將3D打印技術(shù)融入組織工程學實驗課程的探討

李 慧，柯 漁，薛 巍

（暨南大學 生物醫(yī)學工程系 生物材料廣東高校重點實驗室，廣東 廣州 510632）

組織工程學是一門結(jié)合工程學和生命科學原理興起的新興交叉學科[1]，其主要目的是研究和開發(fā)人體各種組織或器官替代物，用于修復(fù)缺損的器官，恢復(fù)其基本形態(tài)和生理功能，達到治療疾病的目的。從1987年美國國家科學基金會提出這一概念距今已經(jīng)有30多年[2]，隨著生命科學、材料學、醫(yī)學、力學和工程學等多學科的迅速發(fā)展和滲透交叉，組織工程學的發(fā)展也取得了令人矚目的成果。我國人口眾多，對器官移植或修復(fù)的需求越來越大，因此急需培養(yǎng)一批掌握組織工程先進技術(shù)的復(fù)合型專業(yè)人才，推動組織工程研究和實驗技術(shù)的全面發(fā)展。

3D打印又稱為“快速成型”（rapid prototyping,RP），最早由查爾斯赫爾于20世紀80年代提出[3]。3D打印技術(shù)基于計算機數(shù)控模型，結(jié)合光、機、電及新材料于一體，已廣泛應(yīng)用在生物醫(yī)學工程領(lǐng)域，如體外器官仿生模型打印、個性化假肢假體設(shè)計、個性化植入體制造、組織工程支架的制造，以及活體細胞和組織的打印等[4]，具體應(yīng)用如圖1所示。3D打印技術(shù)作為一項先進的制造技術(shù)，越來越多地應(yīng)用于組織工程領(lǐng)域，并有望突破傳統(tǒng)組織工程支架的障礙，因此，有必要在組織工程學實驗課程引入 3D打印，使學生將理論與實踐相結(jié)合，更深入地掌握組織工程領(lǐng)域最先進的技術(shù)。

圖1 3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學工程領(lǐng)域的應(yīng)用

1 組織工程學實驗教學現(xiàn)狀

我校生物醫(yī)學工程系是我國最早從事生物材料研究的單位之一，于1999年獲批廣東省高校生物材料重點實驗室，2011年獲批人工器官與材料教育部工程中心，2016年獲批廣東省生物醫(yī)學工程實驗教學示范中心，具有良好的生物材料研究基礎(chǔ)。3D打印作為一種新興的材料加工成型方式，對生物材料學科的發(fā)展起到了重要的作用。組織工程學研究的內(nèi)容主要包括種子細胞、生物材料、構(gòu)建組織器官的方法和技術(shù)、組織工程的臨床應(yīng)用等4個方面。我校開設(shè)的組織工程學實驗課，面向生物醫(yī)學工程專業(yè)本科生，主要圍繞種子細胞培養(yǎng)和組織工程支架構(gòu)建兩方面，并從課程內(nèi)容、課程設(shè)置等方面不斷進行改革。考慮到課程安排在三年級，學生已在低年級學習了基礎(chǔ)的生物學、生物材料學、生物材料加工工藝等課程。因此，2012年我們對實驗課程內(nèi)容進行調(diào)整，在組織工程支架制備上引入了先進的靜電紡絲技術(shù)。通過采用該技術(shù)，制備PLA等聚合物組織工程支架，然后培養(yǎng)種子細胞，研究細胞在支架上的黏附、增殖及分化。

隨著近幾年組織工程技術(shù)的更新和實驗室 3D打印設(shè)備的引進，我們認為很有必要再次對實驗內(nèi)容進行改革，在支架材料制備上引入 3D打印技術(shù)，使學生將課堂上學到的先進技術(shù)引入實驗室，同時對實驗內(nèi)容、教學方式和考核機制進行調(diào)整，不僅有利于培養(yǎng)學生扎實的組織工程學基礎(chǔ)知識和技能，掌握先進技術(shù)，而且能激發(fā)學生開展組織工程學相關(guān)領(lǐng)域科學研究的興趣與潛能。

2 3D打印實驗教學的優(yōu)勢

3D打印技術(shù)是近年來新興的一種快速成型技術(shù)，實驗技術(shù)要求較高，面向?qū)W生開設(shè) 3D打印實驗教學具有以下優(yōu)點。

