郭 鵬 林慧寧 姜光瑤 吳 江△ 莊輝輝 朱曉明

1（四川大學(xué) 華西基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與法醫(yī)學(xué)院，成都610041）

2（四川大學(xué) 華西第四醫(yī)院，成都610041）

3（成都市南丁醫(yī)用材料有限公司，成都610000）

迄今為止，許多醫(yī)學(xué)難題諸如腎衰竭、惡性腫瘤等，臨床上的行之有效的治療方式仍為器官移植手術(shù)，然而異體器官移植一直以來都存在著大量的問題，譬如，供體的不足。中國每年大約有150萬人因末期器官功能衰竭需要器官移植，但每年能夠使用的器官數(shù)量不到1萬，供求比例達(dá)到1∶150。與此同時，中國需要接受器官移植的患者數(shù)量還在以每年超過10%的增量擴大。另外，器官移植后還存在免疫排異反應(yīng)，需要長期進(jìn)行免疫抑制治療。有鑒于此，臨床上急需一種行之有效的方法，以解決供體器官的短缺和器官移植出現(xiàn)的排異反應(yīng)等問題。

近年來，伴隨著3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，器官移植所面臨的難題有了解決的可能。3D打印是基于計算機三維數(shù)字成像和多層次連續(xù)打印的一種新興應(yīng)用技術(shù)。3D生物打印則是基于3D打印的基礎(chǔ)上，以活細(xì)胞為原料打印活體組織的一種技術(shù)。研究表明，3D生物打印可以以自身的成體干細(xì)胞經(jīng)體外誘導(dǎo)分化而來的活細(xì)胞為原料，在體外或體內(nèi)直接打印活體器官或組織，從而取代功能喪失的器官或組織，這在一定程度上解決了移植供體不足問題。因此，3D生物打印在器官移植領(lǐng)域以取得了一定的成績，被應(yīng)用于皮膚、骨骼、人造血管、血管夾板、心臟組織和軟骨質(zhì)結(jié)構(gòu)的再生與重建。然而，3D生物打印技術(shù)仍然存在著一系列的技術(shù)問題及安全問題。本文主要從3D生物打印技術(shù)的發(fā)展、3D生物打印機的種類及特點、3D生物打印在組織再生和器官移植上取得的成就、3D生物打印的發(fā)展前景幾個方面展開簡要綜述。

1 3D生物打印技術(shù)的發(fā)展

從15世紀(jì)刻板印刷術(shù)出現(xiàn)至工業(yè)革命期間出現(xiàn)工業(yè)化的印刷機，人類科技在不斷的進(jìn)步與創(chuàng)新?；谟∷⒖梢燥@現(xiàn)二維圖形的功能，人們一直希望其可以重塑物體的三維構(gòu)造。1986年Charles W．Hul［1］首次提出了“3D打印”的概念。在他所說的“立體平板印刷（sterolithography）”技術(shù)中，薄層材料可經(jīng)紫外線加工處理并打印出三維立體結(jié)構(gòu)。該技術(shù)經(jīng)不斷的發(fā)展與進(jìn)步，已可用于打印醫(yī)學(xué)所需的一些器材，例如，臨床上應(yīng)用的支架和夾板的生產(chǎn)。近年來，人們便設(shè)想以活細(xì)胞等生物材料代替打印材料用于重構(gòu)人體的器官與組織，3D生物打印技術(shù)應(yīng)運而生，其種類和特點分述如下。

2 3D生物打印機的種類及特點

3D生物打印機根據(jù)其工作原理可分為三種，分別為：噴墨生物打?。↖nkjet bioprinting）、微擠壓成型生物打?。∕icroextrusion bioprinting）和激光輔助生物打?。↙aser-assisted bioprinting）三類。這三類打印機在打印再生組織和器官上各有優(yōu)缺點。

2．1 噴墨生物打印

噴墨式生物打印是以2D打印機改造而來，以生物材料代替油墨作為打印原料，以電控升降平臺控制噴頭升降，從而打出立體三維結(jié)構(gòu)的構(gòu)造。噴墨式打印機的原理是依靠熱或聲波使得液滴滴落而成型。

