打印生命——3D生物打印的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢綜述

1、打印生命3D生物打印的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢綜述摘要：近年來3D打印技術(shù)快速發(fā)展，其應(yīng)用所涉領(lǐng)域越來越多。文章調(diào)查了3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀和趨勢，分別從醫(yī)學(xué)模型快速建造、組織器官代替品制作、臉部修飾與美容、制備生物醫(yī)用高分子材料四個方面進行闡述，并就可能產(chǎn)生的問題進行思考。關(guān)鍵字：3D生物打印，醫(yī)學(xué)模型，器官代替品，臉部修飾，生物醫(yī)用高分子材料Abstract:three-dimensionalprinting(3DP)techniquedevelopsrapidlyinrecentyears,whichisappliedinmoreandmorefields.Thepaperinves

2、tigatesthat3DPtechniquestatusispresentedinthebiomedicinefield,whichisrepresentedfromfouraspectsincludingconstructingmedicalmodelsquickly,makingloanerfororgans,facialembellishmentandbeautifythefeatures,highpolymermaterialformedicine.moreover,problemswhichcancausearethought.Key：three-dimensionalbiolog

3、icalprintingtechnique,medicalmodels,loaderfororgans,facialembellishmenthighpolymermaterialformedicine引言來設(shè)想一個糟糕的情景，因為遭遇嚴(yán)重的車禍，很多受害者不得不面臨著下肢截肢手術(shù)，難道就此永遠(yuǎn)坐在輪椅上？再也無法站立起來？不必沮喪，現(xiàn)在只需要幾個小時，就可以根據(jù)你的需要，量身定做一套專屬于你的植入器官。這或許在20年前根本不能想象，如今卻有可能通過3Dfc物打印機來實現(xiàn)3。當(dāng)然所用材料不是墨水，而是生物墨水，即細(xì)胞。2013年4月，英國格拉斯哥大學(xué)宣布成功用3D打印機合成藥品；6月，美國華盛

4、頓兒科醫(yī)學(xué)中心利用3D打印技術(shù)，打印出全球第一顆像正常人一樣跳動的心臟,接連不斷的消息讓人們相信：3D打印在生物醫(yī)療領(lǐng)域?qū)l(fā)揮神奇的作用1。那么，神奇的生物3D丁印技術(shù)究竟是彳f么呢？生物3D打印是以計算機三維模型為基礎(chǔ)，通過軟件分層離散和數(shù)控成型的方法，定位裝配生物材料或活細(xì)胞，制造人工植入支架、組織器官和醫(yī)療輔具等生物醫(yī)學(xué)產(chǎn)品的3D打印技術(shù)2。以3DTEP為代表的生物打印技術(shù)正在悄然改變著人類的世界，特別是在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用，不僅給醫(yī)生帶來了新的思路，也給患者帶來了希望3。本文就目前迅速發(fā)展的生物打印在不同方面的國內(nèi)外現(xiàn)狀和前進趨勢進行了闡述，旨在幫助相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者更好地了解3Dfc物打印現(xiàn)狀

5、與趨勢，促進我國在生物打印領(lǐng)域把握機遇、搶占先機，引領(lǐng)世界發(fā)展！正文3D生物打印的發(fā)展現(xiàn)狀醫(yī)學(xué)模型快速建造醫(yī)學(xué)道具、模型、用品等材料可通過3DT印獲得。利用3D丁印技術(shù)，可將計算機影像數(shù)據(jù)信息形成實體結(jié)構(gòu)，用于醫(yī)學(xué)教學(xué)和手術(shù)模擬。傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)教學(xué)模型制作方法時間長，且搬運過程容易損壞，使用3D丁印技術(shù)，可有效減少制作時間，根據(jù)需要隨時制作，并降低搬運損壞的風(fēng)險。2013年6月，美國國家兒童醫(yī)學(xué)中心兒科心臟病學(xué)家勞拉奧利弗里通過使用CT掃描患者心臟圖像，利用一部價格約25萬美元的3D打印機，成功打印制作出人體真實復(fù)制患者疾病的心臟模型，打印出的模型能用于復(fù)雜手術(shù)術(shù)前研究，使手術(shù)操作人員更好地掌握患者

