3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程中的研究及應(yīng)用

周長(zhǎng)春+王科峰

摘 要：3D打印正在引發(fā)全球制造業(yè)革命性變革，它與生物技術(shù)結(jié)合，可以仿生與個(gè)性化地制造、特別是有生命的人體組織與器官，成為支撐第三次產(chǎn)業(yè)革命中生物材料科學(xué)與產(chǎn)業(yè)顛覆性變革的關(guān)鍵技術(shù)。文章綜述了3D打印技術(shù)的分類(lèi)，三維仿生重構(gòu)建模技術(shù)的發(fā)展，以及3D打印技術(shù)生物醫(yī)學(xué)工程中的應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：3D打??；生物醫(yī)學(xué)工程；發(fā)展現(xiàn)狀

前言

三維打?。═hree Dimension Printing，簡(jiǎn)稱(chēng)3DP）屬于一種快速成型（Rapid Prototyping，簡(jiǎn)稱(chēng)RP）技術(shù)，它由計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）數(shù)據(jù)通過(guò)成型設(shè)備以材料逐層堆積的方式實(shí)現(xiàn)實(shí)體成型。“三維打印”在技術(shù)界也叫“增材制造”、“自由成形”、“快速成形”或“分層制造”等[1]。三維打印起源可追溯于上世紀(jì)八十年代，1984年查爾斯·赫爾發(fā)明了將數(shù)字資源打印成三維立體模型的技術(shù)，并于1986年成立了3D Systems公司，開(kāi)發(fā)了第一臺(tái)商用立體光敏3D打印機(jī)，1988年，斯科特·克倫普發(fā)明了熔融沉積成型技術(shù)（FDM）并于1989年成立了Stratasys公司，隨后在2012年合并以色列3D打印公司Objet。3D Systems和Objet是目前世界上最大、最先進(jìn)的兩家3D打印公司。我國(guó)清華大學(xué)顏永年教授于1988開(kāi)始研究3D打印成型技術(shù)，華中科技大學(xué)王運(yùn)贛教授以及西安交通大學(xué)盧秉恒院士等，紛紛于上世紀(jì)90年代起就開(kāi)始涉足3D打印成型技術(shù)的研究。

1998年，清華大學(xué)的顏永年教授又將3D打印成型技術(shù)引入生命科學(xué)領(lǐng)域，提出生物制造工程學(xué)科概念和框架，并于2001年研制出用于生物材料快速成型的3D打印設(shè)備，為制造科學(xué)提出了一個(gè)新的發(fā)展方向--生物制造。生物制造的一個(gè)重要手段即是生物3D打印。生物三維打印是以活細(xì)胞（living cells）、生物活性因子（proteins and bio-molecules）及生物材料 （biomaterials）為基本成形單元，設(shè)計(jì)制造具有生物活性的人工器官、植入物或細(xì)胞三維結(jié)構(gòu)，是制造科學(xué)與生物醫(yī)學(xué)交叉融合的新興學(xué)科，它是目前3D打印技術(shù)研究的最前沿領(lǐng)域，也是3D打印技術(shù)中最具活力和發(fā)展前景的方向[2，3]。

1 3D打印技術(shù)的分類(lèi)

目前比較典型的3D打印快速成形技術(shù)主要分為三種[4]：

1.1 粉末粘結(jié)3D打印光固化材料3D打印與熔融材料3D打印

粉末粘結(jié)3D打印是目前應(yīng)用最為廣泛的3D打印技術(shù)，其工藝過(guò)程如下：首先，在工作平臺(tái)上均勻鋪灑單位厚度的粉末材料；其次，依據(jù)實(shí)體模型離散層面的數(shù)字信息將粘結(jié)劑噴射到粉末材料上，使粉末材料粘結(jié)，形成單位實(shí)體截面層；再次，將工作臺(tái)下降一個(gè)單位層厚；最后，重復(fù)第一步至第三步，逐層堆砌，形成三維打印產(chǎn)品。其存在缺點(diǎn)是，通過(guò)粉末粘連成形的零件精度和強(qiáng)度偏低，一般需要后續(xù)工藝提高其強(qiáng)度，但后續(xù)處理工藝會(huì)導(dǎo)致零件體積收縮，變形嚴(yán)重。

