3D打印技术在生物医药方面的应用研究进展

盛苏,陈含笑

(湖北师范大学 物理与电子科学学院,湖北黄石 435002)

随着中国经济总量的增长和人民生活水平的提高,人们对医疗健康的需求不断提高,以及越来越多不可预测的疾病以及突发事故的发生,人们对器官和骨髓等医用方面的需求急剧增加。器官移植在当今的疾病治疗中普遍被应用,但在全世界的临床医学上存在供体器官不足和器官移植后发生免疫排斥反应问题。在美国,每1.5 h就有1例病人因没有合适的器官移植而死亡,每年有超过800万例组织修复相关的手术。生物相容性材料的最新发展使得3D生物打印可应用于再生医学的功能性活组织,可满足器官移植的需求[1-4]。3D生物打印技术的快速性、准确性,及擅长制作复杂实体的特性,使其在生物医学领域有着非常广泛的应用前景。在生物医药领域,3D打印技术通过对生物材料或活细胞进行3D打印,构建复杂生物三维结构如个性化植入体、可再生人工骨、体外细胞三维结构体、人工器官等[5-11]。3D打印的支架材料是按个体不同的需求生产的,不会产生免疫排斥反应,对人体的切合度更高。要打印人工骨骼,可先诊断患者,再根据患者情况来制造。目前打印植入式制剂可以生物降解,以避免致癌和血药浓度的波动,更便于植入或者取出。国家批准3D打印使用一些降分子材料,打印出的3D产品能不断水解为单体小分子,释放出打印时需要包藏的药物,载体的材料最后降解成水和二氧化碳,避免第二次手术取出,减轻患者的痛苦。3D打印技术,又称快速成型技术,或增材制造,是以计算机辅助设计/制造为基础,将材料(流体、粉末、丝材或块体)或逐层固化、熔敷,或逐层累叠、块体组焊接成为整体结构的新兴制造技术。根据原料和成型技术的不同,3D打印技术可分为:熔融沉积成型(FDM)、选择性激光烧结(SLS)、光固化立体成型(SLA)和直接激光沉积(DLD)等[12]。

3D 打印技术在工业设计、航空航天、生物医药、土木工程等众多领域均有应用,且随着细胞打印的出现,该技术在生物医药方面展现出巨大的应用潜力,例如扫描脏器制作出相应模型,或利用特殊材料制作人体损坏的骨骼、牙齿、耳朵和鼻子模型等[13]。3D打印与传统的医学影像采集、CT等技术及3D建模技术相结合,会在人工假体、人工组织器官的制造方面产生巨大影响。3D打印需要经过扫描物体区域获得3D数据资料,通过计算机辅助来设计数据和转化为3D打印通用数据格式,运用3D打印的这种方式,可以快速制作出复杂的模型用于演练,可以提高医疗手术的成功率。一般来说,3D生物打印的材料是非常有限[14],如金属钛、生物陶瓷及其复合材料作为3D打印制作骨植入物;钠海藻酸盐、壳聚糖和丙烯酸酯类聚合物用于打印软骨修复支架的生物材料;生物可降解脲烷和丙酸盐基材料作为打印心肌组织的材料等[15-18]。材料的选择是3D生物打印中最关键的步骤之一[1]。生物打印的另一挑战是制作具有结构完整的3D血管化细胞构建体。3D打印制备含有需要保存活性药物的特殊固体剂型,通过计算机控制药物需要的剂量,因而药品的稳定性和剂量的准确性是3D打印药物首要考虑的问题。目前3D 打印技术在生物医学中的应用还相对较少,很多生物3D 打印技术尚未成熟,面临着生命科学的基本问题,如活体打印与功能再现的难题,而且3D 打印技术本身也有局限性:成本高,不能规模化生产、打印材料受到限制等。要真正实现生物3D打印技术的更多应用,还需要在机械、控制、建模、生物学等多个领域的共同发展,不断突破该技术在当前应用中存在的技术问题。

