3D 打印技術在生物醫學領域的應用及展望

蔡軍杰，魏曉慧，林 松*，劉麗娜，劉 博，劉士勝

（1.軍事科學院系統工程研究院衛勤保障技術研究所，天津 300161；2.聯勤保障部隊第980 醫院邯鄲院區醫學工程科，河北邯鄲 056001；3.河北工程大學附屬醫院醫學影像科，河北邯鄲 056004）

0 引言

1990 年，美國麻省理工學院的Sachs 等[1]首次提出了3D 打印這一概念。20 世紀90 年代以來，3D 打印技術取得了蓬勃發展。2003 年，美國南卡羅納大學的Mironov 等提出生物組織器官3D 打印的概念[2-3]。3D 打印是相對于傳統平面打印而言，打印出來的物體是立體的。在立體成型方面，相對于傳統加工的等材制造、減材制造，3D 打印是典型的增材制造，即逐層疊加形成三維結構。3D 打印作為決定未來經濟和人類生活的顛覆性技術之一[4]，有效地將材料、機械制造、信息處理、電子設備及工程設計等學科深度融合，突破了傳統制造工藝受限于結構復雜性難以進行加工制造的困境。通過3D 打印定制個性化產品，將降低生產成本，引領一場新的工業革命[5]。目前，3D 打印廣泛應用于生物醫學、航空航天、建筑設計、文化產業、工業制造和軍事裝備等領域，特別是在生物醫學領域，3D 打印發揮著越來越重要的作用[6]。

3D 打印技術的前身即快速成型技術。其基本思想是以數字化3D 模型為基礎，對物體進行數字化分層，得到每層的二維加工路徑等信息，利用合適的材料和工藝，通過自動化控制技術，沿著設定路徑逐層打印，最終累積成三維物體。經過幾十年不斷探索和發展，3D 打印根據打印原理大致可分為7 類，分別是：（1）薄材疊層，包括疊層實體制造（laminated object manufacturing，LOM）；（2）立體光固化，包括光固化成型（stereo lithography appearance，SLA）、數字光處理（digital light processing，DLP）、連續液面提取（continuous liquid interface production，CLIP）、雙光子聚合（two-photon polymerization，TPP）；（3）材料擠出，包括熔融擠出成型（fused deposition modeling，FDM）、直接墨水書寫（direct ink writing，DIW）；（4）材料噴射，包括納米顆粒噴射（nanoparticle jetting，NPJ）、聚合物噴射（polymer jetting，PolyJet）、電噴印（electrohydrodynamic jet printing，E-Jet）；（5）黏結劑噴射，包括三維打印與膠粘（three dimensional printing and gluing，3DP）；（6）粉末床熔融，包括激光選區燒結（selective laser sintering，SLS）、激光選區熔化（selective laser melting，SLM）、直接金屬燒結（direct metal laser sintering，DMLS）、電子束熔化（electronbeammelting，EBM）；（7）定向能量沉積，包括激光立體成型（laser solid forming，LSF）、電子束熔絲成型（electron beam freeform fabrication，EBFF）[7-8]。

3D 打印可以同時融合多種打印技術原理，如PolyJet 噴出的是光固化樹脂，噴射完成后進行紫外光固化。TPP、E-Jet 等可實現微納尺寸結構（一般50 μm 以下）3D 打印[8]。受限于材料、工藝、技術水平等方面因素，目前成熟并廣泛應用的3D 打印技術包括 LOM、SLA、FDM、SLS、SLM、3DP、DIW 及DLP。這些打印方式各有優缺點，適用于不同的打印場景。本文將重點介紹3D 打印技術在生物醫學領域的應用及發展前景展望。

1 3D 打印在生物醫學領域的應用

由于適用于小批量、高度定制等場合，3D 打印迅速與生物醫學結合，形成生物3D 打印。生物3D打印有廣義和狹義之分。廣義生物3D 打印是指直接為生物醫學領域服務的3D 打印。狹義生物3D 打印是指操作含有細胞的生物墨水構建活體組織結構，是生物3D 打印的高級階段和終極目標。從發展進程來看，廣義生物3D 打印可大致分為4 個層次，分別是醫療輔具、不可降解植入物、可降解植入物和載細胞打印[9]。