1.2 光固化3D打?。ü饷羧S打?。?/p>

該技術(shù)使用液態(tài)光敏樹(shù)脂作為原料制作零件模型，光敏材料三維打印成形基于噴射成形技術(shù)和光固化成形技術(shù)，噴頭沿X方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)零件的截面形狀，選擇性噴射光固化實(shí)體材料和光固化支撐材料形成截面輪廓，在紫外光照射下光固化材料邊打印邊固化，層層堆積至制件成形完畢。但其應(yīng)用于骨骼類(lèi)產(chǎn)品打印的主要缺點(diǎn)是，當(dāng)前具有生物活性的骨骼類(lèi)材料如羥基磷灰石，生物玻璃等材料自身不是光敏性材料，需與光敏材料混合使用，因此影響產(chǎn)品的生物活性在打印后將受到很大影響。

1.3 熔融材料3D打印成形

熔融材料三維打印成形基于熔融涂覆成形（FDM）專(zhuān)利技術(shù)，分別加熱兩種絲狀熱塑性材料至熔融態(tài)，根據(jù)零件截面形狀，選擇性涂覆實(shí)體材料和支撐材料形成截面輪廓，并迅速冷卻固化，層層堆積至制件成形完畢，其原理與光敏材料3D打印成形類(lèi)似 [16]。目前熔融材料三維打印成形，可采用由磷灰石和骨骼所需的有機(jī)鹽配置而成的骨水泥，不需要額外添加紫外光照射固化所需的光敏介質(zhì)，有利于保證材料后續(xù)的生物相容性和生物活性。但由于擠壓式噴頭的噴嘴處壓力大，容易造成阻塞現(xiàn)象，因此對(duì)噴嘴和材料漿料的粒徑要求較高。

除三維打印外，應(yīng)用比較廣泛的商業(yè)化快速成形工藝還包括立體光刻成形（SLA）、選擇性激光燒結(jié)成形（SLS）堆疊、實(shí)體制造（LOM）、熔融堆積成形（FDM）等，但這些工藝大多需要配備價(jià)格昂貴的激光輔助系統(tǒng)，且成型工藝實(shí)質(zhì)上還是類(lèi)似于上述三種材料疊加-固化技術(shù)。因此，三維打印技術(shù)被認(rèn)為是最具生命力的快速成形技術(shù)，發(fā)展?jié)摿薮螅卺t(yī)學(xué)中的應(yīng)用前景廣闊，其推廣應(yīng)用將對(duì)傳統(tǒng)的醫(yī)療產(chǎn)品生產(chǎn)模式帶來(lái)顛覆性的影響。

2 三維仿生重構(gòu)建模技術(shù)的發(fā)展

基于醫(yī)學(xué)圖像的三維重構(gòu)建模技術(shù)是生物3D打印技術(shù)的重要研究?jī)?nèi)容之一。3D打印生物構(gòu)件的實(shí)現(xiàn)首先需要在計(jì)算機(jī)環(huán)境下有效重構(gòu)和建模，生成可用于驅(qū)動(dòng)打印噴頭的指令數(shù)據(jù)進(jìn)而操控成型設(shè)備實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品成型。隨著醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的發(fā)展，人體組織的二維斷層圖像數(shù)據(jù)可以方便地獲取以進(jìn)行醫(yī)學(xué)診斷和治療。但是，二維斷層圖像只是表達(dá)了某一截面的解剖信息，醫(yī)生可以憑經(jīng)驗(yàn)由多幅二維圖像去估計(jì)病灶的大小及形狀，“構(gòu)思”病灶與其周?chē)M織的三維幾何關(guān)系，可三維打印設(shè)備卻無(wú)法根據(jù)這些斷點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行立體三維成型，因此，基于醫(yī)學(xué)圖像的三維重構(gòu)建模技術(shù)是生物3D打印技術(shù)的重要前驅(qū)步驟。

由于CT或MRI等檢測(cè)設(shè)備掃描得到的二維圖像信息不能直接用于快速成型，只有通過(guò)專(zhuān)用軟件將二維斷層圖像序列重建為三維虛擬模型，并生成為快速成型機(jī)可以接受的STL（Stereo Lithography）格式圖形文件，才能最終制造出生物產(chǎn)品三維實(shí)體模型。近十多年來(lái)，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的科研機(jī)構(gòu)對(duì)于醫(yī)學(xué)圖像三維重建的研究十分活躍，其技術(shù)水平正從后處理向?qū)崟r(shí)跟蹤和交互處理發(fā)展，并且已經(jīng)將超級(jí)計(jì)算機(jī)、光纖高速網(wǎng)、高性能工作站和虛擬現(xiàn)實(shí)結(jié)合起來(lái)，代表著這一技術(shù)領(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展方向。endprint

