3D打印技术在基础医学领域应用的研究进展

柳云恩，曹志强，侯明晓

3D打印技术是一种以三维数字模型文件为基础，应用金属铸造砂或光敏树脂等可黏合材料，通过逐层打印的方式将材料构筑成既定模型的技术。它无需机械加工或模具，可以将设计通过电脑上的数据图形精确直接地转化为实物，从而为零件原型制作、新设计的产生，尤其是复杂的高难度的模型制作提供了一种快速的、高效率、低成本的制造手段。在医学领域，初期因打印材料的影响，3D打印快速成型只能用于打印无生物活性的假体。但随着新材料的研发，满足快速成型打印的材料也由金属、塑料等发展为凝胶和细胞等混合材料［1］。3D打印技术正迈向生物活性的新时代，其在临床的应用也越来越广泛。目前主要应用于医学方面的3D打印技术有:选区激光融化技术(SLM)、选择性激光烧结技术(SLS)、三维喷印成型(3DP)、激光固化成型(SLA)和熔融沉积造型术(FDM)。

1 在临床医学领域的应用

在医学领域，3D打印技术主要用途有医学模型制造、手术策划、手术辅助器械及定制医学植入物。Sodian等［2］利用3D打印患者心脏及术中涉及的血管模型提前进行练习和方案制订，成功完成冠状动脉搭桥术后患者的主动脉瓣置换术。Juergens等［3］利用3D打印技术设计并制作出弧形下颌牵张成骨器，帮助行下颌骨部分切除再造手术患者的移植骨瓣生长。Ma等［4］将3D打印塑形导板应用于桡骨远端畸形截骨术中，发现它对于尺桡骨远端畸形和腕部骨折患者的矫正有较好的效果。Klein等［5］利用3D打印技术打印出的人工关节完成了首例人工全下颌置换术，患者术后恢复了大部分的语言及吞咽功能。而随着材料技术的不断发展，3D打印材料也研发出了液体、凝胶、细胞等［1］，3D打印在医学领域的作用也在不断拓宽，如生物打印与组织工程。Zopf等［6］报道了通过植入3D打印制造的可吸收人造气管缓解气管软化症的病例，由于材料的可吸收性，人造气管将在几年后逐渐降解，患儿正常的气管发育将不受影响，而3D打印技术的精确性则保证了定制的人工气管快速精确地制造出来。

2 在基础医学领域的研究进展

2.1 3D打印材料发展对基础研究的推动 3D打印不但在临床应用上逐渐成为热点，在基础研究的运用也在被逐步尝试开发。有一些是通过对于材料的改进来使得3D打印的人工骨或修复材料具有更好的性能，如Seitz等［7］开发的一种陶瓷类骨修复材料，Quadrani等［8］运用多孔羟基磷灰石作为骨修复材料，Smith等［9］用金属钛和聚己内酯(PCL)混合作为硬组织修复材料。而近年，随着材料的研发向着生物相容性发展［10］，生物材料则逐步兴起，Saijo等［11］应用磷酸钙粉末及生物材料制备的人工假体可以直接植入人体并令患者满意，Cooper等［12］将骨形态发生蛋白2(BMP-2)打印于无细胞真皮基质上来诱导颅骨的生成形态，Fedorovich等［13］将高黏度海藻酸钠与骨髓基质结合打印出网格状三维结构并植入小鼠体内进行进一步研究。还有一些则注重于组织工程打印，所用材料是组织工程支架、细胞和细胞活性因子等。目前的3D打印技术已经可以应用无细胞毒性的材料打印出人体胚胎干细胞和其他多种细胞而不杀死细胞。Markstedt等［14］就应用纳米纤维素海藻酸钠成功打印出了人软骨细胞，打印出的细胞存活率很高。

2.2 3D打印血管的研究进展 由于临床对于血管以及相关移植物的需求，有很多学者致力于人造血管形成方面的研究。2006年Boland等［15］将藻酸盐水凝胶和牛血管内皮细胞同时打印，成功打印出具有活性的毛细血管厚度的支架性结构，为3D血管打印的发展奠定了基础。Norotte等［16］应用生物凝胶球体进行3D打印帮助无支架的小直径血管快速成型，Blaeser等［17］于液体碳氟化合物环境中用琼脂糖凝胶打印出类似于分支血管的中空3D结构，Ormiston等［18］已经将3D打印的可吸收冠状动脉支架做了Ⅰ期临床试验。

