3D打印技术在医药卫生领域中的应用及研究进展

唐靓+杨亚冬+罗涛+张文元

[摘要] 3D打印技术实际上是一系列快速成形技术的统称，学名为“增材制造”，其基于CT或MRI的医学影像数字化图像数据，通过计算机软件系统进行三维重建。被誉为“第三次工业革命”的代表性技术，受到医学、生命科学、物理学、化学、材料科学界的青睐。本文对3D打印技术在快速3D打印组织与器官模型、3D生物打印活体组织与器官、定制个性化假体内植物、3D打印控释药物支架、新药测试、个性化药物筛选等医药卫生领域中的研究及应用加以综述。

[关键词] 3D打印；器官模型；活体组织；个性化假体；控释药物；新药测试；药物筛选

[中图分类号] TP39；R318.1 [文献标识码] A [文章编号] 1673-9701（2016）28-0165-04

3D打印技术经过30年的发展，目前正受到媒体、大学、科研机构、政要高度重视及广泛关注，被誉为“第三次工业革命”的代表性技术，也受到了医学、生命科学、物理学、化学、材料科学界的青睐。3D打印技术实际上是一系列快速成形技术的统称，学名为“增材制造”，其基于CT或MRI的医学影像数字化图像数据，通过计算机软件系统进行三维重建。然后，在计算机控制下，按照计算机辅助设计（CAD）模型数据，以STL格式文件输入计算机系统中，通过3D打印堆积成为一个三维立体结构。犹如数学上先微分、再积分的过程。在医疗领域常见的3D打印技术有三维印刷、光固化立体印刷、熔融沉积成型、选择性激光烧结、立体平版印刷，以及3D绘图/直写/生物打印。目前，3D打印技术在医药卫生领域的研究及应用主要有以下几个方面。

1 快速3D打印组织与器官模型

3D打印技术在医学上的最直接应用就是打印各式各样精确的器官或组织的3D模型。为提高手术成功率，应用3D打印1∶1的个性化实体器官模型和病变模型，能将器官或病变内部构造的细节逼真地、精确地、可视化地表现出来，进行术前模拟、评估、演练、手术规划与导航，确定病灶部位与手术路径，以确保手术成功。因此，这项技术在手术设计及操作演练等方面具有广阔的应用前景和极高的应用价值，已在外科、新生儿科、口腔科等领域发挥了积极作用。而且还能提高学生的学习效果，Cohen等[1]基于临床CT数据使用3D打印技术快速和廉价地制作颞骨模型，可以为教育培训服务。Ernoult等[2]应用3D打印技术重建颌面外科，可用于术前模拟、手术指导、教育培训等。

神经元有各种各样的形状和大小。为了理解这种神经元的多样性， McDougal等[3]研究三维可视化跟踪成千上万的神经元；轮廓像由NeuroMorpho.Org和ModelDB免费在线存储库获得。3D打印神经元模型，轮廓可以显示在电脑屏幕上，用于统计分析性质不同的细胞类型，也可以用来模拟神经行为等。Kim等[4]使用三维打印模板体外制作胶原基大脑微脉管系统模型，不仅可用于血脑屏障在生理和病理的基本研究，也可应用于制药研究。

2 3D生物打印活体组织与器官

3D生物打印是3D打印技术研究中新兴的、快速扩张的、富有生命力的、最具有发展前景的技术领域，正在成为主流技术平台，被认为是21世纪组织工程、生物制造的新范式。这些技术可能是我们下一步超越传统基于支架的组织工程的障碍和局限，并可能提供工业化生产组织工程产品的潜力，特别是承载组织，如骨骼、软骨、骨软骨和牙齿组织工程[5]。通过增材制造与细胞打印的结合，可以直接打印出具有层次结构及功能性的人体组织与器官。增材制造生物打印机正被测试来制作复杂的多细胞矩阵，这种多细胞矩阵能够生长成为功能性器官和替代组织供人类患者使用。这些设计的一个好处是利用患者自身的细胞来生产可植入的代替器官，患者不需要一辈子服用抗免疫药物来防止移植排斥。它是目前全球研究的焦点，为获得活体组织与器官带来了希望，期待从根本上解决移植器官短缺及免疫排斥问题。

