生物33DD打印的研究進(jìn)展

王錦陽(yáng)，黃文華南方醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院人體解剖教研室//廣東省生物力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510515

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生物33DD打印的研究進(jìn)展

王錦陽(yáng)，黃文華
南方醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院人體解剖教研室//廣東省生物力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510515

摘要：3D打印技術(shù)是基于計(jì)算機(jī)三維數(shù)字成像技術(shù)及多層次連續(xù)打印的一種新興應(yīng)用技術(shù)。生物3D打印技術(shù)則是基于3D打印的基礎(chǔ)上，以活細(xì)胞為原料結(jié)合生物材料、生命體材料的拓展延伸，打印活體組織與器官的一種技術(shù)。生物3D打印技術(shù)已在再生醫(yī)學(xué)及器官移植方面取得了一定的成果，被應(yīng)用于骨骼、皮膚、人造血管、心臟組織等再生與重建領(lǐng)域。本文主要從生物3D打印技術(shù)的方式及特點(diǎn)，生物3D打印技術(shù)的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用，生物3D打印的發(fā)展前景的展望等幾個(gè)方面進(jìn)行簡(jiǎn)要的綜述。

關(guān)鍵詞：生物3D打??；研究現(xiàn)狀；應(yīng)用領(lǐng)域

當(dāng)前，被譽(yù)為“第3次工業(yè)革命的重要標(biāo)志之一”的3D打印，正發(fā)展成為醫(yī)學(xué)工程中的一項(xiàng)熱門研究技術(shù)，其相關(guān)研究在國(guó)內(nèi)外掀起了一波新的發(fā)展熱潮。生物3D打印是3D打印技術(shù)的一個(gè)分支，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［1］。生物3D打印是生命科學(xué)、材料科學(xué)、制造科學(xué)交叉融合的新興產(chǎn)物，在生物體外構(gòu)建具有一定生物功能的組織和器官，用于病損組織和器官的修復(fù)與替代［2］。這個(gè)新技術(shù)通過(guò)解決了傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)問(wèn)題中的瓶頸問(wèn)題而備受關(guān)注，大幅提高醫(yī)學(xué)發(fā)展水平，成為令人矚目的生命科學(xué)前沿。本文主要從生物3D打印技術(shù)的方式及特點(diǎn)、生物3D打印的研究現(xiàn)狀、生物3D打印的應(yīng)用于生物3D打印的發(fā)展前景幾個(gè)方面展開(kāi)簡(jiǎn)要綜述。

1　3D打印技術(shù)和生物3D打印技術(shù)概述

3D打印技術(shù)，又稱3D快速成型技術(shù)或增材制造技術(shù)，是20世紀(jì)80年代后期開(kāi)始逐漸興起的一項(xiàng)制造技術(shù)，它以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、個(gè)性化、定制化為特點(diǎn)，被認(rèn)為是推動(dòng)第3次工業(yè)革命的核心技術(shù)，目前已被各國(guó)作為戰(zhàn)略化新興產(chǎn)業(yè)大力發(fā)展［3］。3D打印技術(shù)是將物體的CT成像數(shù)據(jù)或計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）模型數(shù)據(jù)，以STL格式文件輸入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，分成若干層二維平面數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制的3D打印系統(tǒng)使激光束按照計(jì)算機(jī)指定路徑掃描，按照“分層制造，逐層疊加”的原理，將打印材料材料在激光產(chǎn)生的高溫下熔融后立即固化，固化的材料逐層疊加打印，最終獲得與原型相一致的三維產(chǎn)品的新型數(shù)字化成型技術(shù)［4］。由于3D打印技術(shù)可以制造出傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法完成的結(jié)構(gòu)，開(kāi)辟了巨大的數(shù)字設(shè)計(jì)空間，卻不增加制造的時(shí)間與成本，因此成為科技新焦點(diǎn)并吸引了全球的目光。然而，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)，目前已采用生物3D打印技術(shù)制造出骨骼、皮膚、血管、腎臟等人體器官。生物3D技術(shù)是以計(jì)算機(jī)三維模型為基礎(chǔ)，通過(guò)離散-堆積的方法，將生物材料或細(xì)胞按仿生形態(tài)、生物體功能、細(xì)胞特定微環(huán)境等要求，用增材制造法打印出同時(shí)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)與功能的生物三維結(jié)構(gòu)、體外三維生物功能體、再生醫(yī)學(xué)模型等生物醫(yī)學(xué)產(chǎn)品的3D打印技術(shù)，該技術(shù)在生命科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，現(xiàn)已成為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那把丶夹g(shù)之一。

2　生物3D打印技術(shù)的方式和特點(diǎn)

