3D打印技术在神经外科中的应用

符锋 张赛

3D打印技术在神经外科中的应用

符锋 张赛

神经系统损伤因其高死亡率和高致残率，是所有年龄阶段人群共同面临的一个严峻的公共健康问题。神经再生成为了医学界在理论研究和临床实践上的关注点。随着组织工程学的发展，三维（threedimensional，3D）打印技术已被逐渐用于神经外科中，如制造术前模型、组织工程支架、制造个性化植入物等[1]。今天主要简析3D打印技术发展历史、技术原理及分类、医学领域应用现状、神经修复中的应用及其未来发展方向等五个方面。

一、3D打印技术的定义及其发展历史

首先，我们先来了解下3D打印技术的定义及其发展历史。3D打印即原型制造，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

问世30年以来，3D打印技术经历了突飞猛进的发展：（1）1986年，Charles Hull开发了第一台商业3D打印机；（2）20世纪九十年代广泛应用于航空航天、工业设计、汽车制造和土木工程等领域；（3）21世纪初，该技术开始应用于组织工程学；（4）近年，3D打印广泛应用于医学领域：包括模拟教学、术前规划、手术模板、假体制造和生物打印等；（5）2014年被时代周刊评为最佳发明，2015年被纳入我国先进制造技术发展项目。

二、3D打印技术原理及分类

原理：不同种类的3D打印系统因所用成形材料不同，成形原理也有所不同，但都是基于离散堆积原理，也就是分层制造、逐层叠加的方法。一般3D打印涉及以下4个过程：（1）创建一个三维模型；（2）将该模型分割成一系列有序的二维层面；（3）在计算机控制下逐层打印制造；（4）根据需求，进行相应的后期处理（如去除支撑结构、纳米水平的表面改性）。这样一来，像内部空隙、悬臂、狭窄的弯曲结构的复杂三维形状都被简化为点、线、圆等打印途径。

分类：自3D打印技术问世以来，已经发展多种类型成型技术，今天主要简单介绍4种较为流行的3D打印技术，它们分别是：（1）熔融沉积技术：丝状材料在喷嘴内加热融化，从挤出喷头后固化形成截面；（2）液相结合喷墨技术：喷嘴挤压出液体粘合剂使载物台的粉末材料粘接形成截面；（3）选择性激光固化技术：激光器对粉末材料或光敏材料进行选择性固化形成截面；（4）生物打印技术：喷头将细胞和液体材料复合物高压挤出形成截面。

三、3D打印技术在医学领域的应用现状

3D打印技术所具有的快速性、准确性，及擅长制作复杂形状实体的特性使它在生物医学领域应用广泛。3D打印技术在医学界的应用，是从制备术前可视化模型和工具模型开始的。现主要用于：个性化医疗、基于细胞的生物打印及制造提供细胞三维环境的支架。

（一）基于3D打印支架的体外三维培养细胞

体内细胞是在三维空间中生长、繁殖、分化并发挥其特定生物学功能的。体外细胞培养的一个重要原则是要最大程度地模拟体内细胞生长环境。3D打印技术可以设计制造出模拟细胞外基质的三维支架，进一步促进细胞生长、增殖和分化。

（二）基于3D打印的个性化医疗制造

每个人的身体构造、病理状况都存在特殊性和差异化，当3D打印与医学影像建模、与仿真技术结合之后，就能够通过个性化术前规划、人工假体、植入体制造等实现精准治疗。

1.个性化医疗基本原理为：获取患者个性化影像学数据（CT/MRI/CTA/X线等），重建目标器官或部位，计算机辅助设计建模，最后经3D打印获得成品。

2.术前规划经历了二维图像分析、三维可视化，到如今，已经可以实现个性化模型的术前仿真操作。临床应用中，我们根据患者影像学数据而为特别定制3D打印模型，可以清楚直观地显示病变位置、有助于设计手术方式。可以说，一个3D模型就胜过了千言万语。

3.两个最新的案例展现出了此项技术的优势。（1）日本筑波大学2015年7月宣布已研发出3D打印个性化肝脏模型的方法。该模型外部为肝脏形状，内部详细地再现其血管和病变位置，这将有助于术前确认手术顺序并向患者说明治疗方法。（2）2015年8月，美国迈阿密儿童医院有1例“完全型肺静脉畸形引流”的4岁女孩，医生借助3D打印技术，复制了女孩心脏的3D模型，复制出女孩的心脏模型，成功地制定出了1个复杂的矫正手术方案并为小女孩实施了永久手术，拯救了其生命。