6、心臟結(jié)構(gòu)，以此減少手術(shù)風(fēng)險。美國某醫(yī)院在所實施的頭顱分離手術(shù)前，先使用3D丁印機造出了嬰兒連體頭顱模型，并對手術(shù)方案進行充分的研究分析。他們將往常同類型手術(shù)72小時耗時縮短到了22小時。目前，3D丁印醫(yī)學(xué)模型已獲得較好的技術(shù)支持，具備一定的打印速度，能使用多種材質(zhì)進行打印，應(yīng)用程度高，有著很好的應(yīng)用前景4。組織器官代替品制作人體組織器官代替物的材料要求很高，實現(xiàn)難度大。但目前已有一些成功案例，比如復(fù)制人體骨骼，制作義肢等。比如，人體某塊骨骼缺失或損壞需要置換，首先可掃描對稱的骨骼，形成計算機圖形并做對稱變換，再打印制作出相應(yīng)骨骼。與傳統(tǒng)方法相比，該技術(shù)不需要先制作模具，可直接打印，建造速度較快

7、。這項技術(shù)可應(yīng)用于牙種植、骨骼移植等。在制造過程中，研究人員掃描患者骨骼需求位置情況，并設(shè)計出骨骼部件的模型，在機器作用下，材料就以層疊方式累積起來，經(jīng)過固定成形，制成一個人造骨骼實物。一位比利時的83歲骨髓炎患者接受了下頜骨移植，所用的人造骨骼是一個3D丁印成品，而打印出的的下頜骨未對患者的語言和表達造成影響1。身體軟組織器官制作亦取得進展，報道顯示，美國某大學(xué)已利用該技術(shù)制作出人造耳。與此同時，微型人體肝臟也已被成功制造。美國加利福尼亞州的全球生物打印領(lǐng)域先驅(qū)Organovo公司在實驗室培育可移植肝臟過程中，取得一項重大突破"他們利用裝有細(xì)胞的3D丁印機打印出迷你肝臟，深0.5毫

8、米，寬4毫米，擁有很多與真實肝臟一樣的功能，包括產(chǎn)生負(fù)責(zé)將激素、鹽和藥物運送到身體各處的蛋白質(zhì)"4。德國研究人員利用3D丁印機等相關(guān)技術(shù)，制作出柔韌的人造血管，并能使血管與人體融合，并同時解決了血管免遭人體排斥的問題。該技術(shù)不斷進步和應(yīng)用的深入將有助于解決當(dāng)前和今后人造器官短缺所面臨的困難。另外，Organovo公司已開始嘗試?yán)没颊咦陨砑?xì)胞“打印”靜脈，每個血管大約需要一小時形成，這些血管需要數(shù)天時間熔合在一起。打印出來的血管將會在動物身上進行試驗，進而嘗試臨床試驗。因為在我們體內(nèi)幾乎任何地方都密布血管，所以，從血管開始作為生物打印的切入點具有重要的實際意義。雖然目前還處于早期測試

9、階段，但科研人員有信心利用這項技術(shù)在5年內(nèi)制作出心臟搭橋手術(shù)中所需的動脈和靜脈血管3。美國北卡羅來納州溫斯頓-塞勒姆市維克森林大學(xué)科學(xué)家已用一臺3D打印機制造出一個腎臟原型。他們使用了加入細(xì)胞混合物的凝膠一樣的可生物降解腳手架，逐層構(gòu)建腎臟5。2013年5月底，全球首例3D打印器官人體移植手術(shù)取得成功。密歇根大學(xué)公共醫(yī)療中心通過3D打印技術(shù)，制造了一段人工氣管，移植入一位只有六周的美國嬰兒體內(nèi)。這名植入3D打印器官的男嬰患有先天性的氣管發(fā)育缺陷。由于氣管受到壓迫，逐漸出現(xiàn)呼吸困難，等待他的很可能是缺氧死亡。為了挽救他的生命，該所大學(xué)的生物醫(yī)學(xué)工程師大衛(wèi)措普夫，通過計算機設(shè)計了一條適合這個男嬰的

10、氣管支架模型，隨后將具有熱塑性的生物可吸收材料作為墨水，最后打印出一百條細(xì)小管道，通過電腦激光技術(shù)，堆砌出一層層不同形狀和體積的塑料薄層，從而制造出一段人工氣管10。民革黨員、杭州電子科技大學(xué)的徐銘恩教授帶領(lǐng)的團隊研發(fā)出了國內(nèi)首款生物3D打印機。據(jù)了解，目前國際上已有的生物3D丁印機只有3款，但打印出的細(xì)胞存活率非常低，且都不是在無菌的條件下進行打印。而徐銘恩團隊制作出的這款生物3D打印機是全球首個采用無菌條件打印的生物打印機，其打印出的細(xì)胞存活率在90%認(rèn)上，被國際頂級期刊Biomaterials稱之為生物3D打印領(lǐng)域的全球最高水平2。從2009年開始，北醫(yī)三院骨科就開展3D打印骨骼技術(shù)的動