2.1噴墨生物打印

噴墨式打印機(jī)的原理是，依靠聲波或熱使得生物材料液滴滴落而成型。聲波噴墨打印機(jī)用聲輻射力量與超聲波場(chǎng)把液滴從氣液界面噴射出，通過(guò)控制超聲參數(shù)以控制液滴的大小與滴出速率，其優(yōu)點(diǎn)是避免了熱與壓力對(duì)生物材料的影響，同時(shí)可控制液滴的大小、并避免了噴口的堵塞，缺點(diǎn)是對(duì)打印的材料黏度有一定的限制；熱噴墨打印機(jī)運(yùn)行依靠電加熱打印頭，產(chǎn)生壓力脈沖而使液滴離開(kāi)噴嘴，其優(yōu)點(diǎn)為打印速度快、成本低、應(yīng)用廣泛，但在打印過(guò)程中會(huì)使細(xì)胞與生物材料承受熱與機(jī)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［5］。不難看出，噴墨生物打印的局限性是生物材料必須以液態(tài)形式存在，才能形成液滴。

2.2微擠壓成型生物打印

微擠壓成型生物打印的工作原來(lái)是，將熱熔性材料通過(guò)加熱器熔化，材料先抽成絲狀，通過(guò)送絲機(jī)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(yùn)動(dòng)，同時(shí)將半流動(dòng)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，并與周圍的材料粘接，層層堆積成型［5］。該技術(shù)的缺點(diǎn)是，打印出的細(xì)胞存活率低，限制了其在再生醫(yī)學(xué)組織構(gòu)建方面的應(yīng)用。

2.3激光輔助生物打印

激光輔助生物打印機(jī)（LAB）的工作原理是，在玻璃板吸收層上用激光聚焦產(chǎn)生一個(gè)高壓液泡，將帶有細(xì)胞的材料推到接受基體上，其優(yōu)點(diǎn)是噴頭為開(kāi)放式，不存在噴頭堵塞的問(wèn)題，同時(shí)對(duì)細(xì)胞傷害小，細(xì)胞存活率高達(dá)95%以上，缺點(diǎn)為價(jià)格較高，限制了其臨床應(yīng)用［6］。

3　生物3D打印技術(shù)的研究現(xiàn)狀

3.1生物3D打印技術(shù)在國(guó)外的發(fā)展

目前，生物3D打印技術(shù)在國(guó)外發(fā)展迅速，得到制造、生物科學(xué)等領(lǐng)域科研人員的重點(diǎn)關(guān)注。2009年，韓國(guó)浦項(xiàng)科技大學(xué)的Lee等［7］在生物制造領(lǐng)域使用微型SLA技術(shù)生產(chǎn)組織支架。英國(guó)諾丁漢大學(xué)教授Sawkins等［8］利用細(xì)胞和蛋白兼容生物3D打印技術(shù)制造出機(jī)械性強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)用于骨修復(fù)。哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用學(xué)院教授Kolesky等［9］基于生物3D打印技術(shù)構(gòu)造出異構(gòu)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的血管。美國(guó)大力加強(qiáng)生物3D打印技術(shù)的研發(fā)，如：三維乳房癌組織測(cè)試系統(tǒng)的研究、細(xì)胞打印應(yīng)用于創(chuàng)面修復(fù)的研究、基于細(xì)胞組裝的集成微肝臟模擬壯志的研究等［10］。麻省理工學(xué)院（MIT）、美國(guó)德雷賽爾大學(xué)（Drexel）等研究機(jī)構(gòu)在細(xì)胞3D打印、器官打印等領(lǐng)域?qū)Ｗ⒀芯?。部分醫(yī)療研究機(jī)構(gòu)及公司利用生物3D打印技術(shù)打印出動(dòng)脈、心肌組織、肺臟、腎臟等人體器官。Lee［11］科研組制備了內(nèi)徑1 mm的3D打印水凝膠管道模型，成功誘導(dǎo)周圍毛細(xì)血管形成了微血管床。Koch等［12］研究證實(shí)了將負(fù)載成纖維細(xì)胞與角化細(xì)胞的膠原為原料，經(jīng)3D打印技術(shù)用于皮膚組織再生的可行性。

