3D打印技术在肾脏医学领域中的应用及展望

张珂 王倩 孙逸飞 李林倩 张海松 高燕

1河北大学附属医院医学3D 影像打印中心，河北省普通外科数字医学重点实验室（河北保定071000）；2河北大学附属医院肾病内科二病区，河北省慢性肾脏病骨骼代谢生理学重点实验室（河北保定071000）；3河北大学医学院（河北保定071000）

3D 打印（three-dimensional printing，3DP）技术起源于1986年，20 世纪90年代扩展到建筑和制造业，近年来在航空航天［1］、实验研究［2］、医疗［3］等领域的地位也越来越不可小觑。医学3DP技术是将包括计算机断层扫描（CT）［4］、磁共振成像（MR）［5］、甚至超声［6］在内的医学影像转换为实体模型的过程，也被称为增材制造（additive manufacturing，AM）或快速原型制造（rapid prototyping，RP）。它以逐层连续叠加的方式通过多种技术从立体平版印刷（stereolithography，STL）文件中制造成三维立体物体。3DP 可以根据技术类型、使用材料进行分类。技术类型分类包括立体光刻（stereolithography apparatus，SLA）、多喷印（multi-jet printing，MJP）、PolyJet 打印（PolyJet printing）、数字光处理（digital light processing，DLP）、选择性激光烧结（selective laser sintering，SLS）、直接金属激光烧结（direct metal laser sintering，DMLS）、彩色喷印（color-jet printing，CJP 或binderjet）、熔融沉积成型（fused deposition modeling，FDM）、分层实体制造（laminated object manufacturing，LOM）和电子束熔融（electron beam melting，EBM）。材料分类包括热塑性高分子材料、金属、陶瓷、光聚合物、纸、箔、塑料薄膜、生物材料等。3DP 在医学领域应用可分为4 个方面。首先对于术前模型，只需直观显示病灶解剖结构及其与周围毗邻关系，对材料生物性能要求不高，一般采用SLA、FDM，例如肝癌3D模型［7］、肾脏肿瘤3D 模型［8］、骨折3D 模型［9-10］；个性化体内植入物不仅要求材料具有生物相容性，而且要求打印结构具有一定机械性能，通常采用SLS、DMLS，例如骨组织支架［11］、个性化椎体假体［12］；组织工程支架需要打印材料具有良好的生物相容性和生物降解性，可采用FDM 和3D 生物打印，例如血管支架［13］；而对于细胞结构或者类组织器官则要求支架与细胞同时打印，对操作环境要求较高，则采用3D 生物打印，例如软骨组织样结构［14］、组织单元［15］。本文就3DP 技术在肾脏医学领域中的应用进行以下概述。

1 3DP 技术在临床工作中的应用

随着各学科不断交叉融合，3DP 技术逐渐进入医学领域，广泛应用于临床工作。3D 打印高保真模型应用于医患沟通、术前规划和模拟外科手术，对胸外科和心脏外科［16］、骨科［17-18］等专业具有高度的实用价值，同时广泛应用于肾脏领域的临床工作，但是3D 打印在多囊肾脏疾病的应用报道较少。

1.1 在临床医患沟通中的应用在传统临床工作中，一般运用CT、MRI 等二维影像资料与患者进行病情交流，对患者理解病情、疾病诊治及手术风险、并发症等存在很大局限性。在当今复杂的医疗环境中，若不进行有效医患沟通易引发不必要的医患纠纷。BERNHARD 等［19］打印7 例肾脏肿瘤模型，向患者告知病情及相关治疗方案，患者对肾脏基本生理功能、解剖、肿瘤特征及术前计划的认识均有提高，在术前计划认识方面提高尤为显著。SCHMIT 等［20］打印1 例肾脏肿瘤模型，向需行肾脏冷冻消融术的25 例患者进行术前病情交流，患者对自身疾病及手术认识无明显改善，两项研究结果中医患沟通满意度均明显改善。若将肾脏模型制作成具有患者个体特异性、透明多彩的实体物体，清晰显示肾脏内部血管解剖结构与肿瘤、实质的毗邻关系，可能会明显改善患者对自身疾病及其手术的认识（图1-3）。BERNHARD 等研究应用具备个体特异性、透明多彩的肾脏模型进行医患沟通，弥补SCHMIT 等研究的不足，有效改善患者对疾病及诊治的认识，若模型重建过程中进一步精确分割肾脏血管及其分级，可进一步提高患者对手术方案及并发症的理解，更进一步促进有效医患沟通的进行，促进构建良好的医疗环境。3D打印多囊肾脏模型可提高患者对就诊过程中的满意度。