熱噴墨打印機運行依靠電加熱打印頭，產(chǎn)生壓力脈沖而使液滴離開噴嘴。其顯著優(yōu)點是打印速度快、成本低、應(yīng)用廣泛。但是其打印過程中會使得細(xì)胞和生物材料承受熱和機械應(yīng)力，并且其噴頭易被堵塞、液滴方向性不明顯、液滴大小不均勻等等，都限制了其在生物打印方面的發(fā)展。聲控噴墨打印機用聲輻射力量與超聲波場把液滴從氣液界面噴射出。可通過控制超聲參數(shù)以控制液滴的大小與滴出速率。其優(yōu)點是避免了熱與壓力對生物材料的影響，同時可控制液滴的大小、并避免了噴口堵塞。但是，該技術(shù)對所打印的材料黏度有一定的限制，即材料的粘度＜10厘泊。同時，不難看出，噴墨生物打印的一個共同缺點是生物材料必須以液態(tài)形式存在，這樣才能形成液滴。同時，由于噴墨打印的方式是通過材料直接堆砌而成型，所以要求所打印對象的三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)必須已知而且清晰。

2．2 微擠壓成型生物打印

微擠壓成型生物打印的工作原理是，將熱熔性材料通過加熱器熔化，材料先抽成絲狀，通過送絲機構(gòu)送進(jìn)熱熔噴頭，在噴頭內(nèi)被加熱融化，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運動，同時將半流動狀態(tài)的材料按CAD分層數(shù)據(jù)控制的路徑，擠出并沉積在指定的位置凝固成形，并與周圍的材料粘結(jié)，層層堆積成型。

微擠壓成型生物印刷機的價格相對來說較噴墨打印機更貴，但是其打印的準(zhǔn)確性更高并且擁有更加出色的分辨率、速度，其空間的可控性以及在可打印的材料上亦具有更多的靈活性。但該技術(shù)應(yīng)用于打印活體組織主要缺點是，打印出的組織中細(xì)胞存活率低，這一缺點在一定程度上限制了其在再生醫(yī)學(xué)組織構(gòu)建上的應(yīng)用。

2．3 激光輔助生物打印

激光輔助生物打印機（LAB）的工作原理是在玻璃板吸收層上用激光聚焦脈沖產(chǎn)生一個高壓液泡，將帶有細(xì)胞的材料推到在接收基體上。

LAB的優(yōu)點是，噴頭為開放式，故其不存在噴頭堵塞的問題，同時其對細(xì)胞的傷害小，細(xì)胞的存活率可達(dá)95%以上。但是其打印各類型細(xì)胞混合材料的難度大，而且價格更高，這亦一定程度上限制了其實際的臨床應(yīng)用。

表1 3D打印方式技術(shù)的優(yōu)缺點比較

3 3D生物打印的臨床應(yīng)用

自2010年Organovo公司用3D打印技術(shù)打印出動脈以來，3D生物打印在組織構(gòu)建的很多領(lǐng)域取得了豐碩的成果，經(jīng)過一系列動物試驗驗證了3D生物打印技術(shù)在器官移植方面的應(yīng)用可能性［1］。而且，近年來，3D生物打印開始逐步應(yīng)用于人體器官移植。下面我們就3D生物打印在人造血管、人造骨骼、人造器官和整形外科等方面的應(yīng)用進(jìn)行逐一介紹。

3．1 人造血管

20世紀(jì)50年代，人們已經(jīng)制造出了直徑6mm以上的大動脈。然而，之后德國的Gunter Tovar博士用3D打印雙光子聚合和生物功能化修飾技術(shù)制作出了毛細(xì)血管［2］。打印出的毛細(xì)血管可替換壞死的血管，也可用于與人造器官血管組織的縫合與鏈接，為打印器官的生物化和營養(yǎng)供應(yīng)通道構(gòu)建打下了基礎(chǔ)。

3．2 人造骨骼

3D打印技術(shù)制造骨骼時，要求材料能為骨細(xì)胞生長發(fā)育提供良好的環(huán)境與空間。2012年艾爾肯·熱合木吐拉等［3］利用3D打印技術(shù)以石膏為原料打印出了志愿者的指骨模型。比利時Hasselt大學(xué)BIOMED研究所用激光輔助3D打印技術(shù)為患者打印并移植了下頜骨［4］。3D生物打印的骨組織已越來越趨向于成熟化。