2.3 3D打印器官的研究进展 目前，人造器官是3D打印基础研究方面的热点之一。虽然早在2003年Mironov等［19-20］就提出了将3D打印的器官用于器官移植，但由于对器官打印的关键——细胞供氧、输送营养以及排泄废物的系统方面的研究不足，故3D打印器官主要集中在结构相对简单、不需复杂血供的组织器官上，如皮肤和人造内耳等［21-22］。但随着对打印器官中供血供氧所需系统的不断研究，有研究者为3D打印器官的血管形成进行了有益的探索:Miller等［23］用糖打印出一个可降解的使血管按照既定方向生长的网络支架，而随着糖支架的自动融化，组织内将生成新的管道系统;Wang等［24］则应用噬菌体纳米纤维对间充质细胞进行活化，使其向内皮细胞和成骨细胞方向分化，从而诱导3D打印骨支架植入体中的血管生成和骨生成;王均等［25］研究发现，利用3D打印技术设计个体化截骨模板，可大大提高截骨的精确性;Poldervaart等［26］证实血管内皮生长因子(VEGF)可以有助于3D打印产物中血管的生成及长期存在。

2.4 3D打印在肿瘤治疗中的研究进展 3D打印在肿瘤研究方面的贡献更是毋庸置疑的，它不仅可以打印出局部病变的实体模型，使医务者能更直观、全方位地了解手术部位的内部解剖条件，还可方便医务者制订更加详尽的手术计划和模拟手术过程，使手术可以更高效顺利地实施［27-28］。在肿瘤的基础研究中，3D打印可发挥更加重要的作用。现今肿瘤的体外研究大多使用培养液或培养基，此类试验所产生的结果由于模拟环境与体内差异过大，常常导致研究结果与应用的差异。应用3D打印可以使恶性肿瘤的体外研究条件更加接近于人体内部的真实情况。多个研究表明，上皮细胞、神经细胞和内皮组织在三维胶原凝胶中以球体形式存在［29-33］，胚胎干细胞在其中也可以发育为拟胚体［34-35］，这使得模型更接近于实际。Xu等［36］以正常成纤维细胞和癌细胞为原料，并将其打印在基质胶上形成二者的3D共培养模型，此种方法不仅使得二者在打印过程中继续保持细胞活性，并且可以在之后继续增殖，这不但有利于研究肿瘤细胞与基质之间的相互作用及基质，更为研发有效的抗肿瘤药物提供了一个高通量的筛选工具。Zhao等［37］以 Hela细胞和明胶/海藻酸钠/纤维蛋白原水凝胶为原料，运用3D打印技术构建了体外卵巢癌模型，90%的细胞在打印过程中仍保持活性，打印出的Hela细胞仍有着较高的增殖率及形成细胞团的倾向，并且显示出基质金属蛋白酶的高表达和化疗抵抗。

2.5 3D打印在其他方面的研究进展 除了在以上基础研究方面的应用外，近年来很多研究将3D打印用于改善各种实验方法，使实验结果更加准确和高效。Singh等［38］研究表明，3D打印可以提高酶联免疫吸附实验(ELISA)检验感染性疾病时的敏感性，并能缩短实验时间，使ELISA试验更为高效。此外，3D打印在药物研发应用方面也有着很大的助力，生物陶瓷及其复合材料可以3D打印出载体，有助于药物的释放［39］，通过3D打印制备个体化药物可以拓宽药物的治疗指数［40］。

3 前景展望

尽管3D打印在基础医学领域研究方面有一定的应用，但仍较局限，未来的发展空间依然很大。随着3D打印技术的逐步完善，现今所产生的问题如打印时细胞排列的精准度、新型生物支架的研发、血管营养通道的构建及细胞活性打印过程中所受热能和流体力学的影响等均将会被解决。现今不同学科也在相互联系、不断促进，相信随着3D打印在现有基础研究中的深入以及不同学科间的交流，该技术在基础医学领域的应用也必将越来越广泛，使得基础医学研究跃上到一个新的平台，从而为各种疾病的临床诊治工作提供更加坚实有力的后盾。

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