（三）基于患者的个性化3D打印植入物

近来，科学家们通过定制个性化植入物，一次又一次地证实了3D打印这项技术的价值。2013年，美国工程师在获得食品和药物管理局批准后，利用CT扫描数据，成功打印出钛金属网用于重建缺损颅骨，并首次成功植入人体；2014年，北京大学研究团队成功地为1名12岁男孩植入了3D打印脊椎，这种植入物可以跟现有骨骼非常好地结合起来，而且还能缩短病人的康复时间。此外，研究人员还在上面设计了微孔洞，它能帮助骨骼在合金之间生长，换言之，植入进去的3D打印脊椎将跟原脊柱牢牢地生长在一起而不会松动；澳大利亚的CSIRO公司创造了一种钛制的胸骨和肋骨，该制品与1例胸壁肉瘤术后患者的胸骨及肋骨的几何学结构完全吻合。

（四）基于细胞的生物3D打印叩响器官打印大门

基于细胞的生物3D打印是3D打印技术研究的最前沿领域。2013年，杭州捷诺公司首创了3D打印肝单元技术：3D生物打印机接受控制指令，将肝细胞精确定位于组织器官三维模型上，制造出的肝单元现已被用于药物测试；2015年8月，首个3D生物打印的全细胞人体肾脏组织模型问世，该模型将用于药物疗效和毒性测试，也可对疾病在活组织内部的活动进行建模；2015年10月，世界首创的3D生物血管打印机由四川蓝光英诺公司成功研制问世。该款血管打印机能在短时间内打印出含有独特中空结构、多层不同种类细胞的血管。

四、3D打印在神经修复中的应用

（一）基于患者的个性化神经外科术前规划及手术模板

神经系统尤为复杂，神经外科手术领域的术前规划显得十分迫切和必要。为此，3D打印技术在神经外科手术领域也得到广泛应用[2]。（1）日本东京大学在CTA数据基础上，3D打印出头颅及未破裂脑动脉瘤模型；（2）美国学者Jason等分别利用MRI、 CT数据重建并打印出大脑、颅骨模型，辅助术前确定合适的电极覆盖范围。这些模型都是神经外科手术仿真和规划的有用工具，有助于和患者及家属沟通，也能为医师提供提前实践的机会，提高手术成功率。

（二）基于3D打印支架的神经修复

应用于神经修复的3D打印技术有两大核心内容：支架结构设计和生物“墨”的选择。现阶段，学者主要从形状、方向和孔径大小等方面研究了支架结构对细胞生长的影响[3]。（1）几何形状：仿生支架材料内部的几何形状设计是模拟细胞外基质三维拓扑结构的关键。如研究发现含V形和螺旋孔结构的支架能影响施旺细胞的形态和排列；（2）支架通道方向：内部通道和凹槽在空间方向上的差异可构成横截面积不同的支架，进而影响附着在上的细胞迁移和增殖。例如Darice实验小组总结了几点关于支架修复大脑皮层时的设计原则：通道方向朝向皮层时有利于星形细胞渗透；微沟方向取决于细胞迁移和神经元排列的方向；使支架内通道充分交叉可利于细胞迁移和组织形成；（3）内部通道孔径和孔隙：支架内部适宜的孔径大小和密度可以为细胞运送足够的营养和氧气， 从而提高细胞生存率。 例如Domingos等发现大的四边形孔径能增强骨髓间充质干细胞生存力和增殖力。

3D打印修复神经创伤的另一项核心内容是生物“墨”（即支架材料）的选择。研究发现支架材料的理化性质能对细胞的信号表达和分化产生显著影响。现应用神经修复的材料主要分为天然材料、合成材料及复合材料，它们都有各自的特点和应用范围[4]。（1）天然材料主要有：胶原蛋白、壳聚糖、弹力蛋白、透明质酸等。特点是具有优良的生物相容性，且原料来源广泛，但生物力学功能欠佳；（2）合成材料主要有：有机硅、聚丙烯、聚己内酯等。特点是可以根据所处不同的温度、pH值、离子强度、电场和光而发生变化；但生物相容性欠佳；（3）复合材料：可以通过不同的材料组合设计复合材料，由此获得排斥反应小、降解速度可控的材料。