（1）提升學生創(chuàng)新思維和設(shè)計能力。3D打印技術(shù)能夠打破傳統(tǒng)材料加工技術(shù)的限制，實現(xiàn)個性化、精細化打印。打印過程需要學生不斷調(diào)整參數(shù)對模型進行優(yōu)化，并可以把自己的創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實的功能化產(chǎn)品，能夠有效開發(fā)學生的創(chuàng)新思維，激發(fā)學生的創(chuàng)作設(shè)計熱情，充分發(fā)揮學生的主觀能動性。

（2）促進學科間的交叉融合。3D打印技術(shù)集先進材料技術(shù)、三維建模技術(shù)、加工制造技術(shù)等多門專業(yè)知識于一體，是多門課程和學科的融合，要求學生具有材料學、加工工藝學、機械制圖、計算機等專業(yè)知識，還要求有生物學知識背景，因此有助于實現(xiàn)學科間實驗的有機整合，促進學科間的交叉滲透，為培養(yǎng)復(fù)合型人才奠定有力的基礎(chǔ)。

（3）豐富教學模式。在傳統(tǒng)的實驗教學中不斷融入新的技術(shù)能夠有效豐富教學模式，提高學生的實驗興趣。3D打印技術(shù)作為一種新型實驗技術(shù)和教學方式，在傳統(tǒng)的實驗教學中引入數(shù)字化、智能化的概念，使實驗內(nèi)容和教學手段多樣化，能調(diào)動學生的積極性和參與度，使課堂氣氛更為活躍，教學效果更為突出。

3 3D打印技術(shù)融入組織工程學實驗的教學內(nèi)容探討

在組織工程學原有實驗內(nèi)容基礎(chǔ)上，引入 3D打印技術(shù)，不僅要讓學生了解 3D打印的原理、構(gòu)造、操作流程等基礎(chǔ)知識，還要讓學生掌握可用于 3D打印的生物材料，同時結(jié)合原有的靜電紡絲增材制造技術(shù)，比較幾種組織工程支架制造先進技術(shù)之間的差異，拓寬學生的知識面，讓其知識更成體系。為此，設(shè)計了幾種實驗教學項目。

3.1 綜合實驗——3D打印與靜電紡絲對比

組織工程研究的關(guān)鍵是盡可能模擬人體細胞外基質(zhì)，作為細胞支架保持細胞存活并行使正常功能。最近的發(fā)展趨勢包括使用靜電紡絲技術(shù)制造纖維網(wǎng)絡(luò)支架。靜電紡絲技術(shù)利用高壓電場力連續(xù)制備纖維，形成的支架比表面積大、孔隙率高。這種微納結(jié)構(gòu)接近天然細胞外基質(zhì)環(huán)境，利于細胞粘附、生長、遷移以及組織再生，在組織工程中顯示出較大的應(yīng)用潛力[5]。靜電紡絲制作的纖維材料常為二維膜，存在孔徑尺寸不足和厚度低于“塊狀支架”的問題，在臨床應(yīng)用中存在一些挑戰(zhàn)。3D打印技術(shù)基于電腦控制和計算機輔助設(shè)計（CAD）或計算機斷層掃描技術(shù)（CT），運用粉末狀材料逐層打印[6]。3D打印精度較高，可打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)并可快速成型，但機械強度較低。

單純從理論上為學生講解上述兩種技術(shù)的原理、特點和優(yōu)缺點，較為抽象，容易導(dǎo)致學生機械式記憶，不能深刻領(lǐng)悟先進技術(shù)的精髓。因此，在組織工程實驗課程的原有靜電紡絲制備支架基礎(chǔ)上加入 3D打印技術(shù)，將其設(shè)計成綜合性實驗，讓學生對同一種生物材料（如可降解性脂肪族聚酯PLA、PCL等）采取不同的加工制造技術(shù)，之后再對不同技術(shù)制備的支架材料從形貌、力學性能、生物學功能等方面進行對比，讓學生親自操作儀器。通過查閱文獻資料，調(diào)整參數(shù)，不僅可以使學生掌握先進儀器的操作技能，還能使學生更直觀、更深刻地理解兩種技術(shù)的原理、制備材料的設(shè)計思路，以及不同技術(shù)的特點和優(yōu)缺點，進一步加強學生的認知能力和實踐能力。

