将3D打印技术融入组织工程学实验课程的探讨

李 慧，柯 渔，薛 巍

（暨南大学 生物医学工程系 生物材料广东高校重点实验室，广东 广州 510632）

组织工程学是一门结合工程学和生命科学原理兴起的新兴交叉学科[1]，其主要目的是研究和开发人体各种组织或器官替代物，用于修复缺损的器官，恢复其基本形态和生理功能，达到治疗疾病的目的。从1987年美国国家科学基金会提出这一概念距今已经有30多年[2]，随着生命科学、材料学、医学、力学和工程学等多学科的迅速发展和渗透交叉，组织工程学的发展也取得了令人瞩目的成果。我国人口众多，对器官移植或修复的需求越来越大，因此急需培养一批掌握组织工程先进技术的复合型专业人才，推动组织工程研究和实验技术的全面发展。

3D打印又称为“快速成型”（rapid prototyping,RP），最早由查尔斯赫尔于20世纪80年代提出[3]。3D打印技术基于计算机数控模型，结合光、机、电及新材料于一体，已广泛应用在生物医学工程领域，如体外器官仿生模型打印、个性化假肢假体设计、个性化植入体制造、组织工程支架的制造，以及活体细胞和组织的打印等[4]，具体应用如图1所示。3D打印技术作为一项先进的制造技术，越来越多地应用于组织工程领域，并有望突破传统组织工程支架的障碍，因此，有必要在组织工程学实验课程引入 3D打印，使学生将理论与实践相结合，更深入地掌握组织工程领域最先进的技术。

图1 3D打印技术在生物医学工程领域的应用

1 组织工程学实验教学现状

我校生物医学工程系是我国最早从事生物材料研究的单位之一，于1999年获批广东省高校生物材料重点实验室，2011年获批人工器官与材料教育部工程中心，2016年获批广东省生物医学工程实验教学示范中心，具有良好的生物材料研究基础。3D打印作为一种新兴的材料加工成型方式，对生物材料学科的发展起到了重要的作用。组织工程学研究的内容主要包括种子细胞、生物材料、构建组织器官的方法和技术、组织工程的临床应用等4个方面。我校开设的组织工程学实验课，面向生物医学工程专业本科生，主要围绕种子细胞培养和组织工程支架构建两方面，并从课程内容、课程设置等方面不断进行改革。考虑到课程安排在三年级，学生已在低年级学习了基础的生物学、生物材料学、生物材料加工工艺等课程。因此，2012年我们对实验课程内容进行调整，在组织工程支架制备上引入了先进的静电纺丝技术。通过采用该技术，制备PLA等聚合物组织工程支架，然后培养种子细胞，研究细胞在支架上的黏附、增殖及分化。

随着近几年组织工程技术的更新和实验室 3D打印设备的引进，我们认为很有必要再次对实验内容进行改革，在支架材料制备上引入 3D打印技术，使学生将课堂上学到的先进技术引入实验室，同时对实验内容、教学方式和考核机制进行调整，不仅有利于培养学生扎实的组织工程学基础知识和技能，掌握先进技术，而且能激发学生开展组织工程学相关领域科学研究的兴趣与潜能。

2 3D打印实验教学的优势

3D打印技术是近年来新兴的一种快速成型技术，实验技术要求较高，面向学生开设 3D打印实验教学具有以下优点。

（1）提升学生创新思维和设计能力。3D打印技术能够打破传统材料加工技术的限制，实现个性化、精细化打印。打印过程需要学生不断调整参数对模型进行优化，并可以把自己的创意转化为现实的功能化产品，能够有效开发学生的创新思维，激发学生的创作设计热情，充分发挥学生的主观能动性。

（2）促进学科间的交叉融合。3D打印技术集先进材料技术、三维建模技术、加工制造技术等多门专业知识于一体，是多门课程和学科的融合，要求学生具有材料学、加工工艺学、机械制图、计算机等专业知识，还要求有生物学知识背景，因此有助于实现学科间实验的有机整合，促进学科间的交叉渗透，为培养复合型人才奠定有力的基础。

（3）丰富教学模式。在传统的实验教学中不断融入新的技术能够有效丰富教学模式，提高学生的实验兴趣。3D打印技术作为一种新型实验技术和教学方式，在传统的实验教学中引入数字化、智能化的概念，使实验内容和教学手段多样化，能调动学生的积极性和参与度，使课堂气氛更为活跃，教学效果更为突出。

