深度探討：3D列印在生物醫療領域的十大重要應用

OFweek3D列印網訊 伴隨著科技的發展，器官移植成為越來越多臟器衰竭，惡性腫瘤患者生存的希望，但供體不足，一直困擾著患者和醫生。因此地下器官交易，黑市交易器官猖獗。中國政府對新型器官移植技術也非常的重視。有關統計數據顯示，我國每年150萬器官衰竭患者中，僅有一萬餘人能得到器官移植，更多的人只能在等待配體的過程中病情惡化甚至離世。如果3D列印能夠解決這項難題，無疑將成為最受市場關注的焦點。

近些年，隨著3D列印技術的出現，器官移植所面臨的難題有可能被解決的。3D列印技術出現在上世紀90年代中期，實際是利用光固化和紙層疊等技術的快速成型裝置，是基於計算機三維數字成像技術和多層次連續列印的一種新興應用技術。3D列印人造器官是以3D列印為基礎的以活細胞為原料列印活體組織的一種技術。研究表明，3D列印人造器官可以以自身的成體幹細胞經體外誘導分化而來的活細胞為原料，在體外或體內直接列印活體器官或組織，因而將失去功能的器官或組織替換，某些程度上這就解決了移植供體不足問題。所以，3D列印人造器官已在器官移植領域獲得了一定的成果，在骨骼、人造血管、皮膚、血管夾板、心臟組織和軟骨質結構等方面應用而生。但3D列印人造器官技術仍然存在著一系列的技術問題及安全問題。

1.3D列印人造器官技術在國外的發展

3D列印人造器官技術，目前在國外快速的發展，使得製造、生物科學等方面的科研人員重視。韓國浦項科技大學的 Lee等，2009年使用微型SLA技術在生物製造領域生產組織支架。英國諾丁漢大學教授Sawkins等製造出機械性強度的結構用於骨修複利用細胞和蛋白兼容3D 列印人造器官技術。哈佛大學工程與應用學院教授Kolesky等，構造出異構細胞結構的血管基於生物3D列印技術。美國大力推動3D列印人造器官技術的研發，如：三維乳房癌組織測試系統的研究、細胞列印應用於創面修復的研究、基於細胞組裝的集成微肝臟模擬壯志的研究等。麻省理工學院(MIT)、美國德雷賽爾大學(Drexel)等研究機構在細胞3D列印、器官列印等領域專項研究。部分醫療研究機構及公司利用3D列印人造器官技術列印出動脈、心肌組織、肺臟、腎臟等人體器官。Lee科研組製備了3D列印水凝膠管道模型，內徑為1 mm，形成了微血管床成功誘導周圍毛細血管。Koch等，研究證實了3D列印技術用於皮膚組織再生的可行性，將負載成纖維細胞與角化細胞的膠原為原料。

3D列印人造器官技術在國內的發展

3D列印人造器官技術在國內迅速的發展，與國際水平相比上下。徐銘恩團隊來自杭州電子科技大學自主研發出一台生物材料3d印表機，較小比例的人類耳朵軟骨組織、肝單元等現已在這台印表機上成功列印出。該研究成果被國際最具有影響力的期刊Biomaterials評為2012年在3D列印人造器官領域的最高水平。Hsieh等為中國台北國立台灣大學分子科學與工程學院的，在中樞神經系統修復的應用是利用溫敏生物材料載神經幹細胞結合3D列印人造器官技術。清華大學徐弢等列印了動物心臟，是利用心肌細胞和生物材料模擬。發現列印出的細胞能夠有節奏地跳動，提示列印出的器官可以具有一定的功能，還將羊水中提取的幹細胞進行3D列印，並加入骨系分化因子，獲得了活性的骨組織。除此之外，千人計劃國家特聘專康裕建團隊利用Rollovesseller3D列印平台，將含有種子細胞、生長因子和營養成分等組成的「生物墨汁」，其他材料結合層層列印出產品，列印經培育處理後，形成組織結構並具有生理功能;同時，發明生物列印的核心技術生物的專利，即一種新型的精準的具有仿生功能的幹細胞培養體系。國內3D列印人造器官技術快速的發展，已在細胞、器官、醫療植入體等不同領域應用而生。

2.3D列印人造器官技術取得的成就

目前，由3D列印人造器官技術列印出來的器官組織，會存在結構上非常不穩定、過於脆弱的缺點，無法用於外科移植手術。並且這些成品缺乏血管構造、尺寸也偏小，即便移植，器官也不容易獲取氧和營養物質，很難存活。