图1 多囊肾脏CT 与MRI 图像Fig.1 CT and MRI images of polycystic kidney

图2 三维可视化多囊肾脏模型图Fig.2 Three-dimensional visualized polycystic kidney model diagram

图3 3D 打印多囊肾脏模型Fig.3 3D printed polycystic kidney model

1.2 在肾脏术前规划和手术模拟中的应用在传统的外科手术工作中，外科医师一般依据患者的CT、MRI 等影像资料结合自身临床经验对患者进行术前评估及制定手术方案，因患者存在个体差异，且医生经验不同，评估可能出现偏差，在患者疾病诊治过程中可能会出现误差。面对复杂手术，外科医师进行有效的术前计划和手术模拟训练可以有效提高手术操作的准确性、缩短手术所需时间、减少并发症的发生。随着3DP 技术不断发展，医学3DP 技术可制作出具有患者个体特异性、复杂内部结构、直观立体的3D 模型，为外科医师进行有效术前规划和模拟手术提供了训练工具。有研究［21］使用3D 打印透明肾脏实体肿瘤模型联合三维重建进行有效术前规划，正确评估残余肾功能，成功切除病灶，最大程度的保存肾单位，改善患者预后。婴儿内脏器官及血管解剖结构与成人间存在明显差异，且可操作空间相对有限，在手术过程中可能损伤腹腔动静脉血管主干，影响手术质量。若在三维重建过程中，利用3D 打印技术增加腹腔动静脉主干血管，可能会减少手术过程中主干血管损伤发生率，降低手术并发症的发生率。CHANDAK 等［22］利用打印出3D 硬质肾脏模型进行复杂的患儿肾移植术前规划，患儿术后肾功能良好，但制作的3D 肾脏模型精确度高，但其可操作性差，不能进行手术模拟。GOLAB 等［23］3D 打印出肾脏和肿瘤的铸造模具，制造出与人体肾脏物理性质相似的硅胶树脂软质模型进行手术模拟训练，明显缩短手术时间、改善手术质量。与CHANDAK 等制作模型相比，GOLAB 等制作的3D模型可操作性良好，可以进行术前规划及手术模拟，但未能精确清晰显示肾脏动静脉血管与病灶毗邻关系。CHANDAK 等与GOLAB 等研究中各有优点，也存在不足，互相弥补，制作出精确、透明、特异性、可操作性的肾脏模型，更加符合当前精准医学的需求。清楚了解血管结构、肿瘤定位及病理结构是手术成功的关键。GLYBOCHKO 等［24］开发的3D 打印透明模型不仅清晰展示出集合系统、肾静脉、动脉和肿瘤，而且模型的质地与真实肾脏类似。GLYBOCHKO 等的模型同时实现了肿瘤的病理解剖结构可视化、术前规划以及手术模拟，指导手术，明显改善手术质量。MACCHI 等［25］进行了3D 打印铸型肾脏血管分段与真实血管铸型比较研究，证实了解剖学家、放射学家、外科医师对GRAVES 传统肾脏血管分段［26］认同和质疑，肯定肾脏血管分段存在变异。这项研究证明了3D 打印模型能充分显示患者个体化特性。针对胡桃夹综合征的治疗，张波等［27］首创了个性化3D打印钛合金外支架腹腔镜微创技术，给受压的静脉穿上“保护套”，在临床上取得了相对满意的治疗效果。钛合金具有一定生物组织相容性，但长期使用有发生磨损伤及血管的可能，自身重量偏大，长期悬吊于体内可能会产生移位可能发生一系列相关并发症。若将新型具有耐磨损、自润性、良好机械性能的生物材料3D 打印制作取代钛合金支架，可减少并发症的发生。