器官和组织3D打印技术指通过患者影像（即CT或MRI图像）收集数字体积数据之后，数学建模创建一个数字3D图像。在计算机的精确控制下，将适合的细胞、生长因子与凝胶材料混合在一起，进行层层堆积成形。3D生物打印技术最大优勢在于复杂外形与内部微细结构的一体化制造，可同时在明确的空间位置多喷头打印各种细胞与材料，可以根据患者的个体化需要打印出各种器官和组织，在打印过程中尽量维护细胞生存能力，最后植入患者体内。最终目标是实现功能性人类器官和组织的开发，有效克服可移植器官的缺乏和终身免疫抑制所造成的危害。应用3D打印植入物拯救生命的手术，已经在患者中进行。然而，在3D打印技术在临床医学中的应用转化之前几个问题需要解决。这就是血管化、神经分布，经济成本，以及生物材料的安全性与适印性等问题[6]。器官需要血管进行血液循环及营养物质传输，缺乏可灌注血管网络，三维工程化组织中密集的细胞会很快形成一个坏死核心。但是血管长且细，网络结构复杂，大大增加了打印难度，这也是3D打印的难点。Miller等[7]应用碳水化合物玻璃打印刚性三维丝网络结构，将它们作为牺牲模板，制备出布满内皮细胞的柱形网络支架组织，可进行血液灌注和产生高压脉动流。这个简单的血管铸造方法允许独立控制的网络几何结构、内皮化和血管外的组织，它兼容多种细胞类型，合成的和天然的细胞外基质，以及交联策略。Attalla等[8]利用微流体打印头整合接种细胞的凝胶支架开发出即刻可灌注的血管网络。这个微流体设计允许范围广泛的细胞、生长因子与ECM材料结合，可创建一个潜在的替代血管网络。目前，利用3D生物打印技术已经打印出皮肤、骨组织、人造血管、心脏瓣膜等，均呈现出了很好的应用前景。Stanton等[9]应用三维生物打印设计毫微米生物杂合机器人运动性微型体系结构，制作了微型移动机器人。它能够通过细胞收缩功能在不同液体中游泳，可在脆弱和限制性生物环境中执行其功能，有望用于如血管阻塞物的清除等。

3 定制个性化假体内植物

医学治疗的个性化是21世纪医学发展方向之一，假体的缺乏是全球性的问题。影像学与数字化医学的快速发展，使个性化假体的定制成为一个重要的发展方向。3D打印技术正快速地应用于个性化假体制造领域，有望缓解个性化假体的需求缺口。3D打印技术可根据确切体型匹配，定制个性化假体植入体，这项技术已被用于制造更好的钛质骨植入物、义肢以及矫正设备。在骨外科中，由于骨病损状态是随机的，用于骨缺损修复的植入物也只能是个体化的，而术前对患者骨骼进行精确的在体三维测量非常困难。目前患者病损缺陷部位修复处理方法不够健全，高度依赖外科医生的技能、想象力，以及患者自身的再生潜力。3D打印技术为这些问题的解决提供了强有力的技术支持，可以直接将计算机中的三维设计转化为各种空间结构，将各种材料制成植入物，使之完全匹配于原身体部位来提供个体化的替代假体，实现准确、自然的拟人化重建。这将彻底改变外科手术前假体的预制[10]。3D打印技术可定制复杂的个性化假体内植物，不仅可提高手术效果，还可节省经济成本，最重要的是对于远程和医疗资源有限的地方更加有利。这项技术在重建外伤性损伤、面部损伤，以及假肢的发展、生物和人工植入体的发展，将产生深远而巨大的影响[11，12]。

现在功能性的生物打印还无法完全代替缺失的假体，不过非生物替代植入物可以长入现有的生物结构中，这已经是一种进步。3D打印技术可以克服传统制作工艺的限制，不再需要中间繁复的工艺过程和装备。它可用于颅面整形手术[13，14]、骨科[1，15]及牙科治疗[16]等，也可用于仿生三维软组织再生[17，18]。

