符鋒 張賽

3D打印技術(shù)在神經(jīng)外科中的應(yīng)用

符鋒 張賽

神經(jīng)系統(tǒng)損傷因其高死亡率和高致殘率，是所有年齡階段人群共同面臨的一個嚴峻的公共健康問題。神經(jīng)再生成為了醫(yī)學(xué)界在理論研究和臨床實踐上的關(guān)注點。隨著組織工程學(xué)的發(fā)展，三維（threedimensional，3D）打印技術(shù)已被逐漸用于神經(jīng)外科中，如制造術(shù)前模型、組織工程支架、制造個性化植入物等[1]。今天主要簡析3D打印技術(shù)發(fā)展歷史、技術(shù)原理及分類、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀、神經(jīng)修復(fù)中的應(yīng)用及其未來發(fā)展方向等五個方面。

一、3D打印技術(shù)的定義及其發(fā)展歷史

首先，我們先來了解下3D打印技術(shù)的定義及其發(fā)展歷史。3D打印即原型制造，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。

問世30年以來，3D打印技術(shù)經(jīng)歷了突飛猛進的發(fā)展：（1）1986年，Charles Hull開發(fā)了第一臺商業(yè)3D打印機；（2）20世紀九十年代廣泛應(yīng)用于航空航天、工業(yè)設(shè)計、汽車制造和土木工程等領(lǐng)域；（3）21世紀初，該技術(shù)開始應(yīng)用于組織工程學(xué)；（4）近年，3D打印廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域：包括模擬教學(xué)、術(shù)前規(guī)劃、手術(shù)模板、假體制造和生物打印等；（5）2014年被時代周刊評為最佳發(fā)明，2015年被納入我國先進制造技術(shù)發(fā)展項目。

二、3D打印技術(shù)原理及分類

原理：不同種類的3D打印系統(tǒng)因所用成形材料不同，成形原理也有所不同，但都是基于離散堆積原理，也就是分層制造、逐層疊加的方法。一般3D打印涉及以下4個過程：（1）創(chuàng)建一個三維模型；（2）將該模型分割成一系列有序的二維層面；（3）在計算機控制下逐層打印制造；（4）根據(jù)需求，進行相應(yīng)的后期處理（如去除支撐結(jié)構(gòu)、納米水平的表面改性）。這樣一來，像內(nèi)部空隙、懸臂、狹窄的彎曲結(jié)構(gòu)的復(fù)雜三維形狀都被簡化為點、線、圓等打印途徑。

分類：自3D打印技術(shù)問世以來，已經(jīng)發(fā)展多種類型成型技術(shù)，今天主要簡單介紹4種較為流行的3D打印技術(shù)，它們分別是：（1）熔融沉積技術(shù)：絲狀材料在噴嘴內(nèi)加熱融化，從擠出噴頭后固化形成截面；（2）液相結(jié)合噴墨技術(shù)：噴嘴擠壓出液體粘合劑使載物臺的粉末材料粘接形成截面；（3）選擇性激光固化技術(shù)：激光器對粉末材料或光敏材料進行選擇性固化形成截面；（4）生物打印技術(shù)：噴頭將細胞和液體材料復(fù)合物高壓擠出形成截面。

三、3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

3D打印技術(shù)所具有的快速性、準確性，及擅長制作復(fù)雜形狀實體的特性使它在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)界的應(yīng)用，是從制備術(shù)前可視化模型和工具模型開始的?，F(xiàn)主要用于：個性化醫(yī)療、基于細胞的生物打印及制造提供細胞三維環(huán)境的支架。

（一）基于3D打印支架的體外三維培養(yǎng)細胞

體內(nèi)細胞是在三維空間中生長、繁殖、分化并發(fā)揮其特定生物學(xué)功能的。體外細胞培養(yǎng)的一個重要原則是要最大程度地模擬體內(nèi)細胞生長環(huán)境。3D打印技術(shù)可以設(shè)計制造出模擬細胞外基質(zhì)的三維支架，進一步促進細胞生長、增殖和分化。

