3D打印技術在醫療領域的研究進展

，

(1 山東省中醫藥研究院，山東 濟南 250014； 2 曲阜中醫藥學校； 3 精密測試技術及儀器國家重點實驗室)

3D打印(Three Dimensional Printing)，即快速成型技術。是一種計算機控制，基于數字模型文件，通過計算機輔助設計或斷層掃描數據，按照逐層疊加的原理，通過打印材料構建出三維立體精細的模型[1-4]。近年來，隨著各個行業對精密度的要求越來越高，3D打印技術也隨之飛速發展，成為當前研究的熱點。3D打印具有成本低、速度快、精度高的優點，在航空航天、工業設計、生物醫學等領域得到了廣泛的應用[5]。在傳統醫藥行業市場中，工廠批量生產的生物材料不能滿足病人需求，新生3D打印技術具有個性化、小批量和高精度等優勢，可以解決健康產業個性化需求與生產規模之間的矛盾。目前，3D個性打印已在牙科、骨科等領域得到應用。本文主要從3D打印技術的原理與分類、3D打印在醫療方面的應用、3D打印研究的瓶頸及研究前景3個方面進行綜述。

1 3D打印技術的原理與分類

1.1 光固化立體印刷(SLA)

簡稱光造型術，是目前最廣泛的3D打印工藝。通過液體光敏聚合物經紫外照射處理來描繪物體，從而達到建模的目的。在光固化材料中低聚物是最基礎的材料，包括聚富馬酸二羥丙酯(PPF)、脂肪族聚酯、聚碳酸酯以及蛋白質、多糖等天然高分子。為了降低系統的黏度，避免由于噴嘴的高黏度導致堵塞，需要在反應體系中加入雙鍵的小分子溶劑，即稀釋劑。稀釋劑可以參與整個固化反應，在光敏樹脂體系中十分重要。SLA具有成型速度快、精度高的特點，但也存在制作成本較高、清洗雜質時可能會影響原形狀等缺點[6]。王權[7]選用SLA技術制備alginate/hydroxyapatite水凝膠活性支架，并復合Atsttrin蛋白，檢測活性支架性能和骨修復能力，結果發現支架性能優異，并且對骨有很好的促修復作用。

1.2 熔融沉積成型(FDM)[8]

也被稱為熔融堆積法。選用熱熔噴頭，將半流動狀態的材料在指定的位置凝集，逐層堆積后形成器件。該工藝主要選用熱塑性材料，包括石蠟、塑料、尼龍絲和低熔點金屬、陶瓷等。FDM工藝的關鍵是保持半流體材料熔點溫度(約高于熔點1 ℃)。每一層的厚度是由擠出絲的直徑所決定的，通常是0.25～0.50 mm。FDM材料利用率高，工藝簡單，但精度低[9]。該方法適用于制備中小型規模(中等復雜度)零件，不適合制造大型零件。KARASHIMA等[10]通過混合不同濃度的磷灰石以及聚乳酸(PLA)，采用FDM打印該復合支架，研究支架的生物活性。實驗表明，通過使用3D打印PLA復合材料，磷灰石質量分數為0.0184，該復合材料具有較高的生物活性和生物降解性，作為植入物前景良好。韓永杰等[11]以聚己內酯(PCL)為原料利用FDM制備無孔隙及孔徑300、500 μm 3種PCL支架，并檢測其生物相容性，探討其作為組織工程骨支架的潛力。MTT法檢測結果表明，支架在1、2、3 d均可促進細胞生長，無細胞毒性，用快速成型技術制備的聚合物具有較高的孔隙率，良好的生物相容性，具有制作骨組織工程支架的潛力。

1.3 選擇性激光燒結(SLS)[12]

SLS法，即利用紅外激光束燒結粉末。具有加工速度快的優點，但是成型產品表面較粗糙，處理過程中會產生粉塵或毒氣，高溫也會造成一部分材料變性或降解。郭凌云等[13]應用SLS法構建3D支架，以羥基磷灰石(HA)和PCL為原材料，運用SLS法制備純PCL支架和含HA質量分數為0.05、0.10的HA/PCL復合支架。結果顯示，支架的三維多孔結構彼此相連接，隨著HA含量的增加，抗壓強度略有下降，但支架親水性提高。含質量分數為0.10 HA的PCL支架表現出良好的細胞相容性。SLS制備的HA/PCL支架，外形可塑性、孔隙結構良好，具有良好的力學性能和細胞相容性，為其制作骨組織支架提供了保證。

2 3D打印技術在醫療領域的應用

2.1 構建個體化3D模型，模擬或指導手術過程

傳統手術治療的醫學模式主要是通過X射線等影像學檢查獲得的二維數據，根據醫生的經驗確定手術方案，不能滿足個體化需求。3D打印可對復雜幾何形狀物體建模，并與已有的二維數據相結合，得到科學準確的病人病變部位模型，為醫生手術治療提供精準指導。