1 3D打印在骨科治疗的应用

脊柱外科医生从事复杂而创新的手术程序,以稳定和改善特发性、先天性、退行性和损伤相关性脊柱畸形。尽管近几十年来外科手术治疗策略和植入物已得到发展和改进,但复杂畸形的外科手术矫治仍然非常困难。医学技术的发展研究到了可以制造人体器官的阶段,3D打印技术的发展成熟,从最开始的细胞培育到后来的组织堆叠,相比传统减材制造技术更为精确和快捷,在通过数字驱动直接成型,可以无视结构和形状的复杂。3D打印技术可以不受形状复杂性的影响,具有能直接打印出计算机数据设计好的任意三维实体的优点。3D打印技术在骨骼支架器官制造加工的方面,相较传统工艺,有着无法比拟的优势。由于3D打印的精确性,能为每个个体实现不同的需求,因此3D打印的运用在植入体中越来越普及。多种材料都可被用于制造人体需求的植入体,这其中的材料主要包括树脂,金属和陶瓷等。术前的规划和模拟需要先创建骨骼和植入物的三维CAD模型。先对患者进行CT扫描,并将CT数据转换为DICOM数据,通过数据在Mimics中重建需要的三维CAD模型并分析其受力情况。根据正、逆混合建模技术将骨科植入物的模型通过计算机的转换进行数字化的建模,并建立骨科数字模型数据。根据3D打印模型,进行疾病的诊断及手术设计、手术方案制定及板、植入物的重建。

1.1 计算机辅助骨骼的三维重建

大多数复杂的骨科患者的手术并发症是由于手术时间延长、术中出血、麻醉时间延长和高剂量药物引起的,这是由于术前计划不正确而发生的。3D打印的模型可以帮助手术团队准确地理解问题,并可以精确地计划要在体外进行的手术。它不仅改善了外科手术的执行,而且有助于提前进行必要的布置,例如设备和植入物。3D打印技术可能会给患有复杂问题的患者带来福祉,并且还可以帮助医生准确地进行手术,并且可以避免不必要的法医学问题。骨骼三维重建模型具体过程为:

1) 获取需要打印的骨组织的阈值。将骨骼进行CT扫描,得到DICOM数据,将数据导入Mimics,根据扫描设置骨组织的阈值,根据设置的骨组织的阈值范围进行调整,获取数据;

2) 提取病变部位的相关数据。获得数据的清晰程度与CT扫描层厚的大小有关,层厚过厚会导致蒙板数据的缺陷,严重甚至会发生丢失等问题。所以,需要进一步的编辑蒙板来提取所需病变部位的完整数据;

3) 通过3D打印技术制造骨骼。根据扫描后得到的骨骼数据,进行编辑,运用Mimics等自带的三维重建计算所取得的数据,在计算机上得到骨骼和骨植入物的三维CAD模型。

1.2 打印骨骼植入物技术

3D打印骨骼植入物时,运用计算机的特点辅助设计技术(CAD)完成的数字“切片”,完成切片后将这些切片的信息通过计算机转换成相应格式传送到3D打印机上,3D打印机根据切片的格式信息并根据设置将连续的薄型层面堆叠起来,直到骨骼成型。当打印骨骼时,可使用人造骨粉为耗材,通过扫描把需要打印的骨骼数据转化成STL,利用Cura、MakerWare等切片工具对3D模型文件进行分层切片,之后转为可被3D打印机识别的Gcode控制文件,并通过打印机进行打印。3D规划在关节盂病变评估及虚拟种植体模板制作中的应用,如图1所示[19]。虚拟模板允许外科医生在患者肩胛骨的三维重建中模拟不同的关节盂部件。这有助于外科医生在保持良好的后侧接触的同时,确定哪种植入物最能产生理想的关节盂类型、倾角和关节线位置。3D模板显着地将植入物放置的精度提高到所需倾斜度的5°或变形的10°以内[20-21]。