（二）基于3D打印的個性化醫(yī)療制造

每個人的身體構(gòu)造、病理狀況都存在特殊性和差異化，當3D打印與醫(yī)學(xué)影像建模、與仿真技術(shù)結(jié)合之后，就能夠通過個性化術(shù)前規(guī)劃、人工假體、植入體制造等實現(xiàn)精準治療。

1.個性化醫(yī)療基本原理為：獲取患者個性化影像學(xué)數(shù)據(jù)（CT/MRI/CTA/X線等），重建目標器官或部位，計算機輔助設(shè)計建模，最后經(jīng)3D打印獲得成品。

2.術(shù)前規(guī)劃經(jīng)歷了二維圖像分析、三維可視化，到如今，已經(jīng)可以實現(xiàn)個性化模型的術(shù)前仿真操作。臨床應(yīng)用中，我們根據(jù)患者影像學(xué)數(shù)據(jù)而為特別定制3D打印模型，可以清楚直觀地顯示病變位置、有助于設(shè)計手術(shù)方式。可以說，一個3D模型就勝過了千言萬語。

3.兩個最新的案例展現(xiàn)出了此項技術(shù)的優(yōu)勢。（1）日本筑波大學(xué)2015年7月宣布已研發(fā)出3D打印個性化肝臟模型的方法。該模型外部為肝臟形狀，內(nèi)部詳細地再現(xiàn)其血管和病變位置，這將有助于術(shù)前確認手術(shù)順序并向患者說明治療方法。（2）2015年8月，美國邁阿密兒童醫(yī)院有1例“完全型肺靜脈畸形引流”的4歲女孩，醫(yī)生借助3D打印技術(shù)，復(fù)制了女孩心臟的3D模型，復(fù)制出女孩的心臟模型，成功地制定出了1個復(fù)雜的矯正手術(shù)方案并為小女孩實施了永久手術(shù)，拯救了其生命。

（三）基于患者的個性化3D打印植入物

近來，科學(xué)家們通過定制個性化植入物，一次又一次地證實了3D打印這項技術(shù)的價值。2013年，美國工程師在獲得食品和藥物管理局批準后，利用CT掃描數(shù)據(jù)，成功打印出鈦金屬網(wǎng)用于重建缺損顱骨，并首次成功植入人體；2014年，北京大學(xué)研究團隊成功地為1名12歲男孩植入了3D打印脊椎，這種植入物可以跟現(xiàn)有骨骼非常好地結(jié)合起來，而且還能縮短病人的康復(fù)時間。此外，研究人員還在上面設(shè)計了微孔洞，它能幫助骨骼在合金之間生長，換言之，植入進去的3D打印脊椎將跟原脊柱牢牢地生長在一起而不會松動；澳大利亞的CSIRO公司創(chuàng)造了一種鈦制的胸骨和肋骨，該制品與1例胸壁肉瘤術(shù)后患者的胸骨及肋骨的幾何學(xué)結(jié)構(gòu)完全吻合。

（四）基于細胞的生物3D打印叩響器官打印大門

基于細胞的生物3D打印是3D打印技術(shù)研究的最前沿領(lǐng)域。2013年，杭州捷諾公司首創(chuàng)了3D打印肝單元技術(shù)：3D生物打印機接受控制指令，將肝細胞精確定位于組織器官三維模型上，制造出的肝單元現(xiàn)已被用于藥物測試；2015年8月，首個3D生物打印的全細胞人體腎臟組織模型問世，該模型將用于藥物療效和毒性測試，也可對疾病在活組織內(nèi)部的活動進行建模；2015年10月，世界首創(chuàng)的3D生物血管打印機由四川藍光英諾公司成功研制問世。該款血管打印機能在短時間內(nèi)打印出含有獨特中空結(jié)構(gòu)、多層不同種類細胞的血管。