1.1 第一層次：醫療輔具

1.1.1 適用范圍

醫療輔具是3D 打印技術在生物醫學領域的初級應用，主要產品包括醫學模型和體外醫療器械等，一般不要求生物相容性。在醫療輔具制備方面，3D打印技術通常與醫學影像技術結合，模擬構建人體結構模型，有助于患者和醫務人員更好地了解病情并擬定手術方案。

1.1.2 相關研究

Stoker 等[10]于1992 年首次將SLA 技術用于顱頜面外科整形手術的術前模擬，開啟了3D 打印對外科手術指導的大門。張濤等[11]報道在156 例高血壓性腦出血血腫穿刺術中，78 例使用了利用患者顱腦CT 數據進行3D 打印的手術導板確定穿刺導管的角度、深度及位置。相對于傳統穿刺術，手術導板提高了定位準確性，更有效地清除了血腫，如圖1 所示。Raisian 等[12]在10 例單側眶底骨折修復術中，5 例根據患者未受影響的對側眼眶CT 數據采用聚乳酸（polylactic acid，PLA）進行 3D 打印眼眶模型，由于PLA 具有良好的生物相容性，在模型標識點附近，可安全地個性化彎曲用于修復骨面的鈦網。與另外5例常規彎曲鈦網對比，在眼球內陷及其他并發癥等方面，植入個性化鈦網重建眶骨骨折具有更好的效果。顧飛等[13]在18 例初次單側膝關節單髁置換術中，利用患者膝關節CT 及MRI 數據，在計算機軟件上測量及模擬截骨，利用3D 打印技術打印個性化截骨導板并指導手術，術后下肢力線滿意，早期膝關節功能得到明顯改善。周路球等[14]利用30 例顱內動脈瘤患者的三維CT 血管造影數據將動脈瘤及毗鄰重要組織等比例打印出來，進行術前模擬手術訓練，為提高手術準備質量、改善患者預后效果提供了保障。3D 打印將實現傳統醫學模型向擬人化醫學模型發展，通過硅膠材質、多色彩材質、多X 射線吸光度材質、嵌入式系統及傳感器技術等，實現醫學模型材質擬人化、色彩擬人化、影像學擬人化、功能擬人化及智能化，大大提高醫務人員技能培訓水平及手術規劃能力等[15]。

圖1 3D 打印手術導板輔助血腫穿刺術[11]

1.1.3 評價

將3D 打印醫療輔具用于教學、培訓、手術輔助、手術模擬及術前規劃等，可促進醫學知識的傳播，有效減少手術時間和出血量，提高手術精度和成功率[16-17]。相對于傳統醫學模式，3D 打印醫療輔具能大大提高醫務工作者的醫學認知和手術水平。

1.2 第二層次：不可降解植入物

1.2.1 適用范圍

不可降解植入物主要是使用鈦、鈦合金、鉭等不可降解生物惰性金屬材料進行3D 打印，這些材料具有優異的生物相容性、強耐腐蝕性、高強度等優點[18]。鈦和鈦合金是目前牙齒、骨植入物的主要金屬原材料，鉭等金屬材料仍處于研究階段，臨床應用剛起步。根據金屬材料的結構和特性，金屬3D 打印方式主要包括SLS、SLM 及EBM。