個體3D打印模型的構建對手術治療有重要的指導作用，使復雜手術更加準確。何泓等[14]通過對病人盆腔進行MRI掃描，獲取原始圖像后構建病人腹腔內臟器的3D模型。術前根據3D模型演練，決定采用經后路子宮切除術，從而保證了手術過程的順利進行，精確完整地切除子宮。后又嘗試將此技術應用于個體化的胎盤植入手術中。

王棟等[15]通過3D打印技術處理5例典型的上頸椎CT圖像，用來構建骨骼三維立體模型，并應用于骨科規培時的臨床教學和手術指導。該模型不僅可以使學生親自參與實驗，而且在臨床上可以為醫生提前確定手術方案、模擬手術過程、熟練手術操作及預計手術結果。3D模型有助于加深對人體解剖學的理解，達到精準手術要求，提高臨床工作興趣，對臨床教學以及手術指導有重要意義。

2.2 3D打印人工骨支架

骨組織主要由米羥基磷灰石和膠原組成，成分簡單，構建骨組織工程得到了廣泛關注，并取得飛速發展。傳統的支架技術，不能在微觀上對支架的孔徑進行調控，而3D打印技術可以模仿天然骨復雜多孔的結構，使構建精細骨組織支架成為了可能。PLA是從植物資源(如玉米)所提取出的淀粉原料制成，具有良好的生物可降解性，可最終生成二氧化碳和水。PLA還有良好的力學性能，易加工塑形，在藥物控釋、內固定、組織工程、人造皮膚等領域都有應用，這是近年來的一個研究熱點[16]。HA是一種與骨的無機成分相近的骨替代材料[17]，因優異的生物相容性和骨傳導作用，已廣泛作為制作骨組織工程支架的材料。

TANODEKAEW等[18]將PLA以及HA采用SLA技術制備成復合支架，并觀察細胞增殖和細胞毒性及評估成骨細胞活性，結果表明，在早期的培養中，HA和孔徑大小對支架的生物活性和成骨細胞的分化具有促進作用，從而證明了它們在骨修復中的應用潛力。

李翠笛[19]采用3D打印技術構建鈣磷硅基骨修復支架。研究發現，垂直孔為350 μm的MCS/CPC支架具有適宜的孔隙率、抗壓力學強度及細胞相容性，并有利于細胞黏附。負載rhBMP-2后，可顯著加快新生骨組織形成，植入初期，纖維組織即可在連通孔道中自由生長，在植入約12周后，CPC、MCS/CPC支架、MCS/CPC/rhBMP-2支架的新生骨面積分別為7.3%、10.1%、24.3%，MCS/CPC/rhBMP-2支架新生骨面積明顯高于CPC和MCS/CPC支架，而且該支架材料機械性能良好，是一種理想的骨缺損修復材料。

周燁等[20]對8例下頜骨腫瘤病人，進行CT和MRI掃描，應用快速成型技術制作腫瘤模型和修復塊模型，通過三維重建，術前明確了腫瘤位置，術中引導骨腫瘤截骨，術后對手術效果進行評價。結果顯示，8例病人無局部復發，無感染、松動、斷裂等并發癥發生，避免了腫瘤邊界切除不準確及術后病理性骨折等并發癥發生。

金光輝等[21]用SLS技術構建納米HA/PCL人工骨支架，觀察修復兔橈骨大段骨缺損效果。研究發現，術后12周，復合材料組材料植入區板層骨生成明顯，通過SLS技術，HA/PCL人工骨支架具有良好的組織結構和生物相容性，結合種子細胞后能修復骨缺損，降解速率優于純PCL人工骨支架。

2.3 3D打印人工器官和血管

據統計，我國每年有150萬的器官移植需求，但是只有1.5萬人能獲得合適的器官。3D打印技術的日漸成熟為新型器官移植提供了技術保障。相比較傳統的人造器官，3D生物打印制造的器官更容易被人體接受，可降解，并且可以代替損傷的器官。但如何保持組織工程里細胞的活性也是目前器官打印的難點。

劉媛媛等[22]采用生物3D打印和靜電紡絲制備可吸收血管支架，并將成纖維細胞負載到血管支架(CBVS)上，檢測其相容性、力學性能和細胞增殖情況。實驗表明，細胞可以良好地黏附在支架上，并有助于細胞增殖。

2.4 軟骨組織工程方面的應用

軟骨組織是由膠原、一部分細胞以及水份組成。由于軟骨組織中軟骨細胞的代謝活性較低，且無血管分布，所以軟骨組織損傷后自我修復能力有限。雖然，目前軟骨組織工程仍處在實驗階段，距離有效臨床應用尚有距離，但其發展速度和臨床應用前景已被廣泛關注。