3 3D打印技术融入组织工程学实验的教学内容探讨

在组织工程学原有实验内容基础上，引入 3D打印技术，不仅要让学生了解 3D打印的原理、构造、操作流程等基础知识，还要让学生掌握可用于 3D打印的生物材料，同时结合原有的静电纺丝增材制造技术，比较几种组织工程支架制造先进技术之间的差异，拓宽学生的知识面，让其知识更成体系。为此，设计了几种实验教学项目。

3.1 综合实验——3D打印与静电纺丝对比

组织工程研究的关键是尽可能模拟人体细胞外基质，作为细胞支架保持细胞存活并行使正常功能。最近的发展趋势包括使用静电纺丝技术制造纤维网络支架。静电纺丝技术利用高压电场力连续制备纤维，形成的支架比表面积大、孔隙率高。这种微纳结构接近天然细胞外基质环境，利于细胞粘附、生长、迁移以及组织再生，在组织工程中显示出较大的应用潜力[5]。静电纺丝制作的纤维材料常为二维膜，存在孔径尺寸不足和厚度低于“块状支架”的问题，在临床应用中存在一些挑战。3D打印技术基于电脑控制和计算机辅助设计（CAD）或计算机断层扫描技术（CT），运用粉末状材料逐层打印[6]。3D打印精度较高，可打印复杂结构并可快速成型，但机械强度较低。

单纯从理论上为学生讲解上述两种技术的原理、特点和优缺点，较为抽象，容易导致学生机械式记忆，不能深刻领悟先进技术的精髓。因此，在组织工程实验课程的原有静电纺丝制备支架基础上加入 3D打印技术，将其设计成综合性实验，让学生对同一种生物材料（如可降解性脂肪族聚酯PLA、PCL等）采取不同的加工制造技术，之后再对不同技术制备的支架材料从形貌、力学性能、生物学功能等方面进行对比，让学生亲自操作仪器。通过查阅文献资料，调整参数，不仅可以使学生掌握先进仪器的操作技能，还能使学生更直观、更深刻地理解两种技术的原理、制备材料的设计思路，以及不同技术的特点和优缺点，进一步加强学生的认知能力和实践能力。

3.2 开放实验——3D打印与静电纺丝结合

基于非纤维结构的 3D打印支架机械强度很低，不适合组织再生，因此最近组织工程领域许多研究集中在将静电纺丝技术与 3D打印技术结合，实现两种先进技术的优势互补。费城天普大学Gerstenhabe教授团队使用 3D打印机，结合静电纺丝技术，发明了一种直接打印到患者皮肤上的生物基个性化绷带，实现了提高舒适度和促进伤口愈合的完美契合。上海大学刘媛媛等将 3D生物打印和静电纺丝技术结合，制备了复合生物可吸收血管支架用于血管狭窄的治疗[7]。东华大学莫秀梅教授（通信作者）等将静电纺丝、3D打印等技术相结合，将静电纺丝二维纤维制成了外观形状精确、力学性能良好、孔径结构可控的三维纤维支架，应用于软骨组织再生[8]。浙江大学计剑教授（通信作者）通过结合静电纺丝和 3D打印两种技术，制备了一种3D设计性可快速变形和性能增强的水凝胶，开辟了快速变形水凝胶致动器的应用前景[9]。

综上所述，在组织工程实验课程中增加开放性实验，让学生在教师团队指导下，通过查阅文献，自己尝试探索正确的材料组合，将静电纺丝和 3D打印两种技术有机结合，并不断优化条件，改善原有支架材料存在的缺陷，解决实际科学问题，将教师的科研成果有效引入本科教学中，能够有效促进科教融合。同时，也能鼓励学生早日走进实验室参与科研实践，有助于培养学生的科研思维能力、独立分析问题与解决问题的能力。

3.3 创新实验——学生自主设计3D打印模型

3D生物打印技术基于计算机三维模型，精确定位装载生物材料或活细胞，制造体外医学模型、医疗器械辅助工具、人工植入支架、人工组织器官等生物医学工程产品[10]。3D打印未来有望实现体外或体内直接打印活体器官或组织，从而替换功能障碍的器官或组织，解决目前临床移植供体不足的问题。

在培养本科生 3D打印技术过程中，首先应培养学生的空间想象能力，让学生学会用立体思维方式去分析问题和解决问题。目前 3D打印常用的材料有金属、陶瓷、聚合物（如PLA、ABS、PCL）、复合材料、光敏树脂等。在组织工程实验课程中增加 3D打印模型自主设计部分，让学生自主选择材料，根据自己的兴趣设计不同形状、不同功能的模具。这一方式不仅有助于让学生深刻了解 3D打印机的构造和原理、三维建模方式，了解不同材料的性能和加工方式，还能掌握整套先进工艺的制造流程与设计思路，同时能激发学生的创作热情，提高其自主学习能力。

