3D打印技術在人工角膜制備中的研究

周楚建+何志國+原偉浩

摘要： 針對目前人工角膜鏡柱和支架黏合困難及眼角膜個性化較強的問題，本文將3D打印技術引入到人工角膜制備中，主要介紹了3D打印設備及材料的選擇，3D打印人工角膜的步驟和3D打印人工角膜的試驗研究。

Abstract： According to the problem of the column of artificial corneal mirror and bracket bonding difficultly and stronger personalized cornea， this paper introduces 3D printing technology into the preparation of artificial cornea， it mainly introduces the selection of 3D printing equipment and materials， the steps of 3D printing artificial cornea and the experimental study of 3D printing artificial cornea.

關鍵詞： 人工角膜；個性化；3D打印

Key words： artificial cornea；personalized；3D printing

中圖分類號：R318 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）04-0146-02

0 引言

角膜病是我國主要致盲眼病之一，據世界衛生組織統計，目前全球共有角膜盲患者約6000萬人，而中國約占500萬人。目前國內有41個角膜庫，因供體角膜缺乏，全國各大醫院每年完成的全部角膜移植手術僅有5000例左右。因此，迫切需要進行人工角膜的研制[1]。

目前人工角膜設計為光學鏡柱和支架兩部分，中央光學鏡柱要求光學性能好，支架主要用來固定光學部件。在人工角膜的設計中，較為成功的是Dohlman-Doan和Osteo-Odonto等，Dohlman-Doan人工角膜由于免疫排斥多次移植失敗且術前無嚴重炎癥者預后最好，而Stevens-Johnson綜合癥等預后較差[2]。Osteo-Odonto人工角膜由意大利科學家Strampelli首創。該人工角膜相對其他人工角膜的長期保留率高，但主要問題有術后視野受限，無法測量眼內壓等[3]。其他人工角膜還有BIOKOP人工角膜[4]、Seoul-type工角膜[5]、Cardona工角膜[6]等。

目前研究發現“鏡柱-支架”型人工角膜存在鏡柱和支架黏合困難，結合部強度較差，房水滲漏等缺點，此外，目前人工角膜都是按照相同參數進行制備的，但每個人的眼角膜是有差異性的，因此每個人的眼角膜是需要個性化定制的。

3D打印技術為人工角膜的研制提供了全新的手段，可以利用3D打印技術個性化性完成人工角膜光學中心和周邊支架的打印，使其成為完整的一體化結構，解決鏡柱和支架黏合困難，房水滲漏等問題。使用3D打印技術可以讓人工角膜光學部成為致密無孔隙結構，從而具有良好的透光性，不吸附細胞，無后膜形成。同時使用3D打印技術也可以讓人工角膜的周邊支架成為海綿狀多孔結構，使其具有合適的孔徑大小，即具有一定的抗拉強度，不會引起縫合困難，且能支持細胞生長、增殖和基質分泌，能與宿主角膜愈合成一體。

1 3D打印設備及材料的選擇

人工角膜植入受體后，需要提供組織細胞生長所需的支撐介質與環境，因此，對3D打印人工角膜的設備和打印材料要求較高。目前應用較多的3D打印設備有：光固化3D打印機（SLA）、選擇性激光燒結打印機（SLS）及熔融沉積成型（FDM）打印機等。其中，應用較廣泛的是選擇性激光燒結打印機（SLS），其采用分層疊加的成型原理，可將粉末材料打印成任何形狀的物體，已成為醫學界研究的重點。激光選區燒結（SLS）以 CO2激光器為熱源，激光波長為10.6μm，高分子材料對其吸收率較高，因此常用來制備個性化的醫用植入體[7-8]。在打印材料的選擇方面，適合激光選區燒結（SLS）的高分子材料有左旋聚乳酸（PLLA）、聚醚醚酮（PEEK）、聚乙烯醇（PVA）等，其中聚乙烯醇具有良好的生物相容性和柔韌性，可作為人工角膜打印的3D打印材料，具體信息可參考文獻[9]。