1.2.2 相關研究

游嘉等[19]利用3D 打印技術打印出連通多孔結構的鈦金屬多根牙種植體，孔隙300～400 μm，通過動物實驗及對照，骨組織長入種植體表面孔隙內，且具有高骨組織致密性，表明3D 打印牙種植體具有良好的骨結合能力。張豪等[20]對13 例患者使用3D打印鈦合金胸肋骨植入物進行胸壁缺損重建手術，隨訪觀察1 a，未發生植入物斷裂、移位、排斥、過敏等情況，臨床效果良好，可滿足個性化胸壁重建修復需求。郭宇等[21]根據8 名患者骨盆CT 數據，根據髖臼骨缺損形態設計并打印鈦合金骨小梁金屬臼杯（如圖2 所示），結合植骨等技術，重建髖臼骨缺損。臨床結果顯示，術后患者大大改善了髖關節功能，可恢復關節旋轉中心，早期臨床療效滿意。裴延軍等[22]行6 例患者下肢骨腫瘤切除術，骨缺損長度（18.19±3.74）cm，利用3D 打印技術打印鈦合金假體并植入，與缺損部位匹配良好。至末次隨訪，無腫瘤復發及轉移，假體穩定，未發生假體周圍感染等，5 例患者能正常活動，獲得良好的短期臨床療效。Wauthle 等[23]通過SLM 制備多孔鉭植入物，具有高孔隙率、高彈性模量、無細胞毒性等特點，滿足骨植入材料要求。動物實驗表明，植入體內后有明顯骨組織長入，與骨界面形成較好的結合，證明3D 打印多孔鉭植入物具有優良的力學性能、生物相容性和骨傳導性等，可以用來修復治療骨缺損。

1.2.3 評價

鈦等金屬植入物在臨床應用中被廣泛使用，并在今后相當長一段時間內仍是臨床使用主流，但因其射線不可透、不可生物降解等缺陷，在特定場合有必要研制新型材料進行替換。

圖2 3D 打印鈦合金骨小梁金屬臼杯[21]

1.3 第三層次：可降解植入物

1.3.1 適用范圍

可降解植入物主要用于骨組織工程支架、神經支架等。根據材料屬性可分為3 類，分別是：（1）金屬，包括鐵合金、鎂合金；（2）生物陶瓷無機材料，包括羥基磷灰石（hydroxyapatite，HA）、β-磷酸三鈣（betatricalcium phosphate，β-TCP）、硅酸鈣（CaSiO3）、硅酸二鈣（2CaO·SiO2）；（3）聚合物，包括聚己內酯（polycaprolactone，PCL）、聚乳酸-羥基乙酸共聚物（poly（lactic-co-glycolic acid），PLGA）[24]。植入物可定制合適的剛度和孔隙度，最大限度促進組織融合及自身降解。金屬材料力學性能好，生物相容性較差；生物陶瓷無機材料力學性能差，生物相容性好；聚合物力學性能和生物相容性均較好。為了平衡力學性能及生物相容性等方面因素，多采用復合材料進行可降解植入物的生物3D 打印。

1.3.2 相關研究

Chou 等[25]通過黏結劑噴射打印、燒結等過程形成鐵錳合金可生物降解骨支架，支架表現出與天然骨相似的拉伸力學性能、良好的生物相容性，是一種較為理想的生物應用材料。Bose 等[26]將氧化鐵和二氧化硅混入β-TCP 中，利用3D 打印形成支架，動物實驗表明，摻雜Fe3+、Si4+能促進早期新骨和血管的形成，加速骨缺損愈合。Lai 等[27]以鎂（Mg）粉、PLGA、β-TCP 為原料，采用低溫3D 打印技術制備了新型多孔PLGA/TCP/Mg（PTM）支架。在兔類固醇相關性骨壞死實驗中表明，PTM 能顯著促進新骨形成及血管生長，表現出較好的力學性能，是一種很有前途的復合生物材料。Zhang 等[28]采用3D 凝膠打印多孔硅酸鈣骨組織工程支架，通過調整配比、固化成型、自然干燥、脫脂、燒結等過程，得到的支架具有均勻的孔隙和微孔，支架的孔隙率和抗壓強度與人體松質骨相當，如圖 3 所示。Williams 等[29]使用 SLS 制備多孔PCL 支架用于骨組織工程，研究表明，支架抗壓強度和模量均在松質骨范圍內，支持骨組織入內生長。Vijayavenkataraman等[30]以PCL 和還原氧化石墨烯（reduced graphene oxide，rGO）采用 E-Jet 打印出PCL/rGO 支架，實驗表明，PCL/rGO 支架比 PCL 支架更能促進PC12 細胞的神經分化，為解決周圍神經損傷、制作神經引導導管提供了可選方案。