3D 打印模型应用临床工作十分必要。它不仅可以有效改善医患沟通的满意度，而且能够通过术前规划及模拟手术提高操作准确性、缩短手术时间、降低并发症的发生率。3D 打印模型不仅可有效地展示正常和个体特异性病理结构，同时通过特殊打印制作方法可使模型具备透明、弹性可切割、血流动力学等满足特殊临床工作需要的特性。这种模型未来很可能会成为一种独特的工具应用于临床工作。

2 3DP 技术在药物研究中的应用

医学3DP 技术虽然应用于药物研发及肾毒性药物筛选过程起步时间较短，但其技术优势和应用潜力很可能会对这一领域的发展起到巨大的推动作用。3DP 技术在研发给药系统方面广泛应用［28］，例如控释药物［29］、缓释药物［30］等，其应用在于改变药物释放方式、剂型等，以求应用最小药物剂量达到有效血药浓度，减少药物的全身毒副反应。环孢素（cyclosporin A，CsA）为免疫抑制剂的一种。SONG 等［31］成功打印出装载CsA 多聚体微球凝胶并具有3D 打印抗压框架的药物载体，有效抑制动物体内免疫排异反应4 周。实现了局部、持续且有效的用药目的，不仅能有效治疗原发病，同时可减少药物用量。该项研究目前仅限于动物实验，并且打印过程中药物辅料选择受限制［32］，如何有效控制药物释放以及药物释放时间等一系列问题仍待进一步研究。肾小球相关疾病的发病机制与机体异常免疫反应密切相关。目前糖皮质激素及免疫抑制剂是主要的药物治疗，但是其副作用较多，因此减少药物用量、减低血药浓度显得尤为重要。尽管将3D 打印装载多聚体药物应用于肾脏疾病治疗仍有许多问题需要解决，但3D 打印技术有望在肾脏药物研发方向带来一次药物应用的革命。

药物研发需要耗费大量资金［33］、时间，通常在临床试验第三阶段［34］发现候选药物的肾毒性。由于药物的暴露以及药物的主动转运和代谢，肾脏易受药物毒性的影响，严重情况下可能发生急性肾损伤和慢性肾脏病，最终发展为慢性肾功能衰竭［35］。因此，临床试验阶段及时准确识别肾毒性药物，不仅可以节省大量的研发时间和成本，更重要的是保护临床用药患者的肾功能。陈朝红等［36］利用3D 打印出兼容微孔板和平皿的斑马鱼定向工具，高通量定位观察斑马鱼水肿率和蛋白尿表型，有效判断肾毒性药物对斑马鱼肾小球滤过率的损伤程度，快速有效地进行肾毒性药物筛选。传统斑马鱼定向工具的制作，耗时长、成本高、需要使用专用设备；而3D 打印模具具备高通量筛查的优势，同时开发和制作成本低廉，生产周期快，适于实验室应用。本研究是3DP 技术促进科研技术发展的典型示范。

