干貨：3D打印器官在醫(yī)療中的應(yīng)用

伴隨著科技的發(fā)展,，器官移植成為越來(lái)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(yī)生,。因此地下器官交易,，黑市交易器官猖獗,。中國(guó)政府對(duì)新型器官移植技術(shù)也非常的重視。有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,，我國(guó)每年150萬(wàn)器官衰竭患者中,，僅有一萬(wàn)余人能得到器官移植，更多的人只能在等待配體的過(guò)程中病情惡化甚至離世。如果3D打印能夠解決這項(xiàng)難題,，無(wú)疑將成為最受市場(chǎng)關(guān)注的焦點(diǎn),。

近些年，隨著3D打印技術(shù)的出現(xiàn),，器官移植所面臨的難題有可能被解決的,。3D打印技術(shù)出現(xiàn)在上世紀(jì)90年代中期，實(shí)際是利用光固化和紙層疊等技術(shù)的快速成型裝置,，是基于計(jì)算機(jī)三維數(shù)字成像技術(shù)和多層次連續(xù)打印的一種新興應(yīng)用技術(shù),。3D打印人造器官是以3D打印為基礎(chǔ)的以活細(xì)胞為原料打印活體組織的一種技術(shù)。研究表明,，3D打印人造器官可以以自身的成體干細(xì)胞經(jīng)體外誘導(dǎo)分化而來(lái)的活細(xì)胞為原料,，在體外或體內(nèi)直接打印活體器官或組織，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(wèn)題,。所以，3D打印人造器官已在器官移植領(lǐng)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(zhì)結(jié)構(gòu)等方面應(yīng)用而生。但3D打印人造器官技術(shù)仍然存在著一系列的技術(shù)問(wèn)題及安全問(wèn)題,。

1.3D打印人造器官技術(shù)在國(guó)外的發(fā)展

3D打印人造器官技術(shù),，目前在國(guó)外快速的發(fā)展，使得制造,、生物科學(xué)等方面的科研人員重視。韓國(guó)浦項(xiàng)科技大學(xué)的 Lee等,，2009年使用微型SLA 技術(shù)在生物制造領(lǐng)域生產(chǎn)組織支架,。英國(guó)諾丁漢大學(xué)教授Sawkins等制造出機(jī)械性強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)用于骨修復(fù)利用細(xì)胞和蛋白兼容3D 打印人造器官技術(shù)。哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用學(xué)院教授Kolesky等,，構(gòu)造出異構(gòu)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的血管基于生物3D打印技術(shù),。美國(guó)大力推動(dòng)3D打印人造器官技術(shù)的研發(fā)，如：三維乳房癌組織測(cè)試系統(tǒng)的研究,、細(xì)胞打印應(yīng)用于創(chuàng)面修復(fù)的研究,、基于細(xì)胞組裝的集成微肝臟模擬壯志的研究等。麻省理工學(xué)院(MIT),、美國(guó)德雷賽爾大學(xué)(Drexel)等研究機(jī)構(gòu)在細(xì)胞3D打印,、器官打印等領(lǐng)域?qū)ｍ?xiàng)研究。部分醫(yī)療研究機(jī)構(gòu)及公司利用3D打印人造器官技術(shù)打印出動(dòng)脈、心肌組織,、肺臟,、腎臟等人體器官。Lee科研組制備了3D打印水凝膠管道模型,，內(nèi)徑為1 mm,，形成了微血管床成功誘導(dǎo)周?chē)�毛�?xì)血管。Koch等,，研究證實(shí)了3D打印技術(shù)用于皮膚組織再生的可行性,，將負(fù)載成纖維細(xì)胞與角化細(xì)胞的膠原為原料。