4 3D打印控释药物支架

组织和器官需要适当的药物、生长因子的存在与释放，药物输送系统（DDS）决定支架药物、生长因子到达细胞、组织、器官的治疗效果。通过打印出支架中药物特殊外形或复杂内部结构，实现药物控释，避免药物过量释放而引起的毒副作用，进而让人体的药物吸收更为合理[19]。Inzana等[20] 3D印刷负载双抗生素（利福平、万古霉素）的生物陶瓷递送治疗植入物相关的骨感染。Akkineni等[21] 3D绘图技术打印负载牛血清白蛋白（BSA）和血管内皮生长因子（VEGF）的磷酸钙骨水泥支架。Costa等[22]增材制造负载地塞米松的控释支架以增强骨骼再生。Lee等[23]通过3D打印技术有效固定rhBMP-2促进工程化骨组织的成骨分化。Hung等[24]通过3D打印水性聚氨酯弹性纳米颗粒，控释 TGF-β3或小分子药物Y27632，定制组织工程软骨。系统性控制免疫抑制药物环孢素A（CsA）往往会有许多副作用，因此，在同种异体或异种细胞移植后，有时候它不能以足够的剂量使用，局部递送是解决这个问题的有效方法。Song等[25]使用3D打印技术开发负载CsA 的3D药物载体，进行局部和持续递送CsA。开发的3D药物载体可以作为一种有效的异基因细胞治疗的免疫抑制药物输送系统。Gupta等[26] 3D打印可编程释放胶囊，实现在时空上精确控制化学和生物分子梯度，指导细胞生长、迁移和分化。

5 新药测试

目前的新药研发耗资大、周期长、风险高，主要原因涉及动物实验和人体试验。目前新药测试过程中，往往使用大量实验动物，不仅成本高，而且难以准确地体现药物对患者器官的治疗作用和毒性反应。因此，应用人类组织来测试更有意义。利用3D打印具有活性的组织器官进行新药药效测试，不仅可以缩短新药研发周期，节省研发费用，还能大大降低实验动物数量及人体试验带来的危害。不同类型的3D打印的微小型活性组织器官正用来测试新的药物和治疗方案。3D打印的人造肝脏组织可以更确切地模拟人体对药物的反应，从而帮助人们选择更安全、更有效的药物，这对于药物研发、毒性测试都非常有价值。微型肝脏的研究已取得一定进展，美国Organovo打印了微型活体肝脏组织，拥有一些与真实肝脏一样的功能，可生成白蛋白、细胞色素P450s，可提供预测肝组织毒性标记评估[27]。

6 个性化药物筛选

体内存在的实体瘤是一个三维的细胞聚集体，而目前使用较多的体外肿瘤二维单层细胞培养的耐药模型未能模拟出个体肿瘤细胞在體内所处的状态[28]，其耐药机制并不完全等同于体内实际的耐药机制。3D打印构建的癌细胞三维结构能够更好地反映体内肿瘤的生长和发育情况。

细胞3D打印技术能有效控制支架的微观结构和理化性质，并可将细胞与材料同时操作，实现细胞和细胞外基质材料的特定空间排布，是一种更接近体内癌细胞病变特性的肿瘤模型。其对肿瘤学研究、癌症个体化治疗和抗癌药物研发等均会产生重要的促进作用[29]。为体外构建高效准确的个体化治疗药物筛选模型提供了新的技术空间[30]。可用细胞3D打印技术构建更准确的药物筛选模型，为构建准确、高效、高通量的药物筛选模型提供了可能[31]。3D打印技术还可以制造“细胞芯片”，在设计好的芯片上打印细胞，细胞在芯片上生长，可以被电极检测到，可借助细胞芯片检测药物的抗肿瘤活性和肝毒性[32，33]。

7 机遇与挑战

3D打印技术虽然技术先进，发展迅速，但是3D打印技术尚处于起步阶段，存在众多瓶颈，面临巨大挑战。3D打印技术还有很多问题需要解决，目前，可用的3D打印材质非常有限，主要是一些金属、陶瓷、石膏、树脂、塑料等的应用。在生物支架材料方面，主要有生物材料的安全性与适印性等问题，类组织/器官的血管化、神经分布以及经济成本问题。3D生物打印材料还要具有细胞相容性，生物墨水是目前最大的瓶颈。目前3D打印的精度、速度和效率还不够高，适用范围有限。另外，目前3D打印技术还存在一些门坎，如3D打印机设备昂贵、需要专业培训、软件设计及数据处理、需要多学科合作等问题阻碍了这项技术的广泛应用。因此需要加强3D打印机设备的开发及普及，加强医生和3D打印技术人员的合作，培养既精通医学、材料学，又精通3D打印技术的人才。

不久的將来，随着医学、材料科学、制造学的整合，许多科学问题将被逐一突破与解决，3D打印技术将成为一种操作简便、快捷、准确的诊疗手段，造福于人类。虽然目前3D打印技术还存在着许多问题与不足，但从长远来看，3D打印技术在医药卫生领域具有广阔的应用前景。就像半个世纪前的电脑，那时有谁能想到今天它对人类社会产生如此巨大而深远的影响。

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（收稿日期：2016-05-26）