就上述存在的缺點，美國韋克福雷斯特大學再生醫學學院的研究團隊改進了現有3D列印人造器官技術，開發出「組織和器官集成列印系統」(ITOP)。這一新開發的3D列印人造器官系統，可將含有活性人體或動物細胞的水基凝膠與可生物降解的聚合材料結合作為列印材料，有助於人造器官形成穩定結構。這一系統還能在人造器官中列印出許多類似血管的微小通道。器官組織移植到動物身上後，可通過這些通道獲取氧和營養物質，這是保證器官移植後存活的關鍵。一段時間後，血管會逐漸在人造器官中生長，取代微型通道。

為驗證效果，研究人員將列印的人造耳朵、肌肉纖維和顎骨移植到小鼠身上。一段時間後，這些人造器官組織都成功存活下來，並長出了血管和神經等結構。器官移植報告作者之一、韋克福雷斯特大學再生醫學學院學者安東尼·阿塔拉說，將兩種材料結合的列印過程以及組織結構中的微小通道，為人造器官中的細胞存活、組織生長提供了適當環境。ITOP的另一個優勢是，能夠通過計算機斷層掃描及核磁共振成像技術為患者「量身定製」要移植的器官組織。比如一個患者需要接受耳朵移植，這一系統能夠根據成像數據列印出尺寸合適的人造耳朵供移植。

研究人員說，他們在試驗中使用過人類細胞及兔子、老鼠等動物的細胞進行人造器官組織列印，都取得了不錯的效果。目前，這項技術還處於早期試驗階段，需進一步改善，以便未來能用患者的細胞列印出真正可用於外科移植手術的人造器官。

3.目前3D列印人造器官技術都有哪些類型

3D列印人造器官印表機分為噴墨人造器官列印(Inkjet bioprinting)、微擠壓成型人造器官列印(Microextrusion bioprinting)和激光輔助人造器官列印(Laser—assisted bioprinting)三類，根據其工作原理。這三類印表機在列印再生組織和器官上各有利弊。

4.噴墨人造器官列印

由2D印表機改造而來的噴墨式人造器官列印，列印原料由生物材料代替油墨，以電控升降平台控制噴頭升降，從而打出立體三維結構的構造。依靠熱或聲波使得液滴滴落而成型是噴墨式印表機的原理。

熱噴墨印表機列印依靠電加熱列印頭，生成壓力脈衝而使液滴離開噴嘴。這種列印方式具有列印速度快、成本低、應用廣泛等優點。但是也具有缺點即在列印過程中會使得細胞和生物材料承受熱和機械應力，並且其噴頭易被堵塞、液滴方向性不明顯、液滴大小不均勻等等，這些缺點影響了在生物列印方面的應用。用聲輻射力量與超聲波場把液滴從氣液界面噴射出的聲控噴墨印表機。控制液滴的大小與滴出速率是通過控制超聲參數來實現的。具有避免了熱與壓力對生物材料的影響，同時可控制液滴的大小、並避免了噴口堵塞的優點。然而，該技術對所列印的材料黏度要求10厘泊以下的限制。此外，噴墨人造器官列印具有列印生物材料必須以液態形式存在的缺點，這樣才能形成液滴。另外，通過材料直接堆砌而成型噴墨列印的方式，要求所列印對象的三維數據結構必須已知而且清晰。

5.微擠壓成型人造器官列印

微擠壓成型人造器官列印具有將熱熔性材料通過加熱器熔化，通過送絲機構將抽成絲狀的材料送進熱熔噴頭，在噴頭內被加熱融化，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運動，並將半流動狀態的材料按CAD分層數據控制的路徑，擠出並沉積在指定的位置凝固成形，並與周圍的材料粘結，層層堆積成型的工作原理。

6.激光輔助人造器官列印

在玻璃板吸收層上用激光聚焦脈衝產生一個高壓液泡，將帶有細胞的材料推到在接收基體上是激光輔助人造器官印表機(LAB)的工作原理。

LAB具有噴頭為開放式，故其不存在噴頭堵塞的問題，同時其對細胞的傷害小，細胞的存活率可達95%以上的優點。但是其很難列印出各類型細胞混合材料，而且價格相比更貴，這亦一定程度上限制了其實際的臨床應用。