3.2 開放實驗——3D打印與靜電紡絲結(jié)合

基于非纖維結(jié)構(gòu)的 3D打印支架機械強度很低，不適合組織再生，因此最近組織工程領(lǐng)域許多研究集中在將靜電紡絲技術(shù)與 3D打印技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)兩種先進技術(shù)的優(yōu)勢互補。費城天普大學Gerstenhabe教授團隊使用 3D打印機，結(jié)合靜電紡絲技術(shù)，發(fā)明了一種直接打印到患者皮膚上的生物基個性化繃帶，實現(xiàn)了提高舒適度和促進傷口愈合的完美契合。上海大學劉媛媛等將 3D生物打印和靜電紡絲技術(shù)結(jié)合，制備了復(fù)合生物可吸收血管支架用于血管狹窄的治療[7]。東華大學莫秀梅教授（通信作者）等將靜電紡絲、3D打印等技術(shù)相結(jié)合，將靜電紡絲二維纖維制成了外觀形狀精確、力學性能良好、孔徑結(jié)構(gòu)可控的三維纖維支架，應(yīng)用于軟骨組織再生[8]。浙江大學計劍教授（通信作者）通過結(jié)合靜電紡絲和 3D打印兩種技術(shù)，制備了一種3D設(shè)計性可快速變形和性能增強的水凝膠，開辟了快速變形水凝膠致動器的應(yīng)用前景[9]。

綜上所述，在組織工程實驗課程中增加開放性實驗，讓學生在教師團隊指導(dǎo)下，通過查閱文獻，自己嘗試探索正確的材料組合，將靜電紡絲和 3D打印兩種技術(shù)有機結(jié)合，并不斷優(yōu)化條件，改善原有支架材料存在的缺陷，解決實際科學問題，將教師的科研成果有效引入本科教學中，能夠有效促進科教融合。同時，也能鼓勵學生早日走進實驗室參與科研實踐，有助于培養(yǎng)學生的科研思維能力、獨立分析問題與解決問題的能力。

3.3 創(chuàng)新實驗——學生自主設(shè)計3D打印模型

3D生物打印技術(shù)基于計算機三維模型，精確定位裝載生物材料或活細胞，制造體外醫(yī)學模型、醫(yī)療器械輔助工具、人工植入支架、人工組織器官等生物醫(yī)學工程產(chǎn)品[10]。3D打印未來有望實現(xiàn)體外或體內(nèi)直接打印活體器官或組織，從而替換功能障礙的器官或組織，解決目前臨床移植供體不足的問題。

在培養(yǎng)本科生 3D打印技術(shù)過程中，首先應(yīng)培養(yǎng)學生的空間想象能力，讓學生學會用立體思維方式去分析問題和解決問題。目前 3D打印常用的材料有金屬、陶瓷、聚合物（如PLA、ABS、PCL）、復(fù)合材料、光敏樹脂等。在組織工程實驗課程中增加 3D打印模型自主設(shè)計部分，讓學生自主選擇材料，根據(jù)自己的興趣設(shè)計不同形狀、不同功能的模具。這一方式不僅有助于讓學生深刻了解 3D打印機的構(gòu)造和原理、三維建模方式，了解不同材料的性能和加工方式，還能掌握整套先進工藝的制造流程與設(shè)計思路，同時能激發(fā)學生的創(chuàng)作熱情，提高其自主學習能力。

4 教學方式和考核機制的完善

在組織工程實驗中引入 3D打印技術(shù)的同時，也必將對教學方式和考核體系進行相應(yīng)的改革，改革的出發(fā)點是充分發(fā)揮學生的主觀能動性，突出學生在課堂上的主體地位。

4.1 “N+1”自主選擇實驗教學模式

為了充分調(diào)動學生實驗的積極性與主動學習的熱情，真正體現(xiàn)學生的主體地位，采取了“N+1”自主選擇實驗教學模式。如圖2所示，“N”指在實驗教師指導(dǎo)下完成的傳統(tǒng)組織工程學實驗，其中包括種子細胞培養(yǎng)系列技術(shù)（細胞的復(fù)蘇與凍存、細胞傳代培養(yǎng)等）、組織工程支架制備技術(shù)、支架生物學評價技術(shù)。“1”指學生自主選擇的3D打印實驗，學生從綜合實驗、開放實驗、創(chuàng)新實驗三種模式中自主選擇一項實驗內(nèi)容，2~4人一組，自由組合實驗團隊。實驗團隊成員通過查閱資料、確定實驗方案等，共同完成實驗項目。