1.3D打印人造器官技術(shù)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展

3D打印人造器官技術(shù)在國(guó)內(nèi)迅速的發(fā)展,，與國(guó)際水平相比上下,。徐銘恩團(tuán)隊(duì)來(lái)自杭州電子科技大學(xué)自主研發(fā)出一臺(tái)生物材料3D打印機(jī)，較小比例的人類(lèi)耳朵軟骨組織,、肝單元等現(xiàn)已在這臺(tái)打印機(jī)上成功打印出,。該研究成果被國(guó)際最具有影響力的期刊Biomaterials評(píng)為2012年在3D打印人造器官領(lǐng)域的最高水平。Hsieh等為中國(guó)臺(tái)北國(guó)立臺(tái)灣大學(xué)分子科學(xué)與工程學(xué)院的,，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)修復(fù)的應(yīng)用是利用溫敏生物材料載神經(jīng)干細(xì)胞結(jié)合3D打印人造器官技術(shù),。清華大學(xué)徐弢等打印了動(dòng)物心臟，是利用心肌細(xì)胞和生物材料模擬,。發(fā)現(xiàn)打印出的細(xì)胞能夠有節(jié)奏地跳動(dòng),，提示打印出的器官可以具有一定的功能，還將羊水中提取的干細(xì)胞進(jìn)行3D打印,，并加入骨系分化因子,，獲得了活性的骨組織。除此之外,，特聘專(zhuān)康裕建團(tuán)隊(duì)利用Rollovesseller3D打印平臺(tái),，將含有種子細(xì)胞、生長(zhǎng)因子和營(yíng)養(yǎng)成分等組成的“生物墨汁”,，其他材料結(jié)合層層打印出產(chǎn)品,，打印經(jīng)培育處理后，形成組織結(jié)構(gòu)并具有生理功能;同時(shí),，發(fā)明生物打印的核心技術(shù)生物的專(zhuān)利,，即一種新型的精準(zhǔn)的具有仿生功能的干細(xì)胞培養(yǎng)體系。國(guó)內(nèi)3D打印人造器官技術(shù)快速的發(fā)展,，已在細(xì)胞,、器官、醫(yī)療植入體等不同領(lǐng)域應(yīng)用而生,。

2.3D打印人造器官技術(shù)取得的成就

目前,，由3D打印人造器官技術(shù)打印出來(lái)的器官組織,，會(huì)存在結(jié)構(gòu)上非常不穩(wěn)定、過(guò)于脆弱的缺點(diǎn),，無(wú)法用于外科移植手術(shù),。并且這些成品缺乏血管構(gòu)造、尺寸也偏小,，即便移植,，器官也不容易獲取氧和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，很難存活,。

就上述存在的缺點(diǎn),，美國(guó)韋克福雷斯特大學(xué)再生醫(yī)學(xué)學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)改進(jìn)了現(xiàn)有3D打印人造器官技術(shù)，開(kāi)發(fā)出“組織和器官集成打印系統(tǒng)”(ITOP),。這一新開(kāi)發(fā)的3D打印人造器官系統(tǒng),，可將含有活性人體或動(dòng)物細(xì)胞的水基凝膠與可生物降解的聚合材料結(jié)合作為打印材料，有助于人造器官形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu),。這一系統(tǒng)還能在人造器官中打印出許多類(lèi)似血管的微小通道,。器官組織移植到動(dòng)物身上后，可通過(guò)這些通道獲取氧和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),，這是保證器官移植后存活的關(guān)鍵,。一段時(shí)間后，血管會(huì)逐漸在人造器官中生長(zhǎng),，取代微型通道,。

為驗(yàn)證效果，研究人員將打印的人造耳朵,、肌肉纖維和顎骨移植到小鼠身上,。一段時(shí)間后，這些人造器官組織都成功存活下來(lái),，并長(zhǎng)出了血管和神經(jīng)等結(jié)構(gòu),。器官移植報(bào)告作者之一、韋克福雷斯特大學(xué)再生醫(yī)學(xué)學(xué)院學(xué)者安東尼·阿塔拉說(shuō),，將兩種材料結(jié)合的打印過(guò)程以及組織結(jié)構(gòu)中的微小通道,，為人造器官中的細(xì)胞存活、組織生長(zhǎng)提供了適當(dāng)環(huán)境,。ITOP的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是,，能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)斷層掃描及核磁共振成像技術(shù)為患者“量身定制”要移植的器官組織,。比如一個(gè)患者需要接受耳朵移植,，這一系統(tǒng)能夠根據(jù)成像數(shù)據(jù)打印出尺寸合適的人造耳朵供移植。

研究人員說(shuō),，他們?cè)谠囼?yàn)中使用過(guò)人類(lèi)細(xì)胞及兔子,、老鼠等動(dòng)物的細(xì)胞進(jìn)行人造器官組織打印，都取得了不錯(cuò)的效果。目前,，這項(xiàng)技術(shù)還處于早期試驗(yàn)階段,，需進(jìn)一步改善，以便未來(lái)能用患者的細(xì)胞打印出真正可用于外科移植手術(shù)的人造器官,。