伴隨著科技的不斷進步，3D列印人造器官技術在臨床上得到了的應用。

7.人造骨骼

個性化定製人工骨骼在臨床應用中需求量特別大，是由於人體骨骼形態不規則，個體形態差異較大。瑞士伯恩塞爾醫院的Weinand領導的研究團隊成功複製了他自己的拇指骨。比利時哈塞爾特大學BIOMED研究所為患者列印並移植了下頜骨利用激光輔助3 D列印技術。南方醫科大學黃華軍等，收集臨床複雜脛骨平台骨折病例以及常用脛骨平台鋼板的CT數據，進行骨折三維重建、虛擬複位以及建立鋼板三維模型庫，然後進行內固定方案的數字化設計。3D列印出骨折複位模型以及鋼板模型，在3D模型上按照數字化設計內固定方案進行模擬手術，結果顯示3D列印技術結合數字化設計能有效的提高複雜脛骨平台骨折內固定植入效果。

8.人造血管

當今，由於心腦血管疾病的不斷增多，臨床上對血管移植物的需求更加明顯。如今，方便快速地製造出可供移植的血管和血管修復材料是利用3D人造器官技術實現的。新加坡南洋理工大學的Leong等試圖研究適合於SLS技術的聚合物及其成形結構的特性，提出了製造條件、製造精度、材料生物相容性和可重複性是3D列印技術的關鍵要素，利用選擇性激光燒結製造血管支架結構。Lee等製備了內徑 1mm的3D列印水凝膠管道模型，成功誘導周圍毛細血管形成了微血管床。又如，美國賓夕法尼亞大學Miller 等首先將碳水化合物玻璃列印成網格狀模板，用澆注法複合載細胞水凝膠形成管道狀血液通路。德國的Gunter Tovar博士製作出毛細血管，具有良好的彈性與人體相容性，不但可以用於替換壞死的血管還能與人造器官結合，還可能使構造的組織與器官實現再生血管，利用3D列印雙光子聚合和生物功能化修飾。

9.人造器官

3D列印腎臟的技術在2011年美國Wake Forest University的AnthonyAtala的TED大會上展示，到目前為止，3D列印人造器官技術取得了很大的進步。美國Organovo公司列印出人體肝臟薄片，微型肝臟只有0.5 mm厚、4 mm長，卻具有真正肝臟的大多數功能，利用3D人造器官。杭州電子科技大學的徐銘恩教授團隊自主成功研製出的商品級3D印表機可列印生物材料和活細胞，目前成功列印出較小比例的人類耳朵軟骨組織、肝單元等在這台印表機上。肝小葉是肝結構和功能的基本單位，模仿肝小葉結構製備肝單元，是製造人工肝臟的主要過程。

10.皮膚修復

有研究者研究將不同細胞外基質應用於皮膚3D列印技術中，這樣可以最大限度將皮膚的活性及其他天然屬性提高，使得移植後受損皮膚的修復及列印皮膚與正常皮膚有效地融合。在這方面，Baca等證實該納米生物材料可保持細胞的水分、滲透壓、pH值等理化特性，並有效促進和維持細胞的生長，採用多孔納米生物材料模擬細胞外基質。將人皮膚成纖維細胞和角朊細胞直接沉積在支架上，取得了良好的皮膚組織再生效果，採用靜電紡絲技術製成多層膠原支架。Hahn等將人真皮成纖維細胞加在凝膠內，將其列印在透明載體上，這樣細胞只能黏附在暴露的或不被修飾的凝膠表面，繼而實現讓細胞在必要的區域生長，用光刻技術修飾融化凝膠模型的表面形狀。藉此更好地控制列印出的皮膚組織塊形態和結構，保證列印的皮膚組織與傷口皮膚缺損完全吻合，為臨床中的個體化治療奠定基礎，並實現3D列印皮膚向轉化醫學的順利過渡。

3D列印人造器官技術是新一輪的發展機會，中國政府不斷加大器官移植新技術投入，目前我國3D列印人造器官技術研究邁入國際先進水平，具有很好的前景。如今，3D列印人造器官技術，機會與面臨問題並存，如：單細胞、多種細胞、細胞團簇的受控三維空間輸送、精準定位、排列與組裝，以及生物製造過程中對細胞的損傷及生物功能的影響等。細胞與生物材料的特殊性，材料學、製造學、生物學等多交叉學科的合作及多噴頭生物3D列印設備的應用，是由於人體複雜的器官結構及功能的多樣性，這將成為研究者未來研究的主題，同時是實現複雜器官製造的核心所在。在近幾年隨著研究的不斷加深、各學科的整合與突破、諸多科學問題的逐一突破，3D列印人造器官將會成為一種廣泛使用的醫療技術。器官移植將逐步脫離單純的器官捐獻，縮短器官移植等待時間，拯救更多需要器官移植的患者。

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