3D打印在眼科血管性疾病的應用進展

方健文，朱佩文，邵 毅

0引言

1892年Blanther提出用分層制作的方法來制作地形圖，被認為是3D打印技術的思想起源，但在隨后的數十年3D打印技術發展緩慢，直到20世紀50年代后，3D打印出現了井噴式發展，第一臺3D打印機在20世紀80年代中期問世，代表著3D打印技術的成熟。2012年美國將3D打印技術寫入發展工作計劃，推動了3D打印的研究熱潮，其技術在多個領域的發展日新月異，2012年也被認為是現代3D打印技術的元年。目前，醫學界正在迅速地接受這一新技術，并將其應用于多種疾病的研究和治療。本文將對3D打印在眼科血管性疾病的應用進展進行簡要綜述。

1 3D在眼科血管性疾病應用的理論基礎

3D打印模型能夠提供觸覺反饋和組織學、病理學上具體的有形的信息，提供了醫學數字成像和通信技術無法提供的需求[1]。3D打印以數字模型文件為基礎創建物理對象[2]，通過將塑料或金屬材料一層一層地堆積產生三維物體[3]。到目前為止，3D打印技術在醫學領域已經取得了許多成果，包括3D打印假牙[4]、骨支架[5]、細胞[6]、血管[7]、皮膚[8]和耳朵[9]等。在眼科方面則有3D打印眼鏡[3]、角膜[10-11]、眼眶模型[12]、眼球模型[13]，甚至3D打印視網膜[14]等應用。

3D數字圖像和軟件是3D打印的重要組成部分，其中最常用的影像來自傳統的電子計算機斷層掃描(computed tomography，CT)和磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)[15]。在臨床上實踐3D打印技術并不容易，需要使用不熟悉的軟件和打印技術，但是隨著醫學的快速發展，3D打印與醫學各個領域的融合將會加速其在臨床上的應用發展。3D打印對于血管性疾病有獨特的優勢[16]，以往的影像學檢查只能顯示血管的二維情況，就算是三維血管造影也只是在平面上展示三維的血管成像，而3D打印技術可以和影像檢查結合，將目標血管段在體外重塑，直觀地顯示出病變血管段的形態學結構，有助于臨床醫生更加形象地了解血管的解剖學變化，從而做出更準確的診斷。以肝膽外科為例，肝部分切除術的手術計劃依賴于對腫瘤與肝內血管樹三維關系的精確理解，Yang等[17]進行了一項特別的實驗，他們選擇了4個預先切除的腫瘤，對每個腫瘤進行多探測器計算機斷層掃描，虛擬三維重建和3D打印，然后將45名住院醫生分為3組(多探測器計算機斷層掃描組、虛擬三維重建組和3D打印組)，利用3種不同的技術對腫瘤進行評估，然后給出手術建議并記錄評估時間。結果發現3D打印組醫生對腫瘤位置的理解和手術切除范圍建議均較其他組準確、迅速。對于眼科血管性疾病，3D打印同樣能夠提供具體可視化的血管系統，并幫助醫生制定和改進治療方案。視網膜和脈絡膜作為眼部的兩個血管系統，對正常眼功能起到重要作用。眼底血管病變是許多眼部疾病發生的原因，甚至會導致失明。糖尿病視網膜病變(diabetic retinopathy，DR)、中心性漿液性脈絡膜視網膜病變(central serous chorioretinopathy，CSC)和年齡相關性黃斑變性(age-related macular degeneration，ARMD)等疾病都存在血液循環和血管形態發生變化的情況[18]。通過3D打印可視化有助于診斷相關的眼科疾病。

目前，3D打印的應用不僅僅局限于模型的制造，通過3D打印技術打印生物材料[19]以及活細胞、組織和器官的研究已經成為研究熱點。患者對人工制造的生物性細胞、組織和器官的需求并未得到很好的緩解，而3D打印有望在未來的發展中提供有效的幫助。

