3D打印技术在医学中的应用

康 兴，马正慧(综述)，周欢娣，薛晓英(审校)

(河北医科大学第二医院放疗科，河北 石家庄 050000)

3D打印技术是指在特定数字设计的基础上，通过分层沉淀材料来构建物理对象的过程。3D生物打印技术则是活细胞和生物材料的同时打印，其使用计算机辅助的传输过程一层一层地打印来制造生物工程的结构。它为细胞、蛋白质、DNA、药物颗粒、生长因子和生物活性物质的空间位置提供了非常精确的定位，从而更好地指导生物组织的形成。体外组织、器官模型是一个有用的平台，可以促进对药物、化学制品的系统性、重复性和定量的研究。在发展组织、器官模型时，主要的目标是模拟生理上相关的功能，这些功能通常需要复杂的培养系统。生物打印技术为构建三维组织器官模型提供了令人兴奋的前景，因为它使复杂活体组织的再生性、自动化生产成为可能。同时生物打印的组织器官模型对某些疾病的治疗、新型药物筛选或毒性预测也有很大的作用[1]。目前，该技术已经逐渐用于临床检查诊断、指导治疗策略，利用其打印出来的医学工具、3D手术模型、组织器官假体、心脏补片等也已经用于临床。在这篇综述中，强调了3D生物打印技术在体外组织器官模型、肿瘤模型发展中的重要性，评估它们与原生组织的相似性，以及在药物研究、毒性测试和疾病、肿瘤方面的应用。

1 3D生物打印技术医疗模型制作

1.1颌面部的应用

1.1.1耳朵 先天性的或者意外导致的疾病，例如小耳症、无耳畸形，会引起耳部的损伤或者丧失，最常见的方法就是用假体或者被雕刻的肋骨软骨替换受损的耳朵[2-4]。但是这些传统的技术并不理想。利用3D生物打印技术可以制造出表面光滑、复杂的软组织假体，与耳廓有类似的机械性能，并且价格低廉。此外，还可以使用彩色光谱仪来重现患者皮肤的颜色，用于临床[5]。最近，报道了3例患有小耳症的患者使用了3D打印的假耳[6]。其较之前的假体在形状、质地、方向和颜色等方面都有改进。

1.1.2眼球 在生理光学和光学设计等领域的许多实验中，必须仔细考虑眼睛的光学系统作用[5]。因此，需要眼球模型来获得其详细的生物学功能。有学者提出了调节依赖性的模型眼，其中角膜前表面是非球面的，晶状体的表面也是非球面的，折射率是均一的，不过会随着调节程度的变化而改变。最近，3D打印技术凭借其独特的制造精密设备的能力，已经被用于制造眼球模型[7]。3D打印的模型与Navarro的模型相比，在眼球前室深度和总轴长度的计算上显示出了更高的准确性。

1.1.3口腔 3D生物打印技术已经被应用于制作下颌骨重建的中间夹板和手术规划模型，并且用于重建下颌骨和上颌骨的结构[8-10]。这是一个相对低成本、快速、方便和准确的过程。在正颌外科手术中，利用3D打印技术制作患者的下颌模型，在术前模拟手术步骤从而最后制作出中间和最后的夹板，对于手术的成功是十分重要的[9]。预制的三维模型可以帮助外科医生精确地规划手术的方向，并缩短手术时间。并且，基于CBCT数据可以制作出精度极高的3D打印牙复制品，用于牙齿自体移植或制造牙根模拟种植体。

1.2内脏器官

1.2.1肝脏 尸体的数量是有限的，无法满足日益增长的肝移植的需求。因此，越来越多的患者在接受来自健康捐献者的肝叶移植[11]。但是，这种方法容易产生一些风险，比如捐赠人可能会导致失血、周围组织或者器官的损伤，甚至是死亡[5]。更重要的是，要预测移植肝脏的体积，避免产生大小尺寸不合适引起的综合征[12]。外科医生仅通过CT和MRI还不能精确地了解这些，3D打印技术就显得很重要。它可以打印出供者和接受者肝脏的透明模型，并且其打印出的脉管系统数量准确，可用不同颜色来标记、显示，可以使外科医生精确的定位，设计手术计划，提高手术成功率，缩短手术时间[11]。并且，3D打印模型也可以使外科医生用同样的方法定位到肿瘤的位置[5]。