3.目前3D打印人造器官技術(shù)都有哪些類(lèi)型

3D打印人造器官打印機(jī)分為噴墨人造器官打印(Inkjet bioprinting),、微擠壓成型人造器官打印(Microextrusion bioprinting)和激光輔助人造器官打印(Laser—assisted bioprinting)三類(lèi)，根據(jù)其工作原理,。這三類(lèi)打印機(jī)在打印再生組織和器官上各有利弊,。

4.噴墨人造器官打印

由2D打印機(jī)改造而來(lái)的噴墨式人造器官打印，打印原料由生物材料代替油墨,，以電控升降平臺(tái)控制噴頭升降,，從而打出立體三維結(jié)構(gòu)的構(gòu)造。依靠熱或聲波使得液滴滴落而成型是噴墨式打印機(jī)的原理,。

熱噴墨打印機(jī)打印依靠電加熱打印頭,，生成壓力脈沖而使液滴離開(kāi)噴嘴。這種打印方式具有打印速度快,、成本低,、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)。但是也具有缺點(diǎn)即在打印過(guò)程中會(huì)使得細(xì)胞和生物材料承受熱和機(jī)械應(yīng)力,，并且其噴頭易被堵塞,、液滴方向性不明顯、液滴大小不均勻等等,，這些缺點(diǎn)影響了在生物打印方面的應(yīng)用,。用聲輻射力量與超聲波場(chǎng)把液滴從氣液界面噴射出的聲控噴墨打印機(jī)�,？刂埔旱蔚拇笮∨c滴出速率是通過(guò)控制超聲參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的,。具有避免了熱與壓力對(duì)生物材料的影響，同時(shí)可控制液滴的大小,、并避免了噴口堵塞的優(yōu)點(diǎn),。然而，該技術(shù)對(duì)所打印的材料黏度要求10厘泊以下的限制,。此外,，噴墨人造器官打印具有打印生物材料必須以液態(tài)形式存在的缺點(diǎn)，這樣才能形成液滴,。另外,，通過(guò)材料直接堆砌而成型噴墨打印的方式，要求所打印對(duì)象的三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)必須已知而且清晰,。

5.微擠壓成型人造器官打印

微擠壓成型人造器官打印具有將熱熔性材料通過(guò)加熱器熔化,，通過(guò)送絲機(jī)構(gòu)將抽成絲狀的材料送進(jìn)熱熔噴頭,，在噴頭內(nèi)被加熱融化，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動(dòng),，并將半流動(dòng)狀態(tài)的材料按CAD分層數(shù)據(jù)控制的路徑,，擠出并沉積在指定的位置凝固成形，并與周?chē)�的材料粘結(jié),，層層堆積成型的工作原理,。

微擠壓成型人造器官印刷機(jī)打印的準(zhǔn)確性更高并且擁有更加出色的分辨率、速度,，其空間的可控性以及在可打印的材料上亦具有更多的靈活性,，但與噴墨打印機(jī)相比較價(jià)格較貴。該打印機(jī)具有打印出的組織中細(xì)胞存活率低的缺點(diǎn),，這一缺點(diǎn)在一定程度上限制了其在再生醫(yī)學(xué)組織構(gòu)建上的應(yīng)用,。

6.激光輔助人造器官打印

在玻璃板吸收層上用激光聚焦脈沖產(chǎn)生一個(gè)高壓液泡，將帶有細(xì)胞的材料推到在接收基體上是激光輔助人造器官打印機(jī)(LAB)的工作原理,。

LAB具有噴頭為開(kāi)放式,，故其不存在噴頭堵塞的問(wèn)題，同時(shí)其對(duì)細(xì)胞的傷害小,，細(xì)胞的存活率可達(dá)95%以上的優(yōu)點(diǎn),。但是其很難打印出各類(lèi)型細(xì)胞混合材料，而且價(jià)格相比更貴,，這亦一定程度上限制了其實(shí)際的臨床應(yīng)用,。