在市場(chǎng)應(yīng)用領(lǐng)域，國(guó)外已經(jīng)研制了三維醫(yī)學(xué)影像處理的商品化系統(tǒng)，其中，比較典型的有比利時(shí)Materialise公司的Mimics、美國(guó)Able Software公司的3D.Doctor和VGstudio MAX。在國(guó)內(nèi)，中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所醫(yī)學(xué)影像研究室自主開(kāi)發(fā)的3D Med是基于普通微機(jī)的三維醫(yī)學(xué)影像處理與分析系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠接收CT、MRI等主要醫(yī)療影像設(shè)備的圖像數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)管理、二維讀片、距離測(cè)量、圖像分割以及三維重建等功能。清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系研發(fā)的人體斷面解剖圖像三維重構(gòu)系統(tǒng)能給外科手術(shù)中的影像診斷提供一定的參考。中國(guó)科技大學(xué)在應(yīng)用Delphi開(kāi)發(fā)三維重構(gòu)軟件的研究上取得了很好的成果。國(guó)內(nèi)企業(yè)也研發(fā)了一些三維醫(yī)學(xué)影像處理系統(tǒng)。如西安盈谷科技有限公司“AccuRad TM pro 3D高級(jí)圖像處理軟件”于2005年4月投入市場(chǎng)。它能對(duì)二維醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行快速的三維重建，并能對(duì)臨床影像的數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)有效的可視化和智能化挖掘和處理，為臨床提供更多有價(jià)值的信息。但目前國(guó)外優(yōu)秀軟件如Mimics、3D Doctor、VGStudio MaX等的價(jià)格非常昂貴，且其技術(shù)嚴(yán)格保密。國(guó)內(nèi)的產(chǎn)品大多沒(méi)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和成熟的商業(yè)應(yīng)用模式。

3 3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程中應(yīng)用廣泛，其應(yīng)用領(lǐng)域大致包括：體外器官模型、仿生模型制造；手術(shù)導(dǎo)板、假肢設(shè)計(jì)；個(gè)性化植入體制造；組織工程支架制造；生物活體器件構(gòu)建以及器官打?。凰幬锖Y選生物模型等。如圖1所示為3D打印在生物醫(yī)學(xué)工程中的各種應(yīng)用情況[5-7]。

3.1 體外器官模型、仿生模型制造。該類(lèi)應(yīng)用主要用于醫(yī)療診斷和外科手術(shù)策劃，它能有效地提高診斷和手術(shù)水平，縮短時(shí)間、節(jié)省費(fèi)用。便于醫(yī)生、患者之間的溝通，為診斷和治療提供了直觀、能觸摸的信息，從而使手術(shù)者之間、醫(yī)生和病人之間的交流更加方便。

3.2 手術(shù)導(dǎo)板、假肢設(shè)計(jì)。該類(lèi)應(yīng)用便于訂制精確的個(gè)性化假體，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化醫(yī)療需求。根據(jù)患者缺損組織數(shù)據(jù)量身訂制的假肢，可提高假肢設(shè)計(jì)的精確性，提高手術(shù)精確度，確?；颊叩墓δ芑謴?fù)，減少患者的痛苦。

3.3 個(gè)性化植入體制造。人體許多部位的受損組織，需要個(gè)性化定制。如人類(lèi)面部頜骨（包括上下頜骨） 形態(tài)復(fù)雜， 極富個(gè)性特征， 形成了個(gè)體間千差萬(wàn)別的面貌特點(diǎn)。人類(lèi)的頭顱骨，需要準(zhǔn)確與顱內(nèi)大腦等軟組織精確匹配扣合，人體的下肢骨、脊柱骨等會(huì)嚴(yán)重影響患者今后的步態(tài)及功能恢復(fù)。因此這類(lèi)修復(fù)體可通過(guò)3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)個(gè)性化訂制和精確 “克隆”受損組織部位和形狀。

3.4 組織工程支架制造。如通過(guò)3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)和制備具有與天然骨類(lèi)似的材料組分和三維貫通微孔結(jié)構(gòu)，使之高度仿生天然骨組織結(jié)構(gòu)和形態(tài)學(xué)特征，賦予組織工程支架高度的生物活性和骨修復(fù)能力。