3．3 人造器官

2011年美國 Wake Forest University的 AnthonyAtala［5］在TED大會上展示了3D打印腎臟的技術(shù)，至此，3D打印人造器官技術(shù)取得了長足的發(fā)展。2013年Zeni等［6］打印出了半透明的人體肝臟模型。同年，美國Organovo用3D生物打印技術(shù)打印出了人體肝臟薄片［7］。2014年美國University of Louisville的科學(xué)家用3D打印技術(shù)打印出了心臟瓣膜和大血管［8］。可見3D生物打印在心血管、肝腎移植等方面取得了可觀的成果。

3．4 3D生物打印在整形外科的應(yīng)用

1992年stoker等［9］首次將3D打印技術(shù)應(yīng)用于整形外科，在顱面手術(shù)之前用3D打印模型用于術(shù)前模擬。2013年，Koch等［10］用3D生物打印制造了人類皮膚組織，為皮膚移植提供了可靠的來源。由此，3D生物打印技術(shù)在面部創(chuàng)傷燒傷整形方面取得了長足的進(jìn)步。

4 3D生物打印的發(fā)展前景

朱曉明等［11］指出，“十年后3D生物打印將是最前沿的科技”。當(dāng)然，我們都希望3D生物打印技術(shù)可以像科幻電影一樣發(fā)展到可以完美打印機體的器官與組織，這樣的話，當(dāng)我們的身體某個器官功能喪失時，通過打印技術(shù)打印一個進(jìn)行移植即可。3D生物打印的腎臟可能缺乏一些腎臟的輔助功能，但卻可以替代衰竭腎臟組織，為腎衰患者解決透析所帶來的痛苦?？茖W(xué)家設(shè)想，利用基因轉(zhuǎn)導(dǎo)技術(shù)、細(xì)胞體外培養(yǎng)結(jié)合3D生物打印技術(shù)，進(jìn)行了人類眼角膜的體外打印實驗，或直接進(jìn)行角膜的原位打印，這也許為失明患者重見光明帶來了希望［12］。當(dāng)然，科學(xué)畢竟不是科幻，不論多么高端的科技都不能完美再現(xiàn)復(fù)雜的人類器官，但是我們有理由相信，3D生物打印在未來必然會引起醫(yī)學(xué)史上的又一次革命，它必然會為人類帶來巨大的福音［13］。

［1］ Murphy SV，Atala A．3Dbioprinting of tissues and organs［J］．Nat Biotechnol，2014，32（8）：773-785．

［2］ 石靜，鐘玉敏，．組織工程中3D生物打印技術(shù)的應(yīng)用［J］．中國組織工程研究，2014，（2）：274．

［3］ 陳志浩，伍麗青，朱振浩，等．三維打印技術(shù)在人體器官打印中的應(yīng)用［J］．廣東醫(yī)學(xué)，2014，（23）：3754．

［4］ Obregon F，Vaquette C，Ivanovski S，et al．Three-Dimensional Bioprinting for Regenerative Dentistry and Craniofacial Tissue Engineering ［J］．J Dent Res， 2015 ， pii：0022034515588885．

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［6］ 楊帆，楊延坤，鄭宏，等．3D打印技術(shù)在先天性心臟病診療中的應(yīng)用［J］．中國介入影像與治療學(xué)，2014，（9）．630．

［7］ Zhang X，Zhang Y．Tissue Engineering Applications of Three-Dimensional Bioprinting．Cell Biochem Biophys．2015 Feb 7．［Epub ahead of print］．

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［10］ Zein NN，Hanouneh IA ，Bishop PD，et al．3-imentiona（3D）print of liver donor liver for preoperative panning in live donor liver transplantation．Liver Transpl，2013，19：1304-1310．

［11］ 朱曉明，曹瑩．朱曉明談科技預(yù)測與科技創(chuàng)新［J］．浦東開發(fā)，2014，（1）：54．

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［13］ Ozbolat IT，Yu Y．Bioprinting toward organ fabrication：challenges and future trends［J］．IEEE Trans Biomed Eng，2013，60（3）：691-699．