图1 使用定制骨科解决方案的OrthoVis术前规划软件进行3D模板制作的示例

1.3 骨骼打印材料选择

最常用的骨骼材料是钛合金骨骼。医用的钴基合金主要用于联合制备,以取代假体连接的骨干,具有良好的耐腐蚀性、耐磨性、化学稳定性和抗生理腐蚀性,是一种新型的植入材料。骨骼植入物可能会产生应力屏蔽效果。因为两种弹性模量不同的材料共同受力时,弹性模量大的材料会承受更大的应力。如果按传统的减材方法制造骨骼植入物,因钢板弹性模量是骨骼弹性模量的很多倍,这将导致骨骼几乎不承担应力,使得术后骨骼会因得不到锻炼而开始逐渐萎缩。解决这一问题可以运用3D打印技术打印出多孔金属植入物,通过计算机设置数值将医用多孔金属材料的弹性模量控制在与人体骨弹性模量相近的数据,可以减弱应力屏蔽效应,而且这些孔隙具有骨导性,能将周围的骨骼吸引进来,使真骨与人造骨连接成一体,帮助骨骼尽快恢复。

除金属材料外,在磷酸钙中添加硅和氧化锌组成的生物陶瓷粉材料是整形外科领域类重要的骨修复材料,可模拟人体自然骨结构,适宜细胞和骨组织的长入。生物陶瓷及其复合材料,尤其是功能性梯度材料都可以3D打印制作骨植入物。由于常见的植入物3D打印材料缺少多功能性,从而限制了其在治疗和修复骨科疾病导致的缺损中的应用(例如:骨肿瘤)。中国科学院上海硅酸盐研究所生物材料研究中心主要从事3D打印多功能生物活性陶瓷的研究,用于骨修复与治疗。研究团队利用3D打印技术,设计出了多种实验方案,包括利用营养元素,仿生结构和功能化界面以及热治疗, 开发出新型的兼具治疗和修复的多功能材料。

2 3D打印人工组织

最近,Kang等报道了一种集成的组织器官打印机(ITOP)系统,它可以制造任何形状的人类组织构造,且具有良好的机械稳定性[22]。如图2所示,多墨盒模块用于挤出和图案化多种载有细胞的复合水凝胶,支持聚己内酯(PCL)和Pluronic F-127水凝胶。值得注意的是,ITOP可以生成具有多种类型的细胞和生物材料的多材料自由形状,并且通过制造下颌骨、颅骨、软骨和骨骼肌证明了ITOP的功能。近来,芯片上的器官(也被称为微生理系统)在体外重复了天然组织的结构和功能,它与生物医学研究中的常规动物研究相比,已成为一种有前途的替代方法。 然而,当前的芯片上的器官依赖于多步光刻工艺且缺乏集成传感器。 为了解决这个关键问题,Lind等介绍了使用多材料3D生物打印技术制造的新型仪器化心脏微生理设备。基于生物相容性软材料、高电导率和压电特性,他们设计了6种功能性“墨水”,这些墨水可指导仿生层流心脏组织的自组装。有趣的是,这些设备是在一个连续的步骤中打印的,可以在4个星期内用于研究药物反应[23]。

图2 集成的组织器官打印机(ITOP)系统[22]

2.1 3D打印皮肤组织

生物3D皮肤打印技术能够制造出带有血管的活皮肤,使得人类朝着创造更接近人体自然皮肤移植物的目标更近一步。作为3D皮肤打印的组织工程基质材料,它的先决条件是可降解和生物相容。由于需要细胞材料成型,所以打印材料首先要具备与细胞共混合的性质,并且在结合后不会降低细胞活性。为确保细胞不会受到伤害,基质材料的成型临界温度应在正常细胞适应的温度范围内且在物质形态转换中对细胞无害。为了确保构建的组织材料与人体相近,含水量也应与人体相近并具有高的扩散率。有机溶剂会破坏细胞的胞膜结构并影响其性能,因此通常选择水溶性材料作为基质材料。用于皮肤打印的基质材料通常是明胶、海藻酸钠和胶原蛋白,它们具有良好的生物相容性,可控降解性和细胞亲和性。3D打印基质材料成型机理如图3所示,3D生物打印材料是“生物墨水”,而这种“生物墨水”是由细胞悬浮液和生物材料组成,将其加载到打印机料筒中,运用计算机将要打印的三维图行设计出来,通过分层软件将三维转换为二维的平面图,根据设计好的轨迹,在计算机控制打印喷头下将“生物墨水”层层叠加并不断重复打印直至成为三维图像。