四、3D打印在神經(jīng)修復(fù)中的應(yīng)用

（一）基于患者的個性化神經(jīng)外科術(shù)前規(guī)劃及手術(shù)模板

神經(jīng)系統(tǒng)尤為復(fù)雜，神經(jīng)外科手術(shù)領(lǐng)域的術(shù)前規(guī)劃顯得十分迫切和必要。為此，3D打印技術(shù)在神經(jīng)外科手術(shù)領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用[2]。（1）日本東京大學(xué)在CTA數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，3D打印出頭顱及未破裂腦動脈瘤模型；（2）美國學(xué)者Jason等分別利用MRI、 CT數(shù)據(jù)重建并打印出大腦、顱骨模型，輔助術(shù)前確定合適的電極覆蓋范圍。這些模型都是神經(jīng)外科手術(shù)仿真和規(guī)劃的有用工具，有助于和患者及家屬溝通，也能為醫(yī)師提供提前實踐的機會，提高手術(shù)成功率。

（二）基于3D打印支架的神經(jīng)修復(fù)

應(yīng)用于神經(jīng)修復(fù)的3D打印技術(shù)有兩大核心內(nèi)容：支架結(jié)構(gòu)設(shè)計和生物“墨”的選擇?，F(xiàn)階段，學(xué)者主要從形狀、方向和孔徑大小等方面研究了支架結(jié)構(gòu)對細胞生長的影響[3]。（1）幾何形狀：仿生支架材料內(nèi)部的幾何形狀設(shè)計是模擬細胞外基質(zhì)三維拓撲結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。如研究發(fā)現(xiàn)含V形和螺旋孔結(jié)構(gòu)的支架能影響施旺細胞的形態(tài)和排列；（2）支架通道方向：內(nèi)部通道和凹槽在空間方向上的差異可構(gòu)成橫截面積不同的支架，進而影響附著在上的細胞遷移和增殖。例如Darice實驗小組總結(jié)了幾點關(guān)于支架修復(fù)大腦皮層時的設(shè)計原則：通道方向朝向皮層時有利于星形細胞滲透；微溝方向取決于細胞遷移和神經(jīng)元排列的方向；使支架內(nèi)通道充分交叉可利于細胞遷移和組織形成；（3）內(nèi)部通道孔徑和孔隙：支架內(nèi)部適宜的孔徑大小和密度可以為細胞運送足夠的營養(yǎng)和氧氣， 從而提高細胞生存率。 例如Domingos等發(fā)現(xiàn)大的四邊形孔徑能增強骨髓間充質(zhì)干細胞生存力和增殖力。

3D打印修復(fù)神經(jīng)創(chuàng)傷的另一項核心內(nèi)容是生物“墨”（即支架材料）的選擇。研究發(fā)現(xiàn)支架材料的理化性質(zhì)能對細胞的信號表達和分化產(chǎn)生顯著影響?，F(xiàn)應(yīng)用神經(jīng)修復(fù)的材料主要分為天然材料、合成材料及復(fù)合材料，它們都有各自的特點和應(yīng)用范圍[4]。（1）天然材料主要有：膠原蛋白、殼聚糖、彈力蛋白、透明質(zhì)酸等。特點是具有優(yōu)良的生物相容性，且原料來源廣泛，但生物力學(xué)功能欠佳；（2）合成材料主要有：有機硅、聚丙烯、聚己內(nèi)酯等。特點是可以根據(jù)所處不同的溫度、pH值、離子強度、電場和光而發(fā)生變化；但生物相容性欠佳；（3）復(fù)合材料：可以通過不同的材料組合設(shè)計復(fù)合材料，由此獲得排斥反應(yīng)小、降解速度可控的材料。

人體腦皮層組織模擬及構(gòu)建：大腦仍是我們身體中最重要卻最不了解的器官，主要是因為它的復(fù)雜性及體內(nèi)研究的局限性。美國塔弗斯大學(xué)的生物工程師以絲素蛋白為基礎(chǔ)，復(fù)合細胞外基質(zhì)材料和原代皮質(zhì)神經(jīng)元，3D打印構(gòu)建了一個模塊化的三維腦皮質(zhì)組織。這種組織可用于體外評估大腦對機械損傷的反應(yīng)。