11、物實驗研究。如今該項技術(shù)已經(jīng)通過動物實驗，并于今年被正式批準(zhǔn)進入臨床觀察階段。截至目前，已經(jīng)有近40位患者在簽署知情同意之后，植入了3D打印機制造的鈦合金骨骼，并接受定期追蹤檢查5。清華大學(xué)孫偉團隊在國內(nèi)率先實現(xiàn)的單個細(xì)胞生物3D打印，通過細(xì)胞組裝，模仿天然組織和器官的結(jié)構(gòu)。這樣的活細(xì)胞3D打印，需要將打印噴頭控制在納米（十億分之一米）級，通過細(xì)胞直接裝配組織器官，或是在計算機控制下將干細(xì)胞等與基質(zhì)材料、生長因子等一起構(gòu)成微滴單元，裝配成三維結(jié)構(gòu)后，在實驗室最終培養(yǎng)成所需的皮膚、心臟瓣膜等組織和器官。目前，這個團隊已經(jīng)成功制成兔模骨、人工耳朵等產(chǎn)品?；钚源蠖稳斯す堑?D打印技術(shù)，已經(jīng)開始申報臨

12、床實驗批號。另外，3Dfc物打印在牙齒治療中也逐漸被運用4。目前，北大口腔醫(yī)院主任醫(yī)師唐志輝等已經(jīng)開始動物實驗，用生物3D打印技術(shù)完成補種牙等口腔修復(fù)。對補種牙的人來說，這意味著可以獲得一顆和之前幾乎一模一樣的牙齒4。器官將實現(xiàn)預(yù)約定制，按需所，可以最大化滿足患者的需求?；颊卟槐卦贋榱说却浦财鞴俣嗫嗉灏荆瑥氐捉鉀Q目前醫(yī)療中器官難尋的局面；而且采用的是患者自身的細(xì)胞，可以避免排異性。我們就如同有了一個實時的個人器官庫，只要我們有需求，就可以隨時開機制造完全符合自身需求的器官。更具有社會意義的是，器官的自給自足也能夠從源頭杜絕器官買賣的罪惡12。臉部修飾與美容利用3D打印技術(shù)制作臉部損傷組織，

13、如耳、鼻、皮膚等，可以得到與患者精確匹配的相應(yīng)組織，為患者重新塑造頭部完整形象，達到美觀效果。首先掃描臉部建立起3D計算機數(shù)據(jù)，醫(yī)生可以制作出患者所缺少的部位，重現(xiàn)原來面貌。比起傳統(tǒng)技術(shù)，該方法更精確，材質(zhì)選擇更加多樣化。據(jù)報道，一位左半邊臉上長著腫瘤的患者，在做了切除手術(shù)后臉上留下了一個大洞。醫(yī)生利用3D打印技術(shù)為患者制作了一張假臉。制作中，首先全面掃描患者頭骨及面部，根據(jù)所得的結(jié)果分析并建立起原來的面部三維圖像，再打印輸出實物，通過使用特殊的材質(zhì)，再打印制作出與面部完美貼合并且栩栩如生的假臉12。目前存在多種生物打印，在大部分情況下，醫(yī)生需要從患者身上獲取細(xì)胞，隨后進行培育，再移植給患者。

14、研究者們開始嘗試使用3D打印技術(shù)制造皮膚?！霸诖蛴∑つw組織上，浙并大學(xué)已有所突破?！闭憬髮W(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)系副教授毛崢偉介紹。他所在的課題組，以膠原一殼聚糖、硅橡膠皮膚等再生材料進行匹配皮膚再生過程的生物穩(wěn)定實驗，同時以基因技術(shù)促進血管生成和抑制斑痕，通過50多次動物實驗證明，缺損皮膚愈合時間加快，且真皮彈性可恢復(fù)至八成左右6。3D打印技術(shù)已經(jīng)用于多種植入物，頭骨創(chuàng)傷的治療也可以使用通過直接金屬激光燒結(jié)技術(shù)過程和3D打印技術(shù)，生產(chǎn)鈦植入物。隨著3D打印技術(shù)所支持材質(zhì)的增多，打印質(zhì)量的精細(xì)化，以及美容市場的壯大，臉部修飾與美容應(yīng)用將有更加廣闊的天地，應(yīng)用水平亦將得到進一步提高。制備生物醫(yī)用高