人体脑皮层组织模拟及构建：大脑仍是我们身体中最重要却最不了解的器官，主要是因为它的复杂性及体内研究的局限性。美国塔弗斯大学的生物工程师以丝素蛋白为基础，复合细胞外基质材料和原代皮质神经元，3D打印构建了一个模块化的三维脑皮质组织。这种组织可用于体外评估大脑对机械损伤的反应。

基于细胞的神经组织生物3D打印：神经断裂是一种使人生活质量受到严重影响的疾病。当前的修复金标准是感觉神经和静脉组织的自体移植。然而，这种需要二次手术的修补术可能会导致继发感染等并发症。美国密苏里大学Owens等[5]报告了一种生物3D打印神经管的方法，该小组以琼脂糖为支撑结构，逐层将骨髓间充质干细胞和施旺细胞与胶原的复合物打印成神经管，并在植入该神经管的大鼠坐骨神经损伤模型中检测到了运动和感觉功能的变化。此项技术为神经再生研究奠定了基础。

3D打印支架修复神经组织：为了促进组织愈合和再生，桥接组织空腔和限制胶质瘢痕形成是十分必要的。研究发现，宏观与微观均被精确控制的3D打印仿生支架可通过调节损伤周围炎性反应，减少瘢痕组织的形成。支架还可通过桥接组织空腔，促进轴突再生并延伸至损伤侧。

五、3D打印修复神经损伤研究的未来发展方向

就目前的发展来看，3D打印技术在神经修复领域已有所发展，但其整体水平仍处于研究开发阶段[6]。要实现3D打印技术与神经修复的融合及临床转化，我们还需要在以下几方面努力。

提高分辨率：也就是在不改变形状、强度和操作性的前提下，提高支架打印的精度。比如，可以通过增加粘合剂对激光的敏感度达到创建更加小型化和复杂化的结构。此外，需要探索去除支撑结构更容易的方法。

探索更加适合生物材料：当前，虽已有许多天然材料和合成材料应用于神经修复。但是，仍需要进一步探索能同时满足3D打印仪器要求和具有神经修复功能的材料。

打印过程中完成纳米水平的材料表面改性：尽管在过去5年时间里，宏观和微观水平的制造技术阔步向前。但是由于当前3D打印技术苛刻的加工条件（加热、有机溶剂），生化分子一般不直接加入到支架中，而是在后期处理中添加。因此，研究在支架制造过程中直接加入促进神经生长和分化的生化分子的方法变得很必要。

材料的降解动力学和副产品研究：支架降解时间必须与组织修复时间相适应，否则长期存在体内的支架会使物质传输受阻，继发性缺氧和酸性降解物也将恶化组织环境，由此损害种子细胞和周围细胞。因此，材料的降解动力学和副产品也是神经修复中需要考虑的重要问题。

[1]Mandrycky C,Wang Z,Kim K,et al.3D bioprinting for engineering complex tissues[J].Biotechnol Adv,2016,34(4):422-434.

[2]Klein GT,Lu Y,Wang MY.3D printing and neurosurgery-ready for prime time[J].World Neurosurg,2013,80(3-4):233-235.

[3]Wust S,Muller R,Hofmann S.3D Bioprinting of complex channels-Effects of material,orientation,geometry,and cell embedding[J].J Biomed Mater Res A,2015,103(8):2558-2570.

[4]Chia HN,Wu BM.Recent advances in 3D printing of biomaterials[J].J Biol Eng,2015,9:4.

[5]Owens CM,Marga F,Forgacs G,et al.Biofabrication and testing of a fully cellular nerve graft[J].Biofabrication,2013,5(4):045007.

[6]Sears NA,Seshadri DR,Dhavalikar PS,et al.A Review of Three-Dimensional Printing in Tissue Engineering[J].Tissue Eng Part B Rev,2016,22(4):298-310.

2016-06-03）

（本文编辑：张丽）

10.3877/cma.j.issn.2095-9141.2016.05.014

300162 天津，武警后勤学院附属医院脑科中心

张赛，Email：zhangsai718@vip.126.com

符锋,张赛.3D打印技术在神经外科中的应用[J/CD].中华神经创伤外科电子杂志,2016,2(5):318-320.