基于細胞的神經(jīng)組織生物3D打?。荷窠?jīng)斷裂是一種使人生活質(zhì)量受到嚴重影響的疾病。當前的修復(fù)金標準是感覺神經(jīng)和靜脈組織的自體移植。然而，這種需要二次手術(shù)的修補術(shù)可能會導(dǎo)致繼發(fā)感染等并發(fā)癥。美國密蘇里大學(xué)Owens等[5]報告了一種生物3D打印神經(jīng)管的方法，該小組以瓊脂糖為支撐結(jié)構(gòu)，逐層將骨髓間充質(zhì)干細胞和施旺細胞與膠原的復(fù)合物打印成神經(jīng)管，并在植入該神經(jīng)管的大鼠坐骨神經(jīng)損傷模型中檢測到了運動和感覺功能的變化。此項技術(shù)為神經(jīng)再生研究奠定了基礎(chǔ)。

3D打印支架修復(fù)神經(jīng)組織：為了促進組織愈合和再生，橋接組織空腔和限制膠質(zhì)瘢痕形成是十分必要的。研究發(fā)現(xiàn)，宏觀與微觀均被精確控制的3D打印仿生支架可通過調(diào)節(jié)損傷周圍炎性反應(yīng)，減少瘢痕組織的形成。支架還可通過橋接組織空腔，促進軸突再生并延伸至損傷側(cè)。

五、3D打印修復(fù)神經(jīng)損傷研究的未來發(fā)展方向

就目前的發(fā)展來看，3D打印技術(shù)在神經(jīng)修復(fù)領(lǐng)域已有所發(fā)展，但其整體水平仍處于研究開發(fā)階段[6]。要實現(xiàn)3D打印技術(shù)與神經(jīng)修復(fù)的融合及臨床轉(zhuǎn)化，我們還需要在以下幾方面努力。

提高分辨率：也就是在不改變形狀、強度和操作性的前提下，提高支架打印的精度。比如，可以通過增加粘合劑對激光的敏感度達到創(chuàng)建更加小型化和復(fù)雜化的結(jié)構(gòu)。此外，需要探索去除支撐結(jié)構(gòu)更容易的方法。

探索更加適合生物材料：當前，雖已有許多天然材料和合成材料應(yīng)用于神經(jīng)修復(fù)。但是，仍需要進一步探索能同時滿足3D打印儀器要求和具有神經(jīng)修復(fù)功能的材料。

打印過程中完成納米水平的材料表面改性：盡管在過去5年時間里，宏觀和微觀水平的制造技術(shù)闊步向前。但是由于當前3D打印技術(shù)苛刻的加工條件（加熱、有機溶劑），生化分子一般不直接加入到支架中，而是在后期處理中添加。因此，研究在支架制造過程中直接加入促進神經(jīng)生長和分化的生化分子的方法變得很必要。

材料的降解動力學(xué)和副產(chǎn)品研究：支架降解時間必須與組織修復(fù)時間相適應(yīng)，否則長期存在體內(nèi)的支架會使物質(zhì)傳輸受阻，繼發(fā)性缺氧和酸性降解物也將惡化組織環(huán)境，由此損害種子細胞和周圍細胞。因此，材料的降解動力學(xué)和副產(chǎn)品也是神經(jīng)修復(fù)中需要考慮的重要問題。

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2016-06-03）

（本文編輯：張麗）

10.3877/cma.j.issn.2095-9141.2016.05.014

300162 天津，武警后勤學(xué)院附屬醫(yī)院腦科中心

張賽，Email：zhangsai718@vip.126.com

符鋒,張賽.3D打印技術(shù)在神經(jīng)外科中的應(yīng)用[J/CD].中華神經(jīng)創(chuàng)傷外科電子雜志,2016,2(5):318-320.