3.2生物3D打印技術(shù)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展

國(guó)內(nèi)的生物3D打印技術(shù)發(fā)展勢(shì)頭迅猛，接近國(guó)際水平。來(lái)自杭州電子科技大學(xué)徐銘恩團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)出一臺(tái)生物材料3D打印機(jī)，目前已在這臺(tái)打印機(jī)上成功打印出較小比例的人類耳朵軟骨組織、肝單元等［13］。該研究成果被國(guó)際頂尖期刊Biomaterials評(píng)為2012年在生物3D打印領(lǐng)域的最高水平。中國(guó)臺(tái)北國(guó)立臺(tái)灣大學(xué)分子科學(xué)與工程學(xué)院的Hsieh等［14］利用溫敏生物材料載神經(jīng)干細(xì)胞結(jié)合生物3D打印技術(shù)在中樞神經(jīng)系統(tǒng)修復(fù)的應(yīng)用。清華大學(xué)徐弢等[15]利用心肌細(xì)胞和生物材料模擬打印了動(dòng)物心臟。發(fā)現(xiàn)打印出的細(xì)胞能夠有節(jié)奏地跳動(dòng)，提示打印出的器官可以具有一定的功能，還將羊水中提取的干細(xì)胞進(jìn)行3D打印，并加入骨系分化因子，獲得了活性的骨組織。同時(shí)，千人計(jì)劃國(guó)家特聘?？翟＝▓F(tuán)隊(duì)利用Rollovesseller3D打印平臺(tái)，以含種子細(xì)胞、生長(zhǎng)因子和營(yíng)養(yǎng)成分等組成的“生物墨汁”，結(jié)合其他材料層層打印出產(chǎn)品，經(jīng)打印后培育處理，形成有生理功能的組織結(jié)構(gòu)；并發(fā)明生物打印的核心技術(shù)生物轉(zhuǎn)的專利，即一種新型的精準(zhǔn)的具有仿生功能的干細(xì)胞培養(yǎng)體系。國(guó)內(nèi)生物3D打印技術(shù)發(fā)展迅速，已在細(xì)胞、器官、醫(yī)療植入體等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展。

4　生物3D打印技術(shù)的臨床應(yīng)用

4.1人造骨骼

由于人體骨骼形態(tài)不規(guī)則，個(gè)體形態(tài)差異較大，因此，個(gè)性化定制人工骨骼在臨床應(yīng)用中有廣泛的需求。瑞士伯恩塞爾醫(yī)院的Weinand［16］領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)成功復(fù)制了他自己的拇指骨。比利時(shí)哈塞爾特大學(xué)BIOMED研究所利用激光輔助3 D打印技術(shù)為患者打印并移植了下頜骨［16-17］。南方醫(yī)科大學(xué)黃華軍等［18］收集臨床復(fù)雜脛骨平臺(tái)骨折病例以及常用脛骨平臺(tái)鋼板的CT數(shù)據(jù)，進(jìn)行骨折三維重建、虛擬復(fù)位以及建立鋼板三維模型庫(kù)，然后進(jìn)行內(nèi)固定方案的數(shù)字化設(shè)計(jì)。3D打印出骨折復(fù)位模型以及鋼板模型，在3D模型上按照數(shù)字化設(shè)計(jì)內(nèi)固定方案進(jìn)行模擬手術(shù)，結(jié)果顯示3D打印技術(shù)結(jié)合數(shù)字化設(shè)計(jì)能有效的提高復(fù)雜脛骨平臺(tái)骨折內(nèi)固定植入效果。

4.2人造血管

當(dāng)代，隨著心腦血管疾病的增多，臨床上對(duì)血管移植物的需求日益突出。如今，利用生物3D打印技術(shù)可以方便快速地制造出可供移植的血管和血管修復(fù)材料。新加坡南洋理工大學(xué)的Leong等［19］試圖利用選擇性激光燒結(jié)制造血管支架結(jié)構(gòu)，研究適合于SLS技術(shù)的聚合物及其成形結(jié)構(gòu)的特性，提出了制造條件、制造精度、材料生物相容性和可重復(fù)性是3D打印技術(shù)的關(guān)鍵要素。又如，美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)Miller等［20］首先將碳水化合物玻璃打印成網(wǎng)格狀模板，用澆注法復(fù)合載細(xì)胞水凝膠形成管道狀血液通路。Lee等［21］制備了內(nèi)徑1 mm的3D打印水凝膠管道模型，成功誘導(dǎo)周圍毛細(xì)血管形成了微血管床。德國(guó)的Gunter Tovar博士利用3D打印雙光子聚合和生物功能化修飾制作出毛細(xì)血管，具有良好的彈性與人體相容性，不但可以用于替換壞死的血管還能與人造器官結(jié)合，還可能使構(gòu)造的組織與器官實(shí)現(xiàn)再生血管［21］。