15、分子材料3D打印技術(shù)不僅能實現(xiàn)材料與患者病變部位的完美匹配，而且能在微觀結(jié)構(gòu)上調(diào)控材料的結(jié)構(gòu)，以及細(xì)胞的排列，更有利于促進細(xì)胞的生長與分化，獲得理想的組織修復(fù)效果，因此，在近年來，3D打印技術(shù)被越來越多的應(yīng)用于生物醫(yī)用材料的制備。韓國浦項科技大學(xué)Cho等使用PPF/HA為原料，制備了3D復(fù)合支架材料.獲得的支架材料的孔和骨架結(jié)構(gòu)均一，且孔間相互貫通，使用HA粉末能有效地產(chǎn)生納米/微米尺度形態(tài).加入HA能進一步促進胚胎成骨細(xì)胞前體細(xì)胞在支架上的黏附和增殖。日本東京醫(yī)科大學(xué)的Matsuo等以聚（L浮L酸/HA）（PLLA/HA）為原料，制備了可吸收多孔托架，輔助牙齒移植材料一起，用于下頜骨腫瘤切除

16、后的下頜骨重建，獲得了比金屬鈦支架更好的修復(fù)效果。另外，以碳酸酯寡聚體-雙甲基丙烯酸酯（OCM-2）/HA為原料，利用立體印刷技術(shù)制成的復(fù)合材料能促進骨形成，以及材料與骨的結(jié)合。尤其是，材料經(jīng)過超臨界CO2處理后，增加了材料與骨組織的接觸面積，顯著提高了材料的生物相容性。美國康奈爾大學(xué)的Butcher等以PEG-DA/藻酸鹽復(fù)合原料制備了主動脈瓣水凝膠支架。該水凝膠的彈性模量可在5.374.6kPa范圍內(nèi)變化。制備較大的瓣膜可獲得更高的精確度。種植于水凝膠支架上的豬主動脈瓣間質(zhì)細(xì)胞在培養(yǎng)21天后具有接近100%的存活率。另外，通過立體印刷技術(shù)，以甲基丙烯酸修飾的PLA-PEG-PLA三嵌段共聚

17、物為原料，可以制備出多孔或非多孔水凝膠，材料具有較窄的孔徑分布、良好的貫通性和力學(xué)性質(zhì)。所得的水凝膠能促進人間充質(zhì)干細(xì)胞的黏附和生長。美國Therics公司的Sherwood等通過3DP技術(shù)，制備了上層組分為PLGA/PLLA下層為PLGA/TCP的軟骨-骨復(fù)合支架。上層軟骨支架區(qū)的孔隙率為90%,而下層成骨區(qū)孔隙率控制在55%。研究發(fā)現(xiàn)軟骨細(xì)胞更傾向于黏附于支架的軟骨支架區(qū)，培養(yǎng)6周后可以看到軟骨組織的形成。支架的成骨區(qū)力學(xué)強度可以達到與人新生松質(zhì)骨同一數(shù)量級.該研究為完全關(guān)節(jié)重建技術(shù)提供了一種新的方案。美國斯克里普斯研究所的D'Lima等以天然牛股骨牌制成體外軟骨缺損模型，以PEG

18、DMA/軟骨細(xì)胞混合溶液為生物墨水，在紫外光照下，在軟骨缺損部位進行原位打印。該方法打印成型的PEG水凝膠的壓縮模量與天然關(guān)節(jié)軟骨接近.打印后軟骨細(xì)胞能在水凝膠支架內(nèi)均勻分布，而且細(xì)胞存活率要比生物墨水先沉積后再進行光照聚合的成型方法高26%。值得注意的是，打印后支架能與周圍的天然組織緊密結(jié)合，該性質(zhì)對于未來體內(nèi)組織缺損的原位修復(fù)非常重要。該方法為開發(fā)能直接應(yīng)用于體內(nèi)的原位生物打印技術(shù)，進行組織缺損原位修復(fù)提供了一個重要的手段3D生物打印的發(fā)展趨勢如上所述，3D生物打印技術(shù)在一些領(lǐng)域應(yīng)用成效明顯，它給人們帶來了福音。然而，3D打印技術(shù)應(yīng)用將不止于此。首先，3D打印技術(shù)將有力克服組織損壞與器官衰