張維杰等[23]采用雙相聚乙二醇/β-磷酸三鈣骨制備軟骨復合支架，考察對軟骨缺損模型的修復情況。結果顯示，復合支架組術后軟骨明顯修復，未見明顯免疫排斥反應及感染等并發癥。徐奕昊[24]通過3D打印技術構建鼻翼軟骨，并將軟骨細胞PGA/PLA支架體外培養后，植入裸鼠皮下，發現體內培養8周后的軟骨形態與人鼻翼軟骨無明顯差異。初步探討了應用3D打印技術輔助構建鼻翼軟骨的可行性，為臨床上鼻翼再造手術精細化要求提供了理論基礎和技術支持。秦海燕等[25]選用聚氨酯彈性體為原材料，FDM打印人耳廓形態多孔支架，通過體內和體外培養，發現支架的孔徑大小及支架的彈性與正常耳廓相當，移植于裸鼠體內也可以形成較為成熟的軟骨組織。

2.5 活細胞打印技術

3D打印可以精確控制細胞及細胞外基質的分布，并形成與人體組織或器官類似的三維結構。目前細胞打印技術僅探索性地開展了高通量制備含單細胞胞滴的研究。杭州電子科技大學自主研發出一臺生物材料3D生物打印機(Regenovo)，該機實現了無菌條件下的生物材料和細胞的3D生物打印，而且新型的溫控單元和打印噴頭設計，能夠支持從-5 ℃到260 ℃熔融的多種生物材料打印，支持活細胞打印，打印的細胞存活率高達90%，存活時間最長可達4個月[26]。劉冬生課題組[27]與英國瓦特大學Will Shu(舒文淼)等合作的DNA水凝膠材料已成功應用于活細胞的3D生物打印，此凝膠可以通過多層打印實現厘米級結構的構建，有足夠好的強度維持其形狀，不塌縮也不溶漲，可以被(特定的)DNA內切酶迅速解離，且可以保持細胞活性。

2.6 制藥工程方面的應用

傳統藥物制成一定劑型，對制劑的有效性、安全性、精密性要求很高，3D打印技術通過計算機精準控制劑量、形狀，精準控制藥物釋放達到實現個性化給藥，使藥物得到更有效的利用。

黃衛東等[28]以慶大霉素為模型藥物，發現在掃描電鏡下，與傳統方法制備的藥物相比較，3D打印的藥物截面微孔更均勻、分布更好；在體外釋放方面，也能維持平穩釋放濃度，釋藥特征與所設想的復雜釋藥行為一致?？梢钥闯?D打印成形技術應用于制藥工程有著其他技術無法競爭的獨特優勢。余燈廣等[29]應用3D打印技術制備豆腐果苷零級控釋片，通過性能分析和體外釋藥試驗，結果控釋片中95.29%的豆腐果苷在7 h內能以零級速率釋放，獲得所需要的藥物緩控釋效果，性能符合標準。

3 3D打印研究的瓶頸及研究前景

大量實驗及臨床試驗結果表明，3D打印技術在滿足個體獨特性方面具有其他技術無法競爭的優勢。如制備3D醫學模型進行臨床教學以及手術指導；結合種子細胞形成骨科支架材料，修復骨缺損；為新型器官移植提供了技術保障；輔助構建軟骨組織，滿足臨床上軟骨再造手術的精細化要求；精確控制細胞及細胞外基質的分布，形成與人體組織或器官類似的三維結構；通過計算機精準控制劑量、形狀，精準控制藥物釋放實現個性化給藥；制備符合要求的精密的劑型，使藥物得到更有效的利用。

但打印材料的種類依然有限，是阻礙3D打印技術的主要瓶頸。目前可用的材料主要有塑料、樹脂和金屬等，而3D打印主要方式是將材料以“墨水”形式打出，并迅速固化。因此“墨水”在具有一般生物材料良好的生物相容性和可降解性的同時，還需考慮打印成型后，仍需保持原有生物活性和力學強度，這極大限制了3D打印的適用范圍?，F有的3D打印設備，只能打印中小尺寸物件，并且精密度隨著物件的增大而降低。受打印機工作原理的限制，打印生物材料多局限于化學聚合物，并且速度也很慢，不能滿足日益增長的需求。從監管部門的角度來看，要求提供質量穩定、標準一致的產品，而3D是針對不同病人提供不同產品，與傳統監管制度存在沖突。

3D打印技術涵蓋多門學科，其在生命科學領域必將成為未來研究熱點，對組織工程、再生醫學和醫療科研都將產生革命性的突破。

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