圖2 “N+1”自主選擇實驗教學模式

在“N+1”實驗教學模式中，學生自主選擇生物材料，教師不再指定實驗所用的材料，學生通過查閱文獻了解不同材料的特性和適用范圍，從常用的生物材料中自己選擇一種進行實驗設(shè)計，也可以同時采用幾種材料進行比較分析。通過以上方式，打破了傳統(tǒng)的教師指定實驗材料，限定實驗內(nèi)容的機械式實驗操作，發(fā)揮了學生的主體作用，不僅能有效激勵學生主動參與實驗，還能促進學生間的相互交流，營造良好的學習氛圍。

4.2 教師團隊梯度指導(dǎo)

課程設(shè)計采取教師團隊梯度指導(dǎo)模式，指導(dǎo)教師包括實驗教師，以及專門成立的組織工程學實驗科研教師團隊。首先由實驗教師指導(dǎo)學生完成傳統(tǒng)的組織工程學實驗，確保學生掌握基本的組織工程學實驗知識與技能。之后實驗教師公布3D打印設(shè)計實驗方案，讓學生自主選擇實驗課題，成立實驗團隊，并在科研教師團隊中選定一位教師作為課程設(shè)計導(dǎo)師，充分查閱文獻確定設(shè)計題目與方案。科研教師對課程設(shè)計方案進行可行性分析，方案通過后與學生討論實驗細節(jié)，與實驗教師共同指導(dǎo)學生完成實驗，并參與學生的實驗課成績考核，鼓勵與幫助學生完成后續(xù)的科研成果發(fā)表工作。教師團隊梯度指導(dǎo)模式能夠充分保障學生的個性化設(shè)計，有效提升學生的科研思維能力，同時依靠科研教師的指導(dǎo)，可以進一步在本科教學中結(jié)合教師的科研成果，促進科教融合。

4.3 完善考核體系

考核體系是課程體系的重要組成部分，能有效調(diào)控教學活動，評價教學效果[11]。在原考核體系（100分）的基礎(chǔ)上，為3D打印增加30%的分值，總分為130分。采取學生答辯形式，融合實驗項目難度系數(shù)、個人或團隊開展與完成情況，還采用學生小組互評與教師團隊評價結(jié)合的形式，同時鼓勵學生參加科研競賽活動和論文寫作發(fā)表工作，并將科研成果作為加分項，納入實驗課程綜合考核，使課程體系更加完善，具體考核標準如表1所示。

表1 實驗成績考核標準

5 課程設(shè)想

3D打印目前存在以下問題：打印材料有限、打印工藝不夠完善、打印產(chǎn)品性能較差等。于是，研究者提出了通過計算機虛擬仿真對其進行優(yōu)化，同時實現(xiàn)3D打印的動態(tài)模擬與可視化操作[12]。借助計算機仿真軟件對整套 3D打印流程進行模擬，能優(yōu)化打印設(shè)計，降低打印失敗風險。

市場上針對不同材料的 3D打印仿真軟件主要有ANSYS、Amphyon、Simufact Additive、GENOA 3DP、FLOW-3D等，涵蓋金屬、陶瓷、聚合物等材料，每個軟件應(yīng)用側(cè)重點不同。下一步，計劃將虛擬仿真概念引入 3D打印實驗教學，建立虛擬仿真實驗室，并允許學生自主設(shè)置設(shè)計參數(shù)，線上線下教學相結(jié)合，3D打印虛擬仿真教學流程如圖3所示，不僅可為學生提供一種全新的可視化仿真打印過程，豐富教學方式，推進信息技術(shù)與實驗教學的融合，同時還可發(fā)揮學生的主觀能動性，拓展學生的知識面。

圖3 3D打印虛擬仿真教學流程

6 結(jié)語

3D打印技術(shù)本質(zhì)上是多媒體技術(shù)的延伸，能進一步拓展學生的思維能力。將 3D打印技術(shù)融入組織工程學實驗教學，結(jié)合傳統(tǒng)的組織工程支架制備技術(shù)與靜電紡絲技術(shù)，能夠提升學生的綜合能力、設(shè)計能力、動手能力與創(chuàng)造力，有效促進學生運用多門學科的綜合知識解決實際問題。在實驗教學中不斷探索和完善3D打印技術(shù)的應(yīng)用，有效推動了實驗教學的改革與發(fā)展。