传统肾脏芯片［37］是在体外通过具有单层肾近端小管上皮细胞微流控体系的二维模型研究药物对肾脏细胞功能影响的一项技术。这项技术只能研究药物对肾脏近端小管细胞的影响，其研究体系缺乏正常肾脏组织三维结构的生理学特点，不能全面反映人体的生理微环境，对于药物筛选、毒性试验等研究结果缺乏客观性［38-39］。早期三维体外灌注模型［40］需要高度专业化的制造技术，限制了其常规应用。肾脏细胞芯片技术与亚毫米级3DP 技术相结合，在三维空间上扩展了肾功能芯片系统的结构，使其与正常人体生理肾脏功能更加接近，更加有利于准确及时发现肾脏损害药物。HOMAN 等［41］通过3D 生物打印、3D 细胞培养联合器官芯片制作技术，再现近似人体近端肾小管细胞的体内表型和功能的微环境。将这类应用3D 技术制作的肾脏芯片应用于药物临床前试验阶段，可提高肾脏损害药物筛选率和预测能力，并减少动物实验，有效的降低新药和更安全药物开发的成本，极大地促进新药物开发。目前该项研究仅限于芯片技术，但已经为肾脏组织结构的生物3DP 开辟了一条新的途径。

3 3D生物打印技术在肾脏组织再生中的应用

随着打印材料的不断创新，生物相容性材料、细胞和支持成分与3DP 技术有机结合，产生的一项新兴技术，称为3D 生物打印技术［42-43］。它是将充满细胞的生物墨水从数字模型加工成组织结构和器官的过程，包括仿生、自主自组装和微型组织构建块，利用生物材料、生物化学物质和活细胞的逐层精确定位，空间控制，制造出具有高度复杂的组织微环境、组织结构、细胞功能、组织特异性成分以及机械异质性的多细胞组织。该技术具有自动化、精度高、几何自由和可控制性、广泛材料印刷适应性、重现性和可重复性等优点，将在疾病建模［44］、器官芯片［45］、药物发现和测试［46］、高通量筛选［47］和再生医学［48］等领域有广泛应用前景。

3D 生物打印技术在功能组织构建中有着广泛的应用，包括多层皮肤［49］、骨［50］、血管移植物［51］、气管［52］、心肌组织［53］和软骨结构［54］等，可以替代损伤或病变组织，以满足对适合移植组织和器官的需求。器官移植是目前治疗终末期肾衰竭（end stage renal disease，ESRD）的最佳治疗方案，但现有肾脏供应数量远远不能满足日益增长的ESRD 人群需求。Organovo 公司利用3D 生物打印技术制作出世界上第一个全细胞肾组织。KING 等［56］利用3D 生物打印技术制作出三维近端小管组织的体外模型，为肾脏再生以及肾脏器官移植开辟了曙光。肾脏器官的3D 生物打印是一项旨在研发打印出具有肾脏功能器官的新技术［57］，随着3D 打印技术的发展，该项新兴技术与特定生物材料、组织再生工程等有机结合，有望打印出具有正常生理功能的肾脏器官，改善目前肾脏器官供不应求的现状，改善生活质量。

4 展望及其局限性

目前，利用3D 打印出全彩、透明、立体、直观的肾脏实体模型应用于临床工作，有效提高工作效率，改善医患沟通，但是现有的研究结果表明，打印的肾脏模型仍欠缺生理肾脏器官的质感以及血流动力学特性，不能有效传达人体器官真实感。文献中报道了载有免疫抑制剂的3D 打印药物载体有可能实现靶向、局部、持续稳定释放药物治疗肾脏疾病，减少药物的全身毒副反应，但在药物载体靶向性及释放可控性等方面仍存在许多问题有待解决。利用3D 生物打印技术制作出具有类似或者正常的生物功能肾脏，可以弥补肾脏移植领域中肾脏器官数量的不足，减少异体肾脏移植的相关并发症，给予终末期肾脏病患者重生的希望，减轻患者家庭及医疗费用，是一项非常具有发展潜力的研究领域。但是由于肾脏复杂的结构和细胞外基质网络，利用3D 打印生理肾脏器官的研究具有很大的挑战性，涉及组织工程、生物材料学、细胞生物学、物理学和医学、计算机等多个研究学科领域，未来这些技术的交叉融合，必将会推动医学发生前所未有的革新。