3.5 生物活體器件構(gòu)建以及器官打印。此方面的應(yīng)用大多涉及活體細(xì)胞的生物3D打印技術(shù)。細(xì)胞三維結(jié)構(gòu)體的3D構(gòu)建可以通過(guò)活細(xì)胞及其外基質(zhì)材料的打印構(gòu)建活體生物器件。如英國(guó)赫瑞瓦特大學(xué)和一家干細(xì)胞技術(shù)公司合作，首次將3D打印拓展到人類(lèi)胚胎干細(xì)胞范圍。這一突破使得利用人類(lèi)胚胎干細(xì)胞來(lái)“打造”移植用人體組織和器官成為可能。美國(guó)康奈爾大學(xué)研究人員最近在其發(fā)表的研究論文中稱(chēng)，他們利用牛耳細(xì)胞在3D打印機(jī)中打印出人造耳朵，可以用于先天畸形兒童的器官移植。

3.6 藥物篩選生物模型。藥物篩選指的是采用適當(dāng)?shù)姆椒?，?duì)可能作為藥物使用的物質(zhì)（采樣）進(jìn)行生物活性、藥理作用及藥用價(jià)值的評(píng)估過(guò)程。作為篩選，需要對(duì)不同化合物的生理活性做大規(guī)模橫向比較，因此有研究人員指出通過(guò)3D打印技術(shù)，精確設(shè)計(jì)仿生組織藥物病理作用模型，可以使人們開(kāi)在短時(shí)間內(nèi)大規(guī)模高通量篩選新型高效藥物。最近，四川大學(xué)聯(lián)合加州大學(xué)圣地亞哥分校等科研機(jī)構(gòu)，通過(guò)3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)了一款肝組織仿生結(jié)構(gòu)藥物解毒模型（如圖1-c），該研究成果發(fā)表在最近一期的Nature Communications上，受到3D打印研究領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。

3D打印在生物醫(yī)學(xué)工程中應(yīng)用：（a）3D打印磷酸鈣骨組織工程支架； （b）3D打印細(xì)胞、活體器官構(gòu)件；（c）3D打印肝組織仿生結(jié)構(gòu)藥物解毒模型。

4 結(jié)束語(yǔ)

三維打印技術(shù)正處在蓬勃興起的階段，3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程中得到了廣泛的應(yīng)用，其應(yīng)用以及發(fā)展現(xiàn)狀表明：3D打印在體外器官模型、組織工程與再生醫(yī)學(xué)、個(gè)性化醫(yī)療以及新藥研發(fā)等方面展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。抓住生物材料及植入器械的三維打印技術(shù)新一輪發(fā)展浪潮，發(fā)展我國(guó)生物三維打印技術(shù)，對(duì)發(fā)展我國(guó)生物材料醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)步入國(guó)際先進(jìn)水平具有十分重要的意義。

參考文獻(xiàn)

[1]Kenichi Arai1， Shintaroh Iwanaga， HidekiToda， Capi Genci， Yuichi Nishiyama， Makoto Nakamura. Three-dimensional inkjet biofabrication based on designed images[J]. Biofabrication， 2011， （3）.

[2]Calvert P. Materials Science： printing cells[J]. Science， 2007.

[3]Mironov V， Reis N， Derby B. Bioprinting： a beginning[J]. Tissue Enginerring. 2006.

[4]Karoly Jakab， Francoise Marga， Cyrille Norotte， Keith Murphy， Gordana VunjakNovakovic， Gabor Forgacs. Tissue engineering by self-assembly and bio-printing of living cells[J]. Biofabrication， 2010， （2）.

[5]Vladimir Mironov， Richard P. Visconti， Vladimir Kasyanov， Gabor Forgacs， Christopher J. Drake， Roger R. Markwal. Organ printing： Tissue spheroids as building blocks[J]. Biomaterials， 2009， （30）.

[6]Solaiman Tarafder， Neal M. Davies， Amit Bandyopadhyaya， Susmita Bose. 3D printed tricalcium phosphate bone tissue engineering scaffolds： effect of SrO and MgO doping on in vivo osteogenesis in a rat distal femoral defect model[J]. Biomaterials Science， 2013.

[7]Maling Gou， Xin Qu， Wei Zhu， Mingli Xiang， Jun Yang， Kang Zhang， Yuquan Wei， Shaochen Chen. Bio-inspired detoxification using 3D-printed hydrogel nanocomposites[J]. Nature communications. 2014（5）.