4 教学方式和考核机制的完善

在组织工程实验中引入 3D打印技术的同时，也必将对教学方式和考核体系进行相应的改革，改革的出发点是充分发挥学生的主观能动性，突出学生在课堂上的主体地位。

4.1 “N+1”自主选择实验教学模式

为了充分调动学生实验的积极性与主动学习的热情，真正体现学生的主体地位，采取了“N+1”自主选择实验教学模式。如图2所示，“N”指在实验教师指导下完成的传统组织工程学实验，其中包括种子细胞培养系列技术（细胞的复苏与冻存、细胞传代培养等）、组织工程支架制备技术、支架生物学评价技术。“1”指学生自主选择的3D打印实验，学生从综合实验、开放实验、创新实验三种模式中自主选择一项实验内容，2~4人一组，自由组合实验团队。实验团队成员通过查阅资料、确定实验方案等，共同完成实验项目。

图2 “N+1”自主选择实验教学模式

在“N+1”实验教学模式中，学生自主选择生物材料，教师不再指定实验所用的材料，学生通过查阅文献了解不同材料的特性和适用范围，从常用的生物材料中自己选择一种进行实验设计，也可以同时采用几种材料进行比较分析。通过以上方式，打破了传统的教师指定实验材料，限定实验内容的机械式实验操作，发挥了学生的主体作用，不仅能有效激励学生主动参与实验，还能促进学生间的相互交流，营造良好的学习氛围。

4.2 教师团队梯度指导

课程设计采取教师团队梯度指导模式，指导教师包括实验教师，以及专门成立的组织工程学实验科研教师团队。首先由实验教师指导学生完成传统的组织工程学实验，确保学生掌握基本的组织工程学实验知识与技能。之后实验教师公布3D打印设计实验方案，让学生自主选择实验课题，成立实验团队，并在科研教师团队中选定一位教师作为课程设计导师，充分查阅文献确定设计题目与方案。科研教师对课程设计方案进行可行性分析，方案通过后与学生讨论实验细节，与实验教师共同指导学生完成实验，并参与学生的实验课成绩考核，鼓励与帮助学生完成后续的科研成果发表工作。教师团队梯度指导模式能够充分保障学生的个性化设计，有效提升学生的科研思维能力，同时依靠科研教师的指导，可以进一步在本科教学中结合教师的科研成果，促进科教融合。

4.3 完善考核体系

考核体系是课程体系的重要组成部分，能有效调控教学活动，评价教学效果[11]。在原考核体系（100分）的基础上，为3D打印增加30%的分值，总分为130分。采取学生答辩形式，融合实验项目难度系数、个人或团队开展与完成情况，还采用学生小组互评与教师团队评价结合的形式，同时鼓励学生参加科研竞赛活动和论文写作发表工作，并将科研成果作为加分项，纳入实验课程综合考核，使课程体系更加完善，具体考核标准如表1所示。

表1 实验成绩考核标准

5 课程设想

3D打印目前存在以下问题：打印材料有限、打印工艺不够完善、打印产品性能较差等。于是，研究者提出了通过计算机虚拟仿真对其进行优化，同时实现3D打印的动态模拟与可视化操作[12]。借助计算机仿真软件对整套 3D打印流程进行模拟，能优化打印设计，降低打印失败风险。

市场上针对不同材料的 3D打印仿真软件主要有ANSYS、Amphyon、Simufact Additive、GENOA 3DP、FLOW-3D等，涵盖金属、陶瓷、聚合物等材料，每个软件应用侧重点不同。下一步，计划将虚拟仿真概念引入 3D打印实验教学，建立虚拟仿真实验室，并允许学生自主设置设计参数，线上线下教学相结合，3D打印虚拟仿真教学流程如图3所示，不仅可为学生提供一种全新的可视化仿真打印过程，丰富教学方式，推进信息技术与实验教学的融合，同时还可发挥学生的主观能动性，拓展学生的知识面。

图3 3D打印虚拟仿真教学流程

6 结语

3D打印技术本质上是多媒体技术的延伸，能进一步拓展学生的思维能力。将 3D打印技术融入组织工程学实验教学，结合传统的组织工程支架制备技术与静电纺丝技术，能够提升学生的综合能力、设计能力、动手能力与创造力，有效促进学生运用多门学科的综合知识解决实际问题。在实验教学中不断探索和完善3D打印技术的应用，有效推动了实验教学的改革与发展。