2 3D打印與視網膜血管性疾病

人眼視網膜是一種高度復雜的血管化組織，其包含的多種細胞彼此配合才能將視覺信號傳遞給大腦。未來某些疾病可以通過移植視網膜上特定的細胞進行治療，如ARMD患者移植視網膜色素上皮細胞[20]，部分患者甚至需要進行全視網膜移植。因此，3D打印視網膜模型、視網膜細胞和人工視網膜對視網膜疾病的研究、診斷和治療十分必要。

布魯赫氏薄膜(Bruch’s membrane)的改變被認為與ARMD的發生相關[21]。有研究通過3D打印技術成功地打印出一種由聚己內酯(polycaprolactone，PCL)、人視網膜色素上皮細胞系和人視網膜母細胞瘤細胞系等組成的混合視網膜結構[22]。PCL超薄膜被用來代表布魯赫氏薄膜，最終超薄膜上形成完整的細胞單層。可見3D打印技術在構建細胞和組織結構上具有很大的潛力。視網膜模型有助于ARMD的診斷和早期治療。這種視網膜等同物可用于研究視網膜相關疾病的發病機制、治療方案和藥物輸送，在視網膜相關領域具有廣泛的應用前景。

噴墨打印是許多3D打印技術的基礎，該方法已經成功地打印出多種哺乳動物的神經細胞，并創造了細胞結構[14]。噴墨打印技術可分為熱噴墨式和壓電式，兩種方式均能夠打印出活細胞，能夠替代神經退行性疾病、腦或脊髓損傷導致退化和損傷的細胞，這種創造細胞的能力將會在再生醫學中得到有效的應用。英國一項研究表明，成年大鼠的視網膜神經節細胞和神經膠質細胞可以通過壓電式噴墨打印技術打印出來，并證實該打印技術不會對打印出的視網膜細胞的生存能力產生顯著的影響，打印出的神經膠質細胞也能夠保持生長特性，為開發用于再生醫學的打印移植物提供了可能性[23]。但是由于壓電式打印出來的視網膜細胞要么在培養液中沉積成單層，要么會沉積在打印出的神經膠質細胞上，該技術能否應用到視網膜的打印中還有待觀察。美國一項研究通過模擬視網膜細胞組織，使用熱噴墨3D細胞打印技術在靜電紡絲支架表面將打印出來的視網膜神經節細胞精確連接，并且能夠維持打印細胞的存活、正常電生理特性和軸突生長[24]。盡管如此，3D打印視網膜還是存在一定的困難，主要挑戰是能否進行高密度精確打印細胞從而獲得構成功能性視網膜所需要的細胞數量。此外，對長期細胞存活的功能性組織來說，脈管系統是至關重要的，能否形成維持組織細胞生存的血管系統是3D打印技術在血管應用中成熟的關鍵。到目前為止，構建包含不同細胞類型和血管網絡的多層組織仍受到技術限制[14]，而提高生物打印的分辨率可以允許在設計的組織內打印血管網絡[25]。

視網膜血管性疾病是以視網膜血管改變為主要表現的一類疾病，包括DR、視網膜靜脈阻塞(retinal vein occlusion，RVO)和視網膜血管炎等。DR是糖尿病微血管并發癥，威脅著所有糖尿病患者，如未及時治療將導致視力下降或失明[26]。DR的主要表現有黃斑水腫、微血管瘤和視網膜出血等。RVO是成年人獲得性視網膜血管異常最常見的原因之一，也是視力下降的常見原因之一[27]。RVO根據阻塞位置分為視網膜中央靜脈阻塞(central retinal vein occlusion，CRVO)和視網膜分支靜脈阻塞(branch retinal vein occlusion，BRVO)。RVO的主要表現有視網膜水腫、出血等。視網膜血管炎可分為特發性或繼發于感染、腫瘤或全身炎癥性疾病，導致血管阻塞和視網膜缺血，最終會嚴重威脅視力[28]。