1.3.3 評價

圖 3 3D 打印 CaSiO3 支架[28]

在特定情況下，具有安全降解產物的可降解植入物比不可降解植入物對人體影響更小，更有利于人體組織生長及功能恢復。部分可降解植入物已在臨床上初步使用，但需要突破的技術瓶頸還有很多，如降解周期的優化、降解產物對患者的長期影響及生產成本等，還需要科研人員不斷研究探索。

1.4 第四層次：載細胞打印

1.4.1 適用范圍

載細胞打印是指活體細胞包裹在水凝膠等生物材料中形成生物墨水，以3D 打印的方式構建器官或器官原型，可廣泛應用于組織修復、組織發育機制及藥物篩選等場合[31]。水凝膠是由分散在水介質的親水聚合物鏈通過各種交聯機制形成的，常用的親水聚合物包括海藻酸鹽、明膠、甲基丙烯酸酐化明膠（methacrylate gelatin，GelMA）。交聯是指液態轉變為鎖水網絡狀固態的過程，交聯機制包括熱誘導糾纏、分子自組裝、靜電相互作用、離子交聯和化學交聯[32]。水凝膠等生物材料的作用是打印時保護細胞不受損壞，使細胞分布均勻、防止沉降，打印后為細胞生長模擬體內環境。常見的載細胞打印方式有DIW、SLA和E-Jet 等[33]，前2 種打印方式使用最為廣泛。目前載細胞打印的研究主要集中在皮膚、血管、軟骨、組織器官及腫瘤模型等方面。

1.4.2 相關研究

圖4 3D 打印與人工沉積制備皮膚組織的對比[34]

Lee 等[34]運用擠出式生物打印技術以角質形成細胞和成纖維細胞作為表皮和真皮的組成細胞、膠原作為真皮基質，分層對皮膚進行模擬打印，組織學和免疫熒光表征表明，3D 打印的皮膚組織在形態學和生物學上可代表人類活體皮膚組織。對比傳統皮膚工程方法（人工沉積），3D 生物打印皮膚具有靈活性、重復性、形狀保持和培養能力等方面的優勢，可作為進一步研究皮膚病模型的基礎，如圖4 所示。Kolesky 等[35]利用人骨髓間充質干細胞（human mesenchymal stem cells，HMSCs）、新生兒真皮成纖維細胞（human neonatal dermal fibroblasts，HNDFs）、臍靜脈內皮細胞（human umbilical vein endothelial cells，HUVECs）組成的多種生物墨水打印血管，將實質、基質和內皮整合到血管厚組織中，形成可灌注、內皮化的血管網絡組織，為人體組織制作和研究開辟了新的路徑。Nguyen 等[36]利用人誘導多能干細胞（human induced pluripotent stem cells，hiPSCs）、受輻射的人軟骨細胞、納米纖維素（nanofibrillated cellulose，NFC）和海藻酸鹽組成生物墨水進行3D 打印，有明顯的軟骨生成，可作為未來關節軟骨修復的一種治療手段。Lee 等[37]使用懸浮水凝膠自由形式可逆嵌入（freeform reversible embedding of suspended hydrogels，FRESH）方法，用膠原蛋白進行3D 打印，形成具有一定功能的心臟“零件”，這項突破性研究向全尺寸打印心臟及人體其他器官邁近了一步。Ma 等[38]通過DLP 利用hiPSCs 來源的肝祖細胞（hepatic progenitor cells，HPCs）和支持細胞嵌入到三維微觀六邊形水凝膠結構，促進細胞成長，形成肝小葉結構，該模型具有天然肝臟結構，可用于肝病藥物篩選和建模等。Yi 等[39]利用生物墨水直寫構建高度仿生的體外膠質母細胞瘤模型，根據不同患者產生特異性的腫瘤類似物，觀察體外環境放、化療對患者腫瘤的細胞學影響及特異性反應，幫助評估方案的治療效果，為臨床精準用藥提供依據。