作者簡(jiǎn)介：周長(zhǎng)春（1979-），男，重慶人，博士，講師，主要研究方向硬組織工程支架，磷酸鈣基生物活性材料。endprint

在市場(chǎng)應(yīng)用領(lǐng)域，國(guó)外已經(jīng)研制了三維醫(yī)學(xué)影像處理的商品化系統(tǒng)，其中，比較典型的有比利時(shí)Materialise公司的Mimics、美國(guó)Able Software公司的3D.Doctor和VGstudio MAX。在國(guó)內(nèi)，中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所醫(yī)學(xué)影像研究室自主開(kāi)發(fā)的3D Med是基于普通微機(jī)的三維醫(yī)學(xué)影像處理與分析系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠接收CT、MRI等主要醫(yī)療影像設(shè)備的圖像數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)管理、二維讀片、距離測(cè)量、圖像分割以及三維重建等功能。清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系研發(fā)的人體斷面解剖圖像三維重構(gòu)系統(tǒng)能給外科手術(shù)中的影像診斷提供一定的參考。中國(guó)科技大學(xué)在應(yīng)用Delphi開(kāi)發(fā)三維重構(gòu)軟件的研究上取得了很好的成果。國(guó)內(nèi)企業(yè)也研發(fā)了一些三維醫(yī)學(xué)影像處理系統(tǒng)。如西安盈谷科技有限公司“AccuRad TM pro 3D高級(jí)圖像處理軟件”于2005年4月投入市場(chǎng)。它能對(duì)二維醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行快速的三維重建，并能對(duì)臨床影像的數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)有效的可視化和智能化挖掘和處理，為臨床提供更多有價(jià)值的信息。但目前國(guó)外優(yōu)秀軟件如Mimics、3D Doctor、VGStudio MaX等的價(jià)格非常昂貴，且其技術(shù)嚴(yán)格保密。國(guó)內(nèi)的產(chǎn)品大多沒(méi)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和成熟的商業(yè)應(yīng)用模式。

3 3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程中應(yīng)用廣泛，其應(yīng)用領(lǐng)域大致包括：體外器官模型、仿生模型制造；手術(shù)導(dǎo)板、假肢設(shè)計(jì)；個(gè)性化植入體制造；組織工程支架制造；生物活體器件構(gòu)建以及器官打印；藥物篩選生物模型等。如圖1所示為3D打印在生物醫(yī)學(xué)工程中的各種應(yīng)用情況[5-7]。

3.1 體外器官模型、仿生模型制造。該類(lèi)應(yīng)用主要用于醫(yī)療診斷和外科手術(shù)策劃，它能有效地提高診斷和手術(shù)水平，縮短時(shí)間、節(jié)省費(fèi)用。便于醫(yī)生、患者之間的溝通，為診斷和治療提供了直觀、能觸摸的信息，從而使手術(shù)者之間、醫(yī)生和病人之間的交流更加方便。

3.2 手術(shù)導(dǎo)板、假肢設(shè)計(jì)。該類(lèi)應(yīng)用便于訂制精確的個(gè)性化假體，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化醫(yī)療需求。根據(jù)患者缺損組織數(shù)據(jù)量身訂制的假肢，可提高假肢設(shè)計(jì)的精確性，提高手術(shù)精確度，確?；颊叩墓δ芑謴?fù)，減少患者的痛苦。

3.3 個(gè)性化植入體制造。人體許多部位的受損組織，需要個(gè)性化定制。如人類(lèi)面部頜骨（包括上下頜骨） 形態(tài)復(fù)雜， 極富個(gè)性特征， 形成了個(gè)體間千差萬(wàn)別的面貌特點(diǎn)。人類(lèi)的頭顱骨，需要準(zhǔn)確與顱內(nèi)大腦等軟組織精確匹配扣合，人體的下肢骨、脊柱骨等會(huì)嚴(yán)重影響患者今后的步態(tài)及功能恢復(fù)。因此這類(lèi)修復(fù)體可通過(guò)3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)個(gè)性化訂制和精確 “克隆”受損組織部位和形狀。

3.4 組織工程支架制造。如通過(guò)3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)和制備具有與天然骨類(lèi)似的材料組分和三維貫通微孔結(jié)構(gòu)，使之高度仿生天然骨組織結(jié)構(gòu)和形態(tài)學(xué)特征，賦予組織工程支架高度的生物活性和骨修復(fù)能力。