光學相干斷層掃描血管造影(optical coherence tomography angiography，OCTA)作為一種新型的、無創性的眼底血管造影技術，可以顯示出脈絡膜的3D結構，并能檢測脈絡膜血流的變化[29]。通過觀察脈絡膜成像可以發現和診斷早期的脈絡膜血管疾病，并且有助于研究這些疾病的發病機制、治療和用藥效果[30]。與傳統的二維血管造影技術眼底熒光血管造影(fluorescence fundus angiography，FFA)和吲哚菁綠血管造影(indocyanine green angiography，ICGA)相比，OCTA提供了深度信息，而且無需注入熒光染料，避免了不良反應發生的風險[18]。隨著成像技術的進步和3D打印技術的發展，血管腫瘤及其并發癥的檢測、診斷和監測都有了很大的改善。Maloca等[31]首次使用OCTA數據集進行視網膜血管的3D打印，該打印模型可用于深入研究視網膜血管的3D結構和視網膜微循環中不同血管網絡的相互作用。OCTA已被證明可以保存各種視網膜疾病的3D結構，包括DR、RVO和黃斑毛細血管擴張[32]。OCTA與3D打印的結合可能有助于改善視網膜血管疾病的診斷及評估，并可成為介入治療方案和藥物開發的平臺，為視網膜血管性疾病的研究提供了新的思路。

3 3D打印與脈絡膜血管性疾病

脈絡膜位于視網膜和鞏膜之間，具有十分豐富的脈管系統，對于視網膜色素上皮和外層視網膜的氧化和代謝活動至關重要[33]。目前，OCTA已被廣泛應用于視網膜血管網絡的成像，然而更深層的脈絡膜成像更具有挑戰性[34]。近年提出的掃頻光學相干斷層掃描技術(swept source OCT，SS-OCT)具備掃描速度提高及穿透深度加深的優點，可通過密集的光柵掃描獲得3D的OCT數據集，較傳統OCT更為精準，經相應程序處理所得到的SS-OCT血管造影(SS-OCT angiography，SS-OCTA)成像系統可迅速對脈絡膜分層成像，并準確定位血管位置和深度[35]。通過SS-OCT進行可視化研究可以獲得脈絡膜血管和腫瘤的3D視圖，以及容積、體積數據[36]，表明SS-OCT可用于輔助檢查和監測脈絡膜腫瘤病變。Maloca等[37]首次將通過SS-OCT收集的健康眼睛和患有脈絡膜色素瘤的眼睛數據用于對脈絡膜血管和腫瘤的3D打印中，最終獲得了數個3D打印的OCT模型，這些模型展現了脈絡膜血管的解剖結構及其與脈絡膜腫瘤之間的相互作用。但是，由于目前的技術無法對某些細小血管進行成像，脈絡膜毛細血管層難以構建。對患者3D脈絡膜模型的觀察研究有助于評估脈絡膜的滲透性或炎癥性疾病。

4其他

2015年，Furdová等[38]利用CT和MRI數據，通過3D打印技術制造出具有葡萄膜黑色素瘤的眼球模型，用于改良對脈絡膜黑色素瘤患者的立體定向放射治療。觀察具有腫瘤的眼球模型可以獲得腫瘤在眼內的真實情況，消除在確定腫瘤邊界過程中的主觀影響，提高治療方案的精準度。

5展望

3D打印作為一種快速成型制造技術，具有能夠與不同學科交叉結合的優點，目前正處于飛速發展、趨于成熟的階段。在醫學領域中，3D打印的應用為醫學工作者提供了更多的選擇，如個性化治療、精準治療等。3D打印快捷、精準的特點符合臨床應用的要求。與此同時，3D打印的缺點也十分明顯，在臨床上大范圍應用還需要對其技術進行一定的改進和完善。隨著臨床治療需求的增加，未來適用于臨床輔助治療的3D打印材料會越來越多，制作成本也會越來越低。3D打印活的細胞、組織和器官還有許多進步空間和潛力，值得持續關注。3D打印在眼科的應用同樣有著廣闊的前景，我們相信更加精準的3D打印眼球模型、更加真實的人工眼組織、更加精確的3D打印眼部血管系統等3D打印的應用，都將推動眼科血管性疾病的研究進展，在臨床治療中發揮更加重要的作用。