1.4.3 評價

目前，載細胞打印仍處于實驗室研究階段，需要解決能不能造、能不能活、能不能用等問題，具體包括水凝膠等生物材料成型精度能否達到組織要求、營養素輸送能否滿足細胞需求、堆疊細胞能否發揮整體生物組織功能。盡管載細胞打印取得一些成績，但依然任重而道遠。

2 3D 打印在生物醫學領域的前景展望

2.1 國家層面支持

近年來，國家有關部門對3D 打印產業發展高度重視，分別在標準化發展、規章制度保障等方面給予支持，大力推進3D 打印技術在生物醫學領域標準化、規范化發展，先后出臺了GB/T 35351—2017《增材制造術語》、GB/T 35021—2018《增材制造工藝分類及原材料》等十余項關于增材制造的國家或行業標準。根據國家藥品監督管理局2019 年第53號公告和第70 號通告，發布了《定制式醫療器械監督管理規定（試行）》《無源植入性骨、關節及口腔硬組織個性化增材制造醫療器械注冊技術審查指導原則》。隨著生物3D 打印技術進一步發展成熟以及應用場景的拓展，國家將出臺更多標準、規范和制度，進一步規范定制式醫療器械監督管理，保障定制式醫療器械的安全性、有效性。

2.2 生物材料發展

生物材料是用于人體修復、治療等作用的特殊類型材料，生物3D 打印對生物材料有較高的要求。對于體外接觸人體的生物材料，一般要求具有生物相容性，如殼聚糖、瓊脂糖、纖維素、纖維蛋白、膠原蛋白、明膠、海藻酸鹽等。對于植入體內的生物材料，一般要求具有生物活性或生物可降解性，如鎂合金、羥基磷灰石、硅酸鈣、磷酸鈣和生物活性玻璃等。近年來，細胞作為一種生物材料進行3D 打印帶來了更高的挑戰，細胞的活性直接決定打印體的活性。目前，可選擇的生物材料依然有限，隨著材料科學的發展，特別是材料科學進一步與細胞生物學結合，將研發更多適合3D 打印的生物材料并應用于生物醫學領域。

2.3 打印技術革新

為滿足生物醫學領域產業化需求，需進一步提高3D 打印技術的效率和精度等。目前，3D 打印效率普遍偏低且精度不足，特別是載細胞打印，打印產物表面粗糙度較高，流體的流變性能對打印精度有較大影響。此外，3D 打印成品需要大量人工參與，特別是支撐物去除和后處理等環節。3D 打印技術在工藝上有進一步提升的空間，例如可與等材、減材等傳統制造工藝結合，實現優勢互補及效益最大化；可與人工智能、云計算等技術結合，提高自主學習能力，推動3D 打印智能化發展。

2.4 多元交叉融合

與“互聯網+”一樣，3D 打印將作為一種技術手段融入人類生活的方方面面，形成“3D 打印+”，即“3D 打印+傳統行業”，促進傳統行業優化升級轉型，推動科技不斷進步。在生物醫學領域，3D 打印技術將與傳統醫學技術深度融合，創造新的醫療產品，形成多元交叉。目前，3D 打印在藥物制備、給藥方式、傷口敷料等方面取得了較大的進步。在不改變配方的前提下，利用3D 打印技術打印具有特定形狀的藥片，通過調整體積和表面積等，控制藥物釋放曲線，定制個性化藥物；利用SLA 等技術打印聚合物微針貼片，在微針貼片表面噴涂藥品用于經皮給藥（transdermal drug delivery，TDD）；3D 定制打印具有較高孔隙率的水凝膠敷料，有望更有效促進感染傷口愈合，抑制瘢痕組織形成。隨著3D 打印與不同元素交叉，將帶來更多新型產品。

3 結語

3D 打印技術在理論上較為完備，技術工藝上也不斷創新突破。作為一項革新的技術，3D 打印改變了人們的思維方式，給科學研究提供了強有力的工具，并有望創造出巨大的社會和經濟效益。目前，3D打印技術已在生物醫學領域廣泛應用，未來將持續深入生物醫學領域的各個方面，開啟生物醫學個性化設計和促進醫療水平質的提高，為人類健康事業提供廣闊空間。