图3 3D打印细胞成型机理

3D生物打印机可以同时运行多个打印喷头,通过使用不同的细胞和“生物墨水”,按组成比例的不同打印出不同的人体细胞。与传统细胞培养不同,为了不引起排异反应,3D生物打印机可以使用来自患者自己身体内的细胞为原料进行打印。生物打印可以通过计算机三维图像的设置,根据不同的需求制造出不同的细胞组织,实现在医疗细胞组织使用上更为便利。

2.2 人造血管的生物打印

近来文献中提出了各种方法和技术,使用细胞或非细胞材料和程序对人造血管和血管移植物进行生物打印[24-26]。用于组织工程的各种3D生物打印技术中,有3种主要方法用于生物打印人造血管:1) 以集成通道作为可灌注基质的大块基质的制备;2) 将细胞图案化为线结构,用于互连血管系统的自组装;3) 制造可作为人造容器的独立管状结构。使用无细胞材料构建移植物可以使用较高的印刷温度和有机溶剂。另一方面,与基于细胞的技术不同,在预制结构上实现细胞接种的空间控制是非常具有挑战性的,这可以通过使用基于细胞的技术来实现。

使用载细胞材料的3D生物打印已被证实可以更有效地整合细胞,增加初始细胞装载密度,并改善对细胞分布的控制,而不管是单细胞还是多细胞类型[27]。2005年,Kesari和他的同事首次尝试使用点滴式喷墨打印技术构建管状水凝胶结构。简言之,他们创造了细胞结构,细胞被包裹在水凝胶中,并按需交联。该研究首次将氯化钙基海藻酸钠以络合物的形成引入到喷墨打印中,只需使用改良的惠普喷墨打印机将氯化钙溶液打印到海藻酸钠溶液中。在海藻酸钠半月板上沉积一种油墨,离子交换导致海藻酸钠交联,从而使细胞封装在直径为30～50 cm的液滴中[28-29]。2015年,Itoh等使用3D生物打印机制作了内径为1.5 mm的无支架管状组织,并将其在灌注系统中进行了培养。通过超声波评估了血流,并在将制成的管状组织植入F344裸大鼠的腹主动脉后的第2天和第5天对其进行了组织学分析,发现所有的移植物都是移植成功的,移植后5天观察到了肾小管组织的重塑(管腔面积增大和壁变薄),同时还发现了一层内皮细胞[30]。人造血管作为一种软组织工程技术,在冠状动脉搭桥术中的生物力学和化学特性已经得到研究。Esmaeili等采用挤出法制备了纳米羟基磷灰石(HA)纳米粉体组成的热塑性聚氨酯(TPU)人造血管[31]。图4展示了在其研究中使用具有一个和两个分支的TPU和HA粉末设计的人造血管。根据研究结果,将分析模型与实验评价相结合,可用于模拟动脉血管的细观力学行为。通常,人工静脉被认为是用于血管置换的选择性血管,而在许多心血管病患者中,由于多种原因,静脉存在许多问题,包括患者年龄、静脉尺寸小、先前的异常等。值得注意的是,血管的孔隙率显著影响静脉的剪切应力和弹性模量。该研究结果表明,堵塞率、孔道位置和加强程度对血管的弹性模量和孔隙率均有影响。此外,试样的生物学行为表明,添加生物陶瓷可以提高血管的弹性模量响应。

图4 人造血管[31]