2 3D打印人工角膜制備步驟

2.1 建立并導入人眼視覺模型

采用CT掃描或MRI影像數據資料為基礎采集眼角膜的三維數據，用CAD 軟件（比如Pro/E、UG、SolidWorks等）建立眼角膜的三維實體模型，再通過有關軟件（如Mimic）利用特征數據點重構眼角膜的三維模型。在建立模型時要盡量與患者的眼角膜匹配性趨于一致。

將構成的三維模型文件進行逐層切片，轉化為三維打印系統能識別的STL文件，然后這些信息傳送到3D打印機上。當模型文件轉換為STL格式文件時，可能會出現一些數據的丟失，需要使用Magics等軟件進行模型數據修復。

2.2 3D打印機導入數據

將上述步驟得到的患者眼球模型數據導入計算機內，利用離散程序將模型進行切片處理，設計掃描路徑，產生的數據將精確控制激光掃描器和升降平臺的運動。

2.3 打印材料的準備

以選擇性激光燒結打印機（SLS）為例，如圖1所示，可選擇打印材料為粒度為150μm的聚乙烯醇粉末。

2.4 實施3D打印

3D打印過程中關鍵是工藝參數的設置，工藝參數主要有激光功率、分層厚度、燒結溫度等。以聚乙烯醇粉末為例，參數設置如表1所示。

3 3D打印人工角膜的試驗研究

3D打印人工角膜是否符合植入標準還需進行一系列的檢測，主要的檢測指標有含水率，拉伸強度、折射率等。以含水率的測定為例，將試樣用濾紙擦干表面的水份后稱重，得試樣的重量W1，然后將試樣在70℃真空干燥后稱重，得干樣的重量W2；含水率CW的計算如式（1）所示。endprint

CW=（W1-W2）/W1×100% （1）

式樣含水率≥50%為合格。其他指標的檢測標準如表2所示。

4 結論

3D 打印技術特有的成型機理使得其廣泛應用在各個行業。本文介紹了3D打印技術在醫學界的應用，以人工角膜的制備為例，詳細講解了3D打印技術在人工角膜制備中的應用。3D打印技術有效解決了傳統“鏡柱-支架”型人工角膜存在的問題，并可根據不同人的眼角膜進行個性化定制，具有廣泛的應用前景。

參考文獻：

[1]Polisetti N， Islam MM， Griffith M. The artificial cornea. Methods Mol Biol. 2013， 1014： 45-52.

[2]Aquavella JV， Qian Y， McCormick GJ， Palakuru JR. Keratoprosthesis： the Dohlman-Doane device. Am J Ophthalmol. 2005， 140（6）： 1032-1038.

[3]Norris JM， Kishikova L， Avadhanam VS， Koumellis P， Francis IS， Liu CS. Comparison of 640-Slice Multidetector Computed Tomography Versus 32-Slice MDCT for Imaging of the Osteo-odonto-keratoprosthesis Lamina. Cornea. 2015， 34（8）： 888-894.

[4]Alio JL， Mulet ME， Haroun H， Merayo J， Ruiz Moreno JM. Five year follow up of biocolonisable microporous fluorocarbon haptic （BIOKOP） keratoprosthesis implantation in patients with high risk of corneal graft failure. Br J Ophthalmol. 2004， 88（12）： 1585-1589.

[5]Lee SM， Kim MK， Shin MS， Wee WR. Matrix metalloproteinase-9 expression in the Seoul-type keratoprosthesis implanted corneas with concurrent cultivated autologous oral mucosal epithelial cell transplantation. Graefes Arch Clin Exp Ophthalmol. 2013， 251（2）： 619-622.

[6]Vijayasekaran S， Robertson T， Hicks C， Hirst L. Histopathology of long-term Cardona keratoprosthesis： a case report. Cornea. 2005， 24（2）： 233-237.

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[8]黃衛東，呂曉衛，林鑫.激光成形制備生物醫用材料研究現狀與發展趨勢[J].中國材料進展，2011，30（4）：1-10.

[9]潘騰，朱偉，閆春澤，等.激光選區燒結3D打印成形生物高分子材料研究進展[J].高分子材料科學與工程，2016，32（3）：178-183.endprint