常采用逐层制造方式将材料结合起来的工艺。由于其技术原理参考了目前商用打印机，故称其为“打印机”。

23-D打印技术与人体器官3-D打印的关系

中国每年因末期器官衰竭而需要器官移植的人大约有150万，但实际只有不到1万的器官可以使用，供求比例达到1∶150〔1〕。且这些患者的数量每年正在以超过10%的增量增长。而人体器官3-D打印技术的发展可能会为这些患者提供一线希望。近年来,3-D打印技术已被应用到组织工程学中，希望利用3-D打印技术实现体外组织、器官的复制〔2〕。如果3-D打印技术和克隆技术相结合则有希望解决免疫排斥反应〔3〕。Miornov等〔4〕提出的器官打印为以上希望的现实带来了一个可能的方案，细胞具有融合趋势是其生物学理论基础，而细胞本身的复制行为以及细胞与细胞、细胞外基质间的相互作用即是天然存在的自组装过程〔5〕。

3实现人体器官3-D打印的步骤

3.1前期处理阶段首先利用影像学技术获取所需打印器官的资料。 CT 、MRI 是该步骤数据获取的主要来源。高分辨率是其主要特点，此外，MRI 图像在区别不同种类的软组织以及对密度相似物体的区分效果极佳。而最近研究的 MCT(Micro CT,LCT ) 技术已能观察到组织的微观结构。 最后根据实际需要调整部分参数，从而得到最佳数据。

3.2器官打印阶段运用计算机等设备将上述步骤得到的数据，构建成产品模型，并自动把产品按一定方式进行虚拟“分割”，同时将数据传输到3-D打印机，打印机就会进行打印。打印过程中的关键在于打印机的喷嘴，喷嘴的打印力度必须适当，从而保护细胞和组织的生命力。由Bolnad等〔6〕设计研究，将细胞或细胞聚集体及可生物降解并处于溶胶状态的热敏凝胶，分别置于打印机的各个喷嘴中,用计算机控制各类细胞或细胞聚集体，细胞与凝胶间的比例及喷嘴的喷射位置和力度，逐层进行打印。热敏凝胶经喷出后即由溶胶状态变成凝胶状态，这一状态的改变，不仅可以为细胞培养提供框架,还类似于普通打印中的纸张，在打印过程中作为基底成分。

3.3后续处理阶段将上述过程得到的器官置于适当的环境培养成熟〔7〕。整个过程都严格要求无菌操作，通过加入有助于细胞生长的生长因子、氧气，增强培养条件等方法使其成熟，最终得到所需器官。

4人体器官3-D打印技术的临床应用

德国的Gunter Tovar博士已经成功的利用人体器官3-D打印技术制造出人工血管，其生物学特点与人体自身血管极其相似。瑞士Christian Weinand 领导的研究小组顺利的复制了他自己的拇指骨〔8〕，取得了很大的进步。北京大学的薛世华等〔8〕成功完成了人牙髓细胞共混物的三维生物打印。Petzold 等〔9〕在小儿颅缝早闭及颅颌面畸形患者的术前手术计划中也应用了该技术，后期观察临床效果良好。此外，该技术在心脏外科以及神经外科等领域也被成功应用。Brown 等〔10〕将该技术应用于117例复杂手术者，术后随访观察效果极佳。比利时 Hasselt 大学 BIOMED研究所成功的为1例83岁患者实施人工下颌骨置换术，术后第1天患者便恢复部分说话、吞咽功能〔11〕。王臻等〔12〕为1例14岁右股骨下段骨肉瘤术后复发患儿施行保肢手术，手术圆满完成。He等〔13〕利用该技术制备了半膝关节和人工骨模具，术后随访表明该复合半膝关节假体与周围组织、骨骼匹配良好，并且具有足够的机械强度，效果极佳。Faulkner-Jones等〔14〕已经利用该技术打印出人造肝组织。

