3D打印在生物醫學領域的征程

早期3D打印技術是一種快速原型技術，時至今日除塑料原型外，復雜發動機部件、房屋、食物甚至人體器官都可實現3D打印。醫療領域是3D打印的主要市場之一,廣泛應用于定制假牙、助聽器外殼、手術和醫療模型、矯形和修復部件以及人造髖關節和膝關節植入物等方面。

3D打印醫學模具和結構

制作“模具”或身體部位模型是3D打印技術的一個獨特用途。有了身體部位模型，醫生在準備、規劃或優化復雜的醫療操作或程序時可直觀地觀察到患者的身體器官。

更進一步技術發展是3D生物打印技術，是將活細胞層沉積到凝膠介質上以生產3D生物功能結構，其最終目標是將3D打印技術應用到組織工程（TE）方面以制造出器官和身體結構。

3D打印的數據處理流程

在獲取到內臟的醫學成像數據后，要進一步根據數據建立細分的數據體系，然后把醫學數字圖片和通信（DICOM,DigitalImagingandCommunicationinMedicine）文件轉換成用于3D打印的立體成像或標準鑲嵌語言格式（STL,StereolithographyorStandardTessellationLanguage）或者是其他文件格式。最后計算機輔助打印。圖片來源：YooSJ,ThabitO,KimEK,etal.3Dprintinginmedicineofcongenitalheartdiseases[J].3DPrintinginMedicine,2015,2(1):3.

隨著成像技術如多排螺旋CT（MD-CT）和磁共振成像（MRI）的發展，放射診斷的放射性已經變得越來越小，同時能夠得到更大的信息量，其可在短時間內獲取高分辨率的3D圖像數據。圖像處理在以高保真度呈現人體器官和結構方面扮演著越來越重要的角色，尤其是在3D打印中，更是起著基礎作用。

3D打印模擬組織的醫學模具

計算機輔助設計（CAD）、醫學成像和3D打印技術方面的最新進展已經提供了一種快速且成本效益不錯的方法，該方法根據個人的CT或MRI結果重建計算模型從而生成患者特定模擬組織的醫學模型。

Biglino等利用Stratasys公司（位于美國明尼蘇達州EdenPrairie市）的PolyJetTM技術制造柔性動脈模型。這是一種增材制造技術，PolyJetTM技術先使用孔口噴射逐層沉積的液體光敏聚合物，然后通過紫外線（UV）照射使其固化。在這項研究中使用了一種名為TangoPlus的類似橡膠的材料，因為它的機械性能接近于真實的組織。

這樣的模型能夠給醫生以觸覺反饋，可以直接在模具上操作并且能夠幫助醫生對患者的結構和潛在病理有一個全面的了解。在很多情況下，可以幫助和加快手術進程，縮短醫療程序的周期。

外科手術或訓練模型

a:顯示心臟安裝在一個圖形設計的平臺上。

b:外科訓練的四個范例模型。

c:3D打印模型，左心發育不全，外科醫生在此基礎上進行諾伍德手術。

圖片來源：YooSJ,ThabitO,KimEK,etal.3Dprintinginmedicineofcongenitalheartdiseases[J].3DPrintinginMedicine,2015,2(1):3.

與放射學相關的醫學模具

3D打印技術已被用于制造具有不同衰減區域的放射學真實模型。研究者采用多層印刷技術構建具有真實病理情況、解剖結構和異質性的肝臟和腦部模型。將患者肝臟和頭部CT圖像分割成組織、血管、肝臟病變、白質和灰質以及腦脊液。根據掃描數據，將不同的打印材料對應到這些物質上。

打印出的肝臟模具與患者的肝臟具有相似的紋理。大腦模型的CT圖像，與患者真實大腦的CT圖具有極高相似度。這些模具具有與真實組織類似的非均相和真實的病理，可被用于圖像質量評估、輻射測試等。

生理醫學模具

具有患者特異性和模擬組織的醫學模具包含個體化信息，并在生物醫學應用和臨床領域具有重大潛力，3D打印技術已被證明是制造這種模型的有效方法。

主動脈根部的CT圖像、3D計算模型

和3D打印的生理體模例子

（a）、（b）和（c）分別顯示升主動脈和瓣膜的CT橫截面圖和縱向視圖；

（d）、（e）和（f）分別表示從升主動脈、左心室流出道（LVOT）和側面觀察的3D計算模型，主動脈壁和小葉被半透明地描繪，鈣化被繪成紅色，嵌入的纖維被繪成綠色；

（g）、（h）和（i）顯示3D印刷的生理體模。為了更好地說明，鈣化和纖維用黑色材料印刷。

但是現有的3D打印技術在模仿人體器官組織方面仍然存在不足，許多人體器官結構如心臟瓣膜，由于定向的組織結構而具有各向異性的力學性質；然而，常規的3D打印模具不具有各向異性力學性能。

因此，大多數3D打印的醫學模具，甚至那些具有患者特異性和組織模仿特征的模具，僅在解剖學上而非生理學上接近人體器官的結構。

再生組織和器官的增材制造

由于對組織器官移植的需求日益增加及組織器官供體的不足，人們在TE領域已經做出了許多努力來開發真實人體組織和器官的生物替代品。TE使用具有高孔隙率和相互連接性的生物可降解支架來為細胞生長和重組提供形狀、機械支撐和微結構以改善和加速修復過程。在這方面，TE支架的設計在治療成功率方面起主導作用。

然而，要精確控制支架的孔隙率和內部微觀結構，以控制氧氣、營養物和可溶性生物分子來促進細胞生長和分化仍然十分困難。此外，指導不同類型TE支架細胞生長，以形成復雜結構的功能組仍然是工程設計的難題。

生物打印的三個最重要和最完善的技術是激光誘導向前轉移（LIFT）、噴墨生物打印和機器人噴涂。激光誘導向前轉移（LIFT）是一種可以將細胞沉積到接收基底上的技術。

通常，將激光脈沖束施加在包含源油墨（即水凝膠和細胞）的供體載玻片或帶上，隨后蒸發油墨使高壓氣泡朝向位于供體載玻片下方的接收基板噴射。通過控制供體載玻片或基底的移動，沉積的2D圖案可以在逐層融合中形成3D結構。

噴墨打印也可以用來構建多種細胞類型的異質結構。已有研究者使用熱噴墨打印機制作了由干細胞、平滑肌細胞和內皮細胞組成的餅狀3D構建體。

與普通噴墨打印方法（通常將墨水噴射到固體基質上以獲得3D構建體）相反，將細胞與氯化鈣（CaCl2）組合以形成生物墨水，并將墨水噴射到藻酸鹽-膠原溶液中。

由于形成了Ca2+-藻酸鹽復合物的“蛋盒”螯合結構，聚合物溶液表面受墨滴影響的部分瞬間固化。體外實驗的結果表明打印的細胞能夠在3D構建體中存活、增殖并維持細胞功能。

用于生物打印的機器人噴涂允許通過氣動或機械驅動的方式以逐層方式，分配生物聚合物或合成生物聚合物來制造毫米級的3D構建體。由多種細胞類型組成的微型組織（即球體和類器官）可以作為打印構件。

增材制造技術的最新進展使得幾個新的TE路徑成為可能，尤其是現在有了新的增材制造技術，以下三種方法得以快速發展：

開發混合支架材料以實現支架特性的可調性；

特殊微結構設計以實現支架的可轉換性；

集成傳感器以實現內置過程監控能力。

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