3D打印在生物学与医学中的应用

3D打印在生物学与医学中的应用

赵记洋,栾秀洁,韩佳桂,于文柏

山东协和学院 山东省济南市250107

摘要：3D打印技术是一种以数字模型文件为基础,采用液体、固体等材料,基于离散堆积原理,通过逐层累加的方式来制造任意复杂形状物体的技术增材制造技术,又称3D快速成型技术,3D打印技术与传统建造技术不同之处在于增材制造。增材制造技术是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术,相对于传统的材料去除-切削加工技术,“自下而上”地制造零件。借助3D打印的模型,不同领域的人可以对产品实现测试,评估,不仅有利于产品设计的暂时,也可避免不合格设计的大规模制造,以提高产品研发周期。在医疗界，通过医学CT数据的三维重建技术,利用3D打印技术制造器官、骨骼等实体模型,可指导手术方案设计,也可打印制作组织工程和定向药物输送骨架等。

【关键词】：3D打印；生物医学工程；应用；骨科；系统综述

首先说说在生物教学方面，它能满足个性化、少量化的教具需求，可利用其直观性通提高教学效果。但是形象直观的立体教具相对较少，且由专门的教学设备制作机构制作发行，需提前预定、批量采购，且更新较慢。利用3D打印技术快速成型、个性化定制的特点，可以自行制作和打印教学教具，满足教学需求突破教学手段和设施的局限，为课堂教学提供良好的技术支撑和丰富的效果选择。

3D打印技术应用于生物医学工程中已经取得了一定成效，其为生物医学工程带来了许多新的技术手段与产品，也提高了生物医学工程的科学化属性。随着技术手段的升级与优化，3D打印技术也能够得到进一步的升级，为生物医学工程提供更多优势。随着3D打印技术的不断发展，人们的多种尝试得到了实现，将生物活性分子与细胞附着于3D打印材料上制备组织材料的方式已经良好践行，下一步可以进行更深入的研究。如在血管、皮肤组织中利用3D打印技术制备模型，诱导周围毛细血管形成微血管床等，这都形成了研究，并取得了一定成效。3D打印技术在生物医学工程中应用于组织再生、修复领域中的研究具有良好前景，正不断实现着以3D打印技术产生多层活性、器官的发展方向。其应用于口腔种植中也能够进一步升级优化，以技术升级模拟生物体骨组织形貌的方式进行成骨诱导、促进整合，能够达到较好的实际效果，精准高效省时的个性化种植也能够得到实现。3D打印技术的数字化、信息化与技术化为生物医学工程开阔了许多研究方向，在医学诊断中，其也能够形成精准反映，便于医患沟通与医生术前探讨、方案制定等。在进一步研究中，3D打印技术能够实现在计算机水平上制定患者资料计划，并进行同步模拟实验，这极大的提高了手术的成功率，也形成了较为精准的手术方案，为患者的术后恢复形成较好的保障。所以3D打印技术应用于生物医学工程中应能够不断深入发展，形成新的研究思路与手段，才能在提高技术水平的同时为生物医学工程形成良好的推动力。

目前，等待器官移植的患者呈逐年递增的趋势，但供体供不应求，同时异体器官移植后需长期服用免疫抑制剂，患者的生活质量受到严重影响。据报道，中国每年因末期器官衰竭而需要器官移植的人大约有150万，但实际只有不到1万的器官可供移植，供求比例达到1∶150[1]。而人体器官3D打印技术的发展可能会为这些患者提供一线希望。CharlesHull于1986年开发出了第一台3D印刷机，2005年首个高清晰彩色3D打印机亦研制成功，随着3D打印技术的迅猛发展，现如今人体器官的3D打印亦成为可能。3D生物打印是3D打印技术在医学领域最高层次的应用，首先以生物降解材料为“油墨”搭建细胞生长繁殖所需的微环境和三维空间构架，将自身成体干细胞和包含细胞分化因子在内的生物材料混合后作为具有活性成分的“生物油墨”，3D打印出具有生物活性的人造组织器官[2]。活体组织与器官打印的原材料包括活体细胞材料和可用作细胞生长支架的水凝胶，由于3D生物打印的种子细胞来源于患者自身，不仅有效免除了异体组织器官移植存在的免疫排斥反应，还有效解决了器官供不应求的问题，促进了人造组织器官的发展。2013年，有研究在人耳解剖结构的基础上，利用3D打印细胞接种的水凝胶基质，以及银纳米颗粒组成的交织导电聚合物生成了一个仿生耳。打印出来的耳朵表现出增强的射频接收听觉感应，并且互补的左耳和右耳可以收听立体声音频[3]。国际空间站上的3D生物打印机，在零重力下3D打印出了实验鼠的甲状腺。在零重力环境下，3D打印出来的器官和组织比在地球上要成熟得更快，因此效率更高。该项新研究可能为未来在国际空间站3D打印人体器官铺平道路[4]。2017年，Kizawa等[5]采用3D打印技术成功制造出迷你版的具有生物活性的人类肝脏组织，能代谢药物、葡萄糖以及脂质，分泌胆酸，其功能可以维持数周。人体器官3D打印技术相对传统的医疗手段表现出独特的价值，既可解决供体器官供不应求的问题，又可有效避免异体免疫排斥反应。随着3D生物打印的发展，有望使器官移植在不远的将来取得突飞猛进的进展。

3D打印正在多个垂直行业颠覆制造过程，尤其是在医疗领域，导致了更多创新、高效的产品出现。全球3D打印医疗垂直应用市场，预测从2013年至2019年的年复合增长率将达到15.4%。3D打印技术正处在蓬勃兴起的阶段，大大扩展了一些疾病的治疗前景，改变了传统组织工程的部分理念。3D打印给人类生物医学提供了无限的应用可能和想像空间。随着材料学和计算机技术的不断发展，以及再生医学、组织工程和分子生物学领域研究的深入，3D生物打印技术可为组织修复和器官移植带来更加光明的前景。

参考文献

[1] 徐惟,高志华,丁晓慧,等.人体器官 3-D 打印研究进展[J].中国老年学杂志,2015,35(18):5366-5367.

[2] 张亮,邱宏.3D 打印技术在医学领域的应用[J]中国医学装备 ,2018,15(6):154-157.

[3] Mannoor MS, Jiang Z, James T, et al. 3D printed bionic ears [J]. Nano Lett,2013,13(6):2634-2639.

[4] 吴霞.人类首次在太空实现 3D 打印生物器官[J].计算机与网络,2018,44(24):15.

[5] Kizawa H, Nagao E, Shimamura M, et al. Scaffold-free 3D bioprinted human liver tissue stably maintains metabolic functions useful for drug discovery [J]. Biochem Biophys Rep,2017,10:186- 191.