5人体器官3-D打印技术的优势

(1)高精度。(2)可同时打印细胞和支架材料。(3)高效率。(4)可实现按需打印。(5) 从根本上解决免疫排斥反应。(6)所需生产成本低。(7)有助于医生准确了解组织的细微结构及病变与周围结构的关系，研究手术方案〔15〕。

6人体器官3-D打印技术中的难题

(1) 细胞过于脆弱，容易死亡。(2)3-D 数据的获取不准确。(3) 支架材料的可降解性及降解时间，孔径大小等都对其打印结果有影响〔15〕。(4)花费材料多。(5)所需材料价格极高。

7前景展望

人体器官3-D打印技术能在体外实现所需组织器官的复制。由于打印过程中所用细胞来自患者自身，故能最大的减少免疫排斥反应。同时可实现高精度，高效率，按需打印等。具有广泛的使用价值。对等待器官移植以及因严重车祸等需要器官移植的患者来说，人体器官3-D打印技术的发展无疑是开辟了一条新的道路。在临床及科研等方面具有深远的发展前景。同时，由于该技术正处于初步发展阶段，在力学、生物学等方面有一定的不足。在支架材料的选择及性能等方面面临着一些难题。需要广大人才的积极参与和研究。面对人体器官3-D打印技术的发展趋势和存在问题，必须致力于研究核心技术，广泛参考国内外优秀资源，予以结合，早日实现人体器官3-D打印技术在临床的应用。

8参考文献

1Huang J,Mao Y,Millis JM.Government policy and organ transplantation in China〔J〕.Lancet,2008;372(9654):1937-8.

2Ozbolat IT,Yu Y.Bioprinting toward organ fabrication:challenges and future trends〔J〕.IEEE Trans Biomed Eng,2013;60(3):691-9.

3高宏君.3D打印技术在器官移植中的应用设想〔J〕.器官移植,2013;4(5):256-7,303.

4Mironov V，Boland T,Trusk T,etal.Organ Printing:computer-aided jet-based 3D tissue engineering〔J〕.Trends Biotehnol,2003;(21):157-61.

5张先恩.生物结构自组装〔J〕.科学通报,2009;54(18):2682-90.

6Boland T,Mironov V,Gutowska A,etal.Cell and organ printing 2:fusion of cell aggregates in three-dimensional gels〔J〕.Anatomical Rec A Discov Mol Cell Evol Biol,2003;272(2):497-502.

7Weinand C,Gupta R,Weinberg E,etal.Toward regenerating a human thumb in situ〔J〕.Tissue Eng Part A,2009;15(9):2605-15.

8薛世华,吕培军,王勇,等.人牙髓细胞共混物三维生物打印技术〔J〕.北京大学学报:医学版,2013;45(1):105-8.

9Petzold R,Zeilhofer HF,Kalender WA.Rapid protyping technology in medicine-basics and applications〔J〕.Comput Med Imaging Graph,1999;23(5):277-84.

10Brown GA,Firoozabakhsh K,De Coster TA,etal.Rapid prototyping:the future of trauma surgery〔J〕.J Bone Joint Surg Am,2003;85(14):49-55.

11Klein GT,Lu Y,Wang MY.3D printing and neurosurgery-ready for prime time〔J〕.World Neurosurg,2013;80(3-4):233.

12王臻,腾勇,李涤尘,等.基于快速成型的个体化人工半膝关节的研制——计算机辅助设计与制造〔J〕.中国修复重建外科杂志,2004;18(5):347-51.

13He J,Li D,Lu B,etal.Custom fabrication of a composite hemi-knee joint based on rapid prototyping〔J〕.Rapid Prototyp J,2006;12(4):198-205.

14Faulkner-Jones A,Greenhough S,King JA,etal.Development of a valve-based cell printer for the formation of human embryonic stem cell spheroid aggregates〔J〕.Biofabrication,2013;5(1):015013.

15王成焘.硬组织外科临床数字技术系统研究〔J〕.中国骨科临床与基础研究杂志,2010;2(2):87-91.

〔2014-11-25修回〕

(编辑袁左鸣/滕欣航)