19、竭的困難。當(dāng)3D生物打印速度提高到一定水平，所支持的材質(zhì)更加精細(xì)全面，且打出的組織器官免遭人體自身排斥時，每個人專屬的組織器官都能隨時打出，這就相當(dāng)于為每個人建立了自己的組織器官儲備系統(tǒng)?；颊哂行枰纯蛇M行更換，這樣，人類將有力克服組織壞死、器官衰竭等困難。其次，表皮修復(fù)、美容應(yīng)用水平也將進一步提高。隨著打印精準(zhǔn)度和材質(zhì)適應(yīng)性的提高，身體各部分組織將能更加精細(xì)的修整與融合，所制作的材質(zhì)自然而然成為身體的一部分，有助于打造出更符合審美的人體特征。再次，目前，藥物研究大多需要各種級別的動物實驗和人體試驗。未來通過3D打印的模式器官來檢測藥物試驗效果，不但有利于縮短臨床藥物研發(fā)周期，還將可能避免潛在

20、的人體試驗損害。有專家估測，如果藥物生產(chǎn)商采用3D打印器官進行藥物開發(fā)或試驗，平均每種藥物可節(jié)省上億美元研發(fā)費用最后，當(dāng)3D打印設(shè)備逐步普及后，在一些緊急情況下，還可利用3D打印機制作醫(yī)療用品，如導(dǎo)管、手術(shù)工具、衣服、手套等，可使用品更加適合個體，同時減少獲取環(huán)節(jié)和時間，臨時解決醫(yī)療用品不足的問題12。但3D生物打印技術(shù)還處于起步階段還有很多沒有克服的難關(guān)。人體的最大問題是它的不規(guī)則形狀。每一個人體都是一個像銀河般復(fù)雜的生物世界。身體是不斷變化的。隨著我們的環(huán)境、情緒以及食物的不斷變化，它們也會喜怒無常、不斷變化。無數(shù)細(xì)胞每天以人們尚不能充分理解的神秘方式生長、愈合和變化，目前還沒有解碼細(xì)胞彼

21、此間如何傳遞信號。比如目前以細(xì)胞為“生物墨水”的活性組織打印，復(fù)雜的血管系統(tǒng)仍然是組織工程學(xué)需要攻克的難關(guān)，相當(dāng)于“四分鐘跑一英里”的極限，如果沒有血管系統(tǒng)提供養(yǎng)分并帶走廢物的“高速路”，3D器官結(jié)構(gòu)中的活細(xì)胞將迅速死亡。另一個人類尚未解決的問題是活細(xì)胞需要一個“啟動”按鈕。目前，盡管科學(xué)研究可以將細(xì)胞以完美的形狀放在支架上的正確位置，但是仍然沒有人準(zhǔn)確地知道如何啟動種子細(xì)胞。自然知道如何讓一個器官開始運作，人類仍不知道。3D生物打印需要多學(xué)科協(xié)同的科研。比如個性化數(shù)據(jù)分析與建模、機械學(xué)與工藝控制、生物學(xué)與醫(yī)學(xué)、材料學(xué)。尤其是材料的作用，保持再生組織器官的外形，提供必要的力學(xué)支撐，調(diào)控細(xì)胞的行為，為細(xì)胞生長提供物理空間6。結(jié)論盡管3D生物打印技術(shù)顯示出巨大的潛在優(yōu)勢，但距離大規(guī)模的工業(yè)實際應(yīng)用還有較長的一段距離。當(dāng)前，國內(nèi)的3D生物打印企業(yè)還很難完全依靠市場生存，需要政府對該產(chǎn)業(yè)在資金扶持、稅收、市場引導(dǎo)等方面實施一系列長期穩(wěn)定的扶持政策。概括起來，為加快推動中國3D生物打印技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，特提出如下政策建議：一是加強頂層設(shè)計和統(tǒng)籌規(guī)劃。建議中國應(yīng)該高度重視3D生物打印技術(shù)可能帶來的產(chǎn)業(yè)變革，深入研判全球3D生物打印技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展趨勢，制定符合中國國情的3D生物打印技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化中長期發(fā)展戰(zhàn)略和行動計劃。二是加大對3D生物打印技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化投入。三是加快3D生物打印的試點