3.5 生物活體器件構(gòu)建以及器官打印。此方面的應(yīng)用大多涉及活體細(xì)胞的生物3D打印技術(shù)。細(xì)胞三維結(jié)構(gòu)體的3D構(gòu)建可以通過(guò)活細(xì)胞及其外基質(zhì)材料的打印構(gòu)建活體生物器件。如英國(guó)赫瑞瓦特大學(xué)和一家干細(xì)胞技術(shù)公司合作，首次將3D打印拓展到人類(lèi)胚胎干細(xì)胞范圍。這一突破使得利用人類(lèi)胚胎干細(xì)胞來(lái)“打造”移植用人體組織和器官成為可能。美國(guó)康奈爾大學(xué)研究人員最近在其發(fā)表的研究論文中稱(chēng)，他們利用牛耳細(xì)胞在3D打印機(jī)中打印出人造耳朵，可以用于先天畸形兒童的器官移植。

3.6 藥物篩選生物模型。藥物篩選指的是采用適當(dāng)?shù)姆椒?，?duì)可能作為藥物使用的物質(zhì)（采樣）進(jìn)行生物活性、藥理作用及藥用價(jià)值的評(píng)估過(guò)程。作為篩選，需要對(duì)不同化合物的生理活性做大規(guī)模橫向比較，因此有研究人員指出通過(guò)3D打印技術(shù)，精確設(shè)計(jì)仿生組織藥物病理作用模型，可以使人們開(kāi)在短時(shí)間內(nèi)大規(guī)模高通量篩選新型高效藥物。最近，四川大學(xué)聯(lián)合加州大學(xué)圣地亞哥分校等科研機(jī)構(gòu)，通過(guò)3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)了一款肝組織仿生結(jié)構(gòu)藥物解毒模型（如圖1-c），該研究成果發(fā)表在最近一期的Nature Communications上，受到3D打印研究領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。

3D打印在生物醫(yī)學(xué)工程中應(yīng)用：（a）3D打印磷酸鈣骨組織工程支架； （b）3D打印細(xì)胞、活體器官構(gòu)件；（c）3D打印肝組織仿生結(jié)構(gòu)藥物解毒模型。

4 結(jié)束語(yǔ)

三維打印技術(shù)正處在蓬勃興起的階段，3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程中得到了廣泛的應(yīng)用，其應(yīng)用以及發(fā)展現(xiàn)狀表明：3D打印在體外器官模型、組織工程與再生醫(yī)學(xué)、個(gè)性化醫(yī)療以及新藥研發(fā)等方面展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。抓住生物材料及植入器械的三維打印技術(shù)新一輪發(fā)展浪潮，發(fā)展我國(guó)生物三維打印技術(shù)，對(duì)發(fā)展我國(guó)生物材料醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)步入國(guó)際先進(jìn)水平具有十分重要的意義。

參考文獻(xiàn)

[1]Kenichi Arai1， Shintaroh Iwanaga， HidekiToda， Capi Genci， Yuichi Nishiyama， Makoto Nakamura. Three-dimensional inkjet biofabrication based on designed images[J]. Biofabrication， 2011， （3）.

[2]Calvert P. Materials Science： printing cells[J]. Science， 2007.

[3]Mironov V， Reis N， Derby B. Bioprinting： a beginning[J]. Tissue Enginerring. 2006.

[4]Karoly Jakab， Francoise Marga， Cyrille Norotte， Keith Murphy， Gordana VunjakNovakovic， Gabor Forgacs. Tissue engineering by self-assembly and bio-printing of living cells[J]. Biofabrication， 2010， （2）.

[5]Vladimir Mironov， Richard P. Visconti， Vladimir Kasyanov， Gabor Forgacs， Christopher J. Drake， Roger R. Markwal. Organ printing： Tissue spheroids as building blocks[J]. Biomaterials， 2009， （30）.

[6]Solaiman Tarafder， Neal M. Davies， Amit Bandyopadhyaya， Susmita Bose. 3D printed tricalcium phosphate bone tissue engineering scaffolds： effect of SrO and MgO doping on in vivo osteogenesis in a rat distal femoral defect model[J]. Biomaterials Science， 2013.

[7]Maling Gou， Xin Qu， Wei Zhu， Mingli Xiang， Jun Yang， Kang Zhang， Yuquan Wei， Shaochen Chen. Bio-inspired detoxification using 3D-printed hydrogel nanocomposites[J]. Nature communications. 2014（5）.