1.2.2心脏 将3D生物打印的组织移植为心脏补片可能有助于心肌梗死后心脏功能的恢复[13]。有研究者将补片移植到被诱发心肌梗死的鼠模型中，最终生物打印的心脏补片增加了血管的形成，并且显著改善了心脏的功能，此外，植入心脏补片后在梗死的心肌边缘还显示有血管增生[8]。最近，一些具有反复弯曲能力的类橡胶3D打印材料被证明具有与心血管组织相似的力学性能。此外，3D打印模型已经成功地用于帮助外科医生进行手术规划和术中定位，目前已经打印出了患有心室动脉瘤和恶性心脏肿瘤患者的三维心脏模型，同时也打印出了需要进行冠状动脉搭桥术的患者的三维心脏模型。对这种复杂的手术来说，3D生物打印技术可以还原器官、病变的结构，使得术者在术前就清楚地了解到手术的范围和位置，此外，在患者专用的3D打印模型上的模拟可以预测经导管主动脉瓣膜植入术实际手术过程中后椎旁静脉瘘的发生，因此，生物打印手术模型尤其有价值[14]。

1.2.3肾脏 3D打印的肾脏模型有助于设计手术方案。肾脏病变的形状和位置也被清晰地打印出来。在这个模型的帮助下，所有患者成功的进行了部分肾切除术，并对邻近的健康的肾实质进行了适当的保留[15]。还有专家利用3D打印技术模拟了输尿管膀胱的吻合，除了有膀胱周围的脂肪外，还有单独的黏膜层、浆膜层和肌层[16]。

2 肿瘤模型的建立

癌症是世界上主要威胁人类生命的疾病之一，2012年全球有1 400万例肿瘤新发病例、820万例肿瘤相关死亡。在接下来的20年里，预计每年的病例数将从1 400万增加到2 200万。有上百种已知的肿瘤类型，即使在单一的肿瘤类型中，这种疾病也非常复杂，使得肿瘤的治疗是一项艰巨而又艰难的任务。为了更好地理解肿瘤的发生和发展，需要更复杂的和更生理性的3D肿瘤模型，这些模型与体内肿瘤微环境密切相关。鉴于这些挑战，生物打印技术表现出了在癌症研究中的巨大潜力[14]。

2.13D肿瘤模型的优势 很多肿瘤生物学的研究是基于2D细胞培养模型得到的，传统的2D细胞模型在描述肿瘤细胞行为和解释肿瘤细胞生物学机制方面一定程度上是有效的。然而，因为结构、生物化学等因素的不足，其无法模仿真实生理组织中细胞与细胞、细胞与细胞外基质之间的相互作用。生物学研究表明，细胞在3D模型的环境中有不同的行为，例如：细胞形态、细胞功能、细胞分化、细胞增殖、药物代谢、基因表达、蛋白质的合成和细胞的生存能力。3D模型可以模拟细胞与细胞之间，细胞与细胞外基质之间的相互作用。尤其对于肿瘤的研究，一个恰当的肿瘤三维模型必须通过复杂的设计原则来模拟肿瘤的侵袭性行为，以及肿瘤细胞间的相互作用[16]。

3D肿瘤模型的优点包括:能够聚集不同的细胞类型、能够模拟肿瘤细胞的微环境(如细胞外基质)及肿瘤的球形结构、模拟化学扩散梯度。因此，肿瘤研究会从3D打印技术中受益。一项肝癌细胞HepG2的三维球形结构与其单层结构的比较研究中显示，前者不仅增加了细胞和细胞粘连，还减少了细胞的凋亡。另有研究发现，3D水凝胶中培养的球形结构的卵巢癌细胞系(OV-MZ-6和SKOV-3)在接触抗癌药物紫杉醇后，其存活率高于2D培养基培养的癌细胞系的存活率。此外，研究者用3D打印的方法构建体外宫颈癌模型，在模型中，HeLa细胞被封装在凝胶、藻朊酸盐和纤维蛋白原的水凝胶混合物中，与2D传统模型相比，3D模型中细胞的存活率和增殖率都较高，细胞聚集形成球形的能力以及HeLa细胞中与肿瘤转移相关的因子基质金属蛋白酶(matrix metalloprotein,MMP)蛋白表达也表现得更高[17]。专家认为，肿瘤细胞的3D立体球形培养使其形成一个中空的坏死核心，最中间的细胞生长在低氧的环境中，是静止不动的，这与体内癌细胞生长的生物学行为相同，与临床肿瘤标本观察到的结果一致[17]。

3D立体球形的细胞培养展现出接近于真实的肿瘤组织的分化，化学物质的含量梯度，也可以模拟乏血管的肿瘤结节或者微小转移。在基因表达的情况下，临床上人类癌症基因的表达谱与三维模型组织结构中的致瘤信号相似，但是与在2D环境中培养的肿瘤细胞却不一样。认识癌症的发病机理，有必要在体外模拟出肿瘤细胞与细胞之间、肿瘤细胞与外基质之间的相互作用，在类似于体内的环境中可以获得更多与生理相关的结果。因此，使用三维模型的癌症研究在肿瘤微环境和肿瘤细胞空间分布的生物行为方面取得了更准确的表现，这对于癌症的早期诊断和治疗策略是至关重要的[17]。