3 个性化药物的研发

如今,个性化医疗所带来的“第三次药物革命”已经来临,这将帮助人类治愈更多疾病,但也面临着不小的挑战。而第三次药物革命的代表将是靶向的、个性化的药物。医生可以利用患者基因变异的特征来帮助选择药物和治疗方案,减少副作用,从而获得成功。此外,个体对某些疾病的易感性在发病前可以被识别,因此个性化医疗可以作为预防易感个体疾病的预防措施。在个性化医疗的帮助下,医生现在可以超越处方药一刀切的模式,为每位患者做出更有效的临床决策,因为由于患者的基因遗传变异导致基因对特定药物的不同反应,这种反应可能因个体而异。因此,个性化医学作为一项新技术,产生了一门新的学科,即药物基因组学,它发现了影响药物治疗效果的合适基因。为了开发个性化的药物,科学家们正在探索不同的策略,其中之一就是3D打印。个性化的3D打印药物可以解决许多具有药理遗传多态性或治疗指标低的患者的问题。另外,患者可以获得更有效的药物,同时减少药物不良反应的发生,这将进一步提高患者的生存率[32]。3D打印机可以开发多种新型药物,如透皮贴片、药丸和一剂中含有多种活性成分的缓释制剂。因此,单一剂量可以治愈在治疗时设计的多种疾病。这增加了患者的依从性,且副作用最少,从而在药物设计和治疗选择领域带来革命性的变化[33-35]。

3D打印技术具有广泛的特点和多功能性,因此任何具有一种或不同用途的剂型都可以使用预定的释放曲线来生产[36-38]。一次性剂量甚至可以在时间或资源有限的环境下快速制造,例如将3D打印机集成到灾区、急救部门和军事行动中[39-40]。微型反应容器的3D打印技术可根据需要合成活性药物成分,为科学家提供更大的灵活性。如果与传统方法相比,3D打印有助于支持小规模合成一系列不同的分子,特别适用于那些成本高或稳定性差的药物[41]。由于3D打印技术的灵活性,可以在不增加交货期或开发成本的情况下,创建各种剂量和几何形状以适应研究要求以及开发最佳产品。因此,在不延误治疗的情况下,以最佳成本挽救生命。从经济效益和逻辑效益上讲,医院药房可以建立3D打印机,实现个性化药品的按需生产[42]。因此,尽管在常规剂量上花费了太多的钱,可能治疗病人,也可能不治疗病人,但3D打印个性化剂量可以通过提供成本效益高的药物来适当地治疗疾病。患者的特定数据可以通过物理或数字方法(例如从智能手机应用程序)发送给保健医生。3D打印机易于操作,而且随着活性成分和赋形剂数量的变化,可以轻松实现材料的精确沉积。可获得在其他工艺参数中难以获得的精确剂量和所需设计。

4 结束语

3D 打印技术在工业设计、航空航天、生物医药、土木工程等众多领域均有应用,且随着细胞打印的出现,该技术在生物医药方面展现出巨大的应用潜力。3D打印模型可以帮助手术团队准确地了解问题,并精确地计划要在体外进行的手术。它不仅可以改善外科手术的执行效率,还可以帮助进行必要的安排,例如设备和植入物。使用3D打印模型进行术前规划来避免大多数复杂骨科患者的手术并发症。尽管3D打印技术在过去的30年中一直在不断发展,但在脊柱外科手术中使用3D打印作为术前规划工具仍然相对罕见,主要归因于该技术的可用性和成本,以及患者扫描与制作生物模型之间的时间延迟。3D打印技术、医学影像方法、生物材料和细胞工程的进展将导致在制造特定于患者的血管组织结构方面的进一步发展。仍有相当大的挑战有待克服,如细胞和材料需求、组织成熟和功能以及适当的血管化和神经支配。3D打印在药物研发中的作用是显而易见的,这项技术可以彻底改变配方生产,从大规模生产转向按需生产高度灵活和个性化的剂型。量身定制的配方可以受益于多种应用,从药物开发(临床前研究和首次人类试验)到前线医疗(个性化医疗)。尽管取得了实质性进展,但使用3D打印技术生产药物仍处于初级阶段,在广泛应用于实践之前,需要克服一些技术困难。但是相信,未来的多学科研究和发展有望使得3D打印技术进一步改变组织工程和再生医学领域。