作者簡(jiǎn)介：周長(zhǎng)春（1979-），男，重慶人，博士，講師，主要研究方向硬組織工程支架，磷酸鈣基生物活性材料。endprint

在市場(chǎng)應(yīng)用領(lǐng)域，國(guó)外已經(jīng)研制了三維醫(yī)學(xué)影像處理的商品化系統(tǒng)，其中，比較典型的有比利時(shí)Materialise公司的Mimics、美國(guó)Able Software公司的3D.Doctor和VGstudio MAX。在國(guó)內(nèi)，中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所醫(yī)學(xué)影像研究室自主開(kāi)發(fā)的3D Med是基于普通微機(jī)的三維醫(yī)學(xué)影像處理與分析系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠接收CT、MRI等主要醫(yī)療影像設(shè)備的圖像數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)管理、二維讀片、距離測(cè)量、圖像分割以及三維重建等功能。清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系研發(fā)的人體斷面解剖圖像三維重構(gòu)系統(tǒng)能給外科手術(shù)中的影像診斷提供一定的參考。中國(guó)科技大學(xué)在應(yīng)用Delphi開(kāi)發(fā)三維重構(gòu)軟件的研究上取得了很好的成果。國(guó)內(nèi)企業(yè)也研發(fā)了一些三維醫(yī)學(xué)影像處理系統(tǒng)。如西安盈谷科技有限公司“AccuRad TM pro 3D高級(jí)圖像處理軟件”于2005年4月投入市場(chǎng)。它能對(duì)二維醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行快速的三維重建，并能對(duì)臨床影像的數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)有效的可視化和智能化挖掘和處理，為臨床提供更多有價(jià)值的信息。但目前國(guó)外優(yōu)秀軟件如Mimics、3D Doctor、VGStudio MaX等的價(jià)格非常昂貴，且其技術(shù)嚴(yán)格保密。國(guó)內(nèi)的產(chǎn)品大多沒(méi)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和成熟的商業(yè)應(yīng)用模式。

3 3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程中應(yīng)用廣泛，其應(yīng)用領(lǐng)域大致包括：體外器官模型、仿生模型制造；手術(shù)導(dǎo)板、假肢設(shè)計(jì)；個(gè)性化植入體制造；組織工程支架制造；生物活體器件構(gòu)建以及器官打??；藥物篩選生物模型等。如圖1所示為3D打印在生物醫(yī)學(xué)工程中的各種應(yīng)用情況[5-7]。

3.1 體外器官模型、仿生模型制造。該類(lèi)應(yīng)用主要用于醫(yī)療診斷和外科手術(shù)策劃，它能有效地提高診斷和手術(shù)水平，縮短時(shí)間、節(jié)省費(fèi)用。便于醫(yī)生、患者之間的溝通，為診斷和治療提供了直觀、能觸摸的信息，從而使手術(shù)者之間、醫(yī)生和病人之間的交流更加方便。

3.2 手術(shù)導(dǎo)板、假肢設(shè)計(jì)。該類(lèi)應(yīng)用便于訂制精確的個(gè)性化假體，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化醫(yī)療需求。根據(jù)患者缺損組織數(shù)據(jù)量身訂制的假肢，可提高假肢設(shè)計(jì)的精確性，提高手術(shù)精確度，確?；颊叩墓δ芑謴?fù)，減少患者的痛苦。

3.3 個(gè)性化植入體制造。人體許多部位的受損組織，需要個(gè)性化定制。如人類(lèi)面部頜骨（包括上下頜骨） 形態(tài)復(fù)雜， 極富個(gè)性特征， 形成了個(gè)體間千差萬(wàn)別的面貌特點(diǎn)。人類(lèi)的頭顱骨，需要準(zhǔn)確與顱內(nèi)大腦等軟組織精確匹配扣合，人體的下肢骨、脊柱骨等會(huì)嚴(yán)重影響患者今后的步態(tài)及功能恢復(fù)。因此這類(lèi)修復(fù)體可通過(guò)3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)個(gè)性化訂制和精確 “克隆”受損組織部位和形狀。

3.4 組織工程支架制造。如通過(guò)3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)和制備具有與天然骨類(lèi)似的材料組分和三維貫通微孔結(jié)構(gòu)，使之高度仿生天然骨組織結(jié)構(gòu)和形態(tài)學(xué)特征，賦予組織工程支架高度的生物活性和骨修復(fù)能力。