2.23D打印技术在肿瘤临床中的应用 传统的技术已经能够在一定程度上成功地制造出医疗器械，但是精确度不高，限制了它们在精密实验中的应用。因为3D打印技术在制造硬件和仪器方面的精确性，其在肿瘤研究领域可以发挥重要作用。例如，在放射治疗中，肿瘤由质子束直接辐射。放射物理学技术使得辐射只在癌细胞上起作用，减少了不良反应。距离补偿器(range compensator,RC)可以使辐射剂量在目标组织的远端与照射的表面分布一致，这是通过计算机化的铣床(computer milling machine，CMM)来完成的。然而，这种常规方式制作的距离补偿器具有一定的局限性，比如由于制造其的工具的尺寸和形状而导致的其低分辨率，使得剂量分布不一致。而3D打印技术可以提供更精确的几何图形。在一些妇科肿瘤的患者中，放疗中的内照射是其中的一种治疗方式，密封的放射源用中空的导管插入目标组织中，通过此种照射来治疗肿瘤，其中使用3D打印的导管较常规制作的导管可以更加精确的插入到肿瘤部位，利于肿瘤的精确治疗[17]。

3 药物的研究与毒性筛查

药物研发需要大量的资金和人力资源。尽管一直在努力去提高生产力，只有万分之一的新药物可以进入临床试验阶段，四分之一的候选药物进入市场。在药物研究中提高对候选药物效果和毒性的预测能力可以加速新药物进入临床的速度。由于跨种的差异，动物模型的实验结果不能精确的预测在人体实验中的结果，导致很多药物在临床试验中的失败。并且越来越多伦理方面的考虑，使动物实验的应用受限。

3D打印模型是解决这个问题的理想模型，因为其可以模拟自然组织，并且可以应用于高通量的筛选实验。在人体试验之前，3D生物打印模型是替代或补充动物试验的极好方法，因为生物打印技术具有较高的仿真性、高产量的制造能力，使得药物测试重复进行成为可能。

2014年11月，Organovo制造了3D打印的肝脏组织模型，用于筛查肝脏毒性药物。Organovo的系统可以检测商业药物的安全性和药物的毒性。在癌症药物的研究中，一个合适的肿瘤三维模型必须可以模拟肿瘤的侵袭性行为与肿瘤细胞间的相互作用，这需要通过复杂的设计模型的原则来实现。使用3D生物打印方法生成的癌症模型，可以使得癌细胞受到多种因素的作用，例如：类似的肿瘤微环境(如细胞外基质)，模拟肿瘤组织的球形结构，化学梯度及增值谱的存在[18]。因此，3D生物打印可以更好的构造一个更接近真实的肿瘤模型，有利于抗肿瘤药物的研究。

在体外BT474乳腺癌细胞模型中，细胞聚集成球形，这些球体中间的空洞坏死核高表达低氧生物标记物HIF-1a，这与先前观察到的在实际肿瘤球体中的结果是一致的，3D模型表现出内部静止的细胞区域和外部增殖的细胞区域，可以使得药物的发展靶向于内部的静止细胞。另外，肿瘤的血管是有渗漏的组织发育不良的血管，这个特点影响药物在正常组织与肿瘤组织中的传递，急迫需要一个合适的模型来模拟肿瘤血管这种结构来优化药物的大小和剂量，未来3D打印技术可能会用来模拟这种肿瘤的血管[15]。

除此之外，在个体化医疗中，根据性别、年龄、体重和种族的不同，对患者进行分类，可以得到理想的药物剂量。3D生物印刷技术能够生产出对于不同类型患者的精确药物剂量，可以促进个性化医疗的进步。给儿童、成年人或老年人提供正确的药物剂量和强度，能提高治疗效率并降低其成本。1996年第1次使用生物打印技术来调节给药，药物释放的时间和速率通过改变聚合物基质中模型药物的组成、结构和位置来控制，他们的研究甚至可以使3D打印在平板电脑上提供精确剂量的药物[19]。

4 展 望

3D生物打印技术制作的癌症模型，能模拟3D肿瘤环境，能够从模型中获得更准确和可靠的数据，显示了更大的细胞存活能力，更多的与生理相关的蛋白质表达谱，更显著的增殖差异，更高的抗癌药物的化学抗性，以及真实肿瘤的特征，进而更客观地探究肿瘤的生长、侵袭、迁移等的规律，更好地转化、更有针对性地解决临床实际问题。为了扩大生物打印组织器官的临床使用，新的生物材料的开发对于3D打印技术的发展至关重要，适当细胞源的选择也是将生物技术转化为临床应用和药物筛选应用的关键因素。

3D打印技术有巨大的吸引力和推动力，随着对该技术的不断探索、完善，必将在医学领域研究出更多分子机制方面的内容，有利于使精准医疗、个体化医疗向前迈进，其技术的发展将会带来越来越多的临床应用。