4.3人造器官

2011年美國(guó)Wake Forest University的AnthonyAtala在TED大會(huì)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(zhǎng)足的發(fā)展［22］。美國(guó)Organovo公司利用生物3D打印技術(shù)打印出人體肝臟薄片，微型肝臟只有0.5 mm厚、4 mm見(jiàn)方，卻具有真正肝臟的大多數(shù)功能。杭州電子科技大學(xué)的徐銘恩教授團(tuán)隊(duì)自主成功研制出了可打印生物材料和活細(xì)胞的商品級(jí)3D打印機(jī)，目前已在這臺(tái)打印機(jī)上成功打印出較小比例的人類耳朵軟骨組織、肝單元等。肝小葉是肝結(jié)構(gòu)和功能的基本單位，模仿肝小葉結(jié)構(gòu)制備肝單元，是制造人工肝臟的關(guān)鍵步驟。

4.4皮膚修復(fù)

研究者探索將不同細(xì)胞外基質(zhì)應(yīng)用于皮膚3D打印技術(shù)中，最大限度提升皮膚的活性及其他天然屬性，從而有效促地進(jìn)移植后受損皮膚的修復(fù)及打印皮膚與正常皮膚創(chuàng)緣的融合。在這方面，Baca等［22］采用多孔納米生物材料模擬細(xì)胞外基質(zhì)，證實(shí)該納米生物材料可保持細(xì)胞的水分、滲透壓、pH值等理化特性，并有效促進(jìn)和維持細(xì)胞的生長(zhǎng)。采用靜電紡絲技術(shù)制成多層膠原支架，同時(shí)將人皮膚成纖維細(xì)胞和角朊細(xì)胞直接沉積在支架上，取得了良好的皮膚組織再生效果［23］。Hahn等［24］用光刻技術(shù)修飾融化凝膠模型的表面形狀，將人真皮成纖維細(xì)胞加在凝膠內(nèi)，將其打印在透明載體上，這樣細(xì)胞只能黏附在暴露的或不被修飾的凝膠表面，繼而實(shí)現(xiàn)讓細(xì)胞在必要的區(qū)域生長(zhǎng)。借此更好地控制打印出的皮膚組織塊形態(tài)和結(jié)構(gòu)，保證打印的皮膚組織與傷口皮膚缺損完全吻合，為臨床中的個(gè)體化治療奠定基礎(chǔ)，并實(shí)現(xiàn)3D打印皮膚向轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)的順利過(guò)渡。

5　展望

抓住生物3D打印新一輪的發(fā)展契機(jī)，對(duì)發(fā)展我國(guó)生物3D打印技術(shù)的研究步入國(guó)際先進(jìn)水平具有十分廣闊的發(fā)展前景。目前，生物3D打印技術(shù)，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存，如：?jiǎn)渭?xì)胞、多種細(xì)胞、細(xì)胞團(tuán)簇的受控三維空間輸送、精準(zhǔn)定位、排列與組裝，以及生物制造過(guò)程中對(duì)細(xì)胞的損傷及生物功能的影響等。由于人體復(fù)雜的器官結(jié)構(gòu)及功能的多樣性，細(xì)胞與生物材料的特殊性，材料學(xué)、制造學(xué)、生物學(xué)等多交叉學(xué)科的合作及多噴頭生物3D打印設(shè)備的應(yīng)用，必將成為學(xué)科未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)與主流，也是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜器官制造的核心所在。在不遠(yuǎn)的將來(lái)隨著研究的不斷深入、各學(xué)科的整合與突破、諸多科學(xué)問(wèn)題的逐一突破，生物3D打印將會(huì)成為一種非常簡(jiǎn)單、容易、迅速的醫(yī)療技術(shù)，也將成為臨床上最為準(zhǔn)確、快捷、有效的修復(fù)手段，最終高效應(yīng)用于臨床，造福于患者。

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醫(yī)學(xué)教育

Research status and application of 3D bio-printing

WANG Jinyang, HUANG Wenhua
Department of Anatomy, National Key Discipline, School of Basic Medical Sciences, Southern Medical University, Guangzhou 510515, China

Abstract:3D print is a new applied technology that based on the computer three-dimensional digital imaging technology and multi-level continuous printing. 3D bio-printing is based on 3D print, which is the extension of living cells combine with biological materials and life materials to print living tissues and organs. 3D bio-printing has made some achievements in the field of regenerative medicine. It has been used in the regeneration and reconstruction of the bone, skin, blood vessel, cardiac tissue, etc. In this paper, a brief review was made of the types and features of 3D bio-printing, the research status and application of 3D bio-printing and the development prospects of this technology, ect.

Key words:bio-3D printing; research status; application fields

通信作者：黃文華，教授，電話：020-61648181，E-mail: Hwh@fimmu.com

作者簡(jiǎn)介：王錦陽(yáng)，在讀博士研究生，E-mail: wangjinyang327@aliyun. com

基金項(xiàng)目：廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2014B090901055）；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2015B010125005）

收稿日期：2015-12-01