3.5 生物活體器件構(gòu)建以及器官打印。此方面的應(yīng)用大多涉及活體細(xì)胞的生物3D打印技術(shù)。細(xì)胞三維結(jié)構(gòu)體的3D構(gòu)建可以通過(guò)活細(xì)胞及其外基質(zhì)材料的打印構(gòu)建活體生物器件。如英國(guó)赫瑞瓦特大學(xué)和一家干細(xì)胞技術(shù)公司合作，首次將3D打印拓展到人類(lèi)胚胎干細(xì)胞范圍。這一突破使得利用人類(lèi)胚胎干細(xì)胞來(lái)“打造”移植用人體組織和器官成為可能。美國(guó)康奈爾大學(xué)研究人員最近在其發(fā)表的研究論文中稱(chēng)，他們利用牛耳細(xì)胞在3D打印機(jī)中打印出人造耳朵，可以用于先天畸形兒童的器官移植。

3.6 藥物篩選生物模型。藥物篩選指的是采用適當(dāng)?shù)姆椒ǎ瑢?duì)可能作為藥物使用的物質(zhì)（采樣）進(jìn)行生物活性、藥理作用及藥用價(jià)值的評(píng)估過(guò)程。作為篩選，需要對(duì)不同化合物的生理活性做大規(guī)模橫向比較，因此有研究人員指出通過(guò)3D打印技術(shù)，精確設(shè)計(jì)仿生組織藥物病理作用模型，可以使人們開(kāi)在短時(shí)間內(nèi)大規(guī)模高通量篩選新型高效藥物。最近，四川大學(xué)聯(lián)合加州大學(xué)圣地亞哥分校等科研機(jī)構(gòu)，通過(guò)3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)了一款肝組織仿生結(jié)構(gòu)藥物解毒模型（如圖1-c），該研究成果發(fā)表在最近一期的Nature Communications上，受到3D打印研究領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。

3D打印在生物醫(yī)學(xué)工程中應(yīng)用：（a）3D打印磷酸鈣骨組織工程支架； （b）3D打印細(xì)胞、活體器官構(gòu)件；（c）3D打印肝組織仿生結(jié)構(gòu)藥物解毒模型。

4 結(jié)束語(yǔ)

三維打印技術(shù)正處在蓬勃興起的階段，3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程中得到了廣泛的應(yīng)用，其應(yīng)用以及發(fā)展現(xiàn)狀表明：3D打印在體外器官模型、組織工程與再生醫(yī)學(xué)、個(gè)性化醫(yī)療以及新藥研發(fā)等方面展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。抓住生物材料及植入器械的三維打印技術(shù)新一輪發(fā)展浪潮，發(fā)展我國(guó)生物三維打印技術(shù)，對(duì)發(fā)展我國(guó)生物材料醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)步入國(guó)際先進(jìn)水平具有十分重要的意義。

參考文獻(xiàn)

[1]Kenichi Arai1， Shintaroh Iwanaga， HidekiToda， Capi Genci， Yuichi Nishiyama， Makoto Nakamura. Three-dimensional inkjet biofabrication based on designed images[J]. Biofabrication， 2011， （3）.

[2]Calvert P. Materials Science： printing cells[J]. Science， 2007.

[3]Mironov V， Reis N， Derby B. Bioprinting： a beginning[J]. Tissue Enginerring. 2006.

[4]Karoly Jakab， Francoise Marga， Cyrille Norotte， Keith Murphy， Gordana VunjakNovakovic， Gabor Forgacs. Tissue engineering by self-assembly and bio-printing of living cells[J]. Biofabrication， 2010， （2）.

[5]Vladimir Mironov， Richard P. Visconti， Vladimir Kasyanov， Gabor Forgacs， Christopher J. Drake， Roger R. Markwal. Organ printing： Tissue spheroids as building blocks[J]. Biomaterials， 2009， （30）.

[6]Solaiman Tarafder， Neal M. Davies， Amit Bandyopadhyaya， Susmita Bose. 3D printed tricalcium phosphate bone tissue engineering scaffolds： effect of SrO and MgO doping on in vivo osteogenesis in a rat distal femoral defect model[J]. Biomaterials Science， 2013.

[7]Maling Gou， Xin Qu， Wei Zhu， Mingli Xiang， Jun Yang， Kang Zhang， Yuquan Wei， Shaochen Chen. Bio-inspired detoxification using 3D-printed hydrogel nanocomposites[J]. Nature communications. 2014（5）.

作者簡(jiǎn)介：周長(zhǎng)春（1979-），男，重慶人，博士，講師，主要研究方向硬組織工程支架，磷酸鈣基生物活性材料。endprint