伴隨著科技的不斷進(jìn)步，3D打印人造器官技術(shù)在臨床上得到了的應(yīng)用

7.人造骨骼

個(gè)性化定制人工骨骼在臨床應(yīng)用中需求量特別大,，是由于人體骨骼形態(tài)不規(guī)則,，個(gè)體形態(tài)差異較大。瑞士伯恩塞爾醫(yī)院的Weinand領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)成功復(fù)制了他自己的拇指骨,。比利時(shí)哈塞爾特大學(xué)BIOMED研究所為患者打印并移植了下頜骨利用激光輔助3 D打印技術(shù),。南方醫(yī)科大學(xué)黃華軍等，收集臨床復(fù)雜脛骨平臺(tái)骨折病例以及常用脛骨平臺(tái)鋼板的CT數(shù)據(jù),，進(jìn)行骨折三維重建,、虛擬復(fù)位以及建立鋼板三維模型庫(kù)，然后進(jìn)行內(nèi)固定方案的數(shù)字化設(shè)計(jì),。3D打印出骨折復(fù)位模型以及鋼板模型,，在3D模型上按照數(shù)字化設(shè)計(jì)內(nèi)固定方案進(jìn)行模擬手術(shù)，結(jié)果顯示3D打印技術(shù)結(jié)合數(shù)字化設(shè)計(jì)能有效的提高復(fù)雜脛骨平臺(tái)骨折內(nèi)固定植入效果,。

8.人造血管

當(dāng)今,，由于心腦血管疾病的不斷增多，臨床上對(duì)血管移植物的需求更加明顯,。如今,，方便快速地制造出可供移植的血管和血管修復(fù)材料是利用3D人造器官技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。新加坡南洋理工大學(xué)的Leong等試圖研究適合于SLS技術(shù)的聚合物及其成形結(jié)構(gòu)的特性,，提出了制造條件,、制造精度、材料生物相容性和可重復(fù)性是3D打印技術(shù)的關(guān)鍵要素,，利用選擇性激光燒結(jié)制造血管支架結(jié)構(gòu),。Lee等制備了內(nèi)徑 1mm的3D打印水凝膠管道模型，成功誘導(dǎo)周?chē)�毛�?xì)血管形成了微血管床,。又如,，美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)Miller 等首先將碳水化合物玻璃打印成網(wǎng)格狀模板，用澆注法復(fù)合載細(xì)胞水凝膠形成管道狀血液通路,。德國(guó)的Gunter Tovar博士制作出毛細(xì)血管,，具有良好的彈性與人體相容性，不但可以用于替換壞死的血管還能與人造器官結(jié)合,，還可能使構(gòu)造的組織與器官實(shí)現(xiàn)再生血管,，利用3D打印雙光子聚合和生物功能化修飾。

9.人造器官

3D打印腎臟的技術(shù)在2011年美國(guó)Wake Forest University的AnthonyAtala的TED大會(huì)上展示,，到目前為止,，3D打印人造器官技術(shù)取得了很大的進(jìn)步。美國(guó)Organovo公司打印出人體肝臟薄片,，微型肝臟只有0.5 mm厚,、4 mm長(zhǎng)，卻具有真正肝臟的大多數(shù)功能,，利用3D人造器官,。杭州電子科技大學(xué)的徐銘恩教授團(tuán)隊(duì)自主成功研制出的商品級(jí)3D打印機(jī)可打印生物材料和活細(xì)胞，目前成功打印出較小比例的人類(lèi)耳朵軟骨組織,、肝單元等在這臺(tái)打印機(jī)上,。肝小葉是肝結(jié)構(gòu)和功能的基本單位，模仿肝小葉結(jié)構(gòu)制備肝單元,，是制造人工肝臟的主要過(guò)程,。

10.皮膚修復(fù)

有研究者研究將不同細(xì)胞外基質(zhì)應(yīng)用于皮膚3D打印技術(shù)中，這樣可以最大限度將皮膚的活性及其他天然屬性提高,，使得移植后受損皮膚的修復(fù)及打印皮膚與正常皮膚有效地融合,。在這方面，Baca等證實(shí)該納米生物材料可保持細(xì)胞的水分,、滲透壓,、pH值等理化特性，并有效促進(jìn)和維持細(xì)胞的生長(zhǎng),，采用多孔納米生物材料模擬細(xì)胞外基質(zhì),。將人皮膚成纖維細(xì)胞和角朊細(xì)胞直接沉積在支架上,，取得了良好的皮膚組織再生效果，采用靜電紡絲技術(shù)制成多層膠原支架,。Hahn等將人真皮成纖維細(xì)胞加在凝膠內(nèi),，將其打印在透明載體上，這樣細(xì)胞只能黏附在暴露的或不被修飾的凝膠表面,，繼而實(shí)現(xiàn)讓細(xì)胞在必要的區(qū)域生長(zhǎng),，用光刻技術(shù)修飾融化凝膠模型的表面形狀。借此更好地控制打印出的皮膚組織塊形態(tài)和結(jié)構(gòu),，保證打印的皮膚組織與傷口皮膚缺損完全吻合,，為臨床中的個(gè)體化治療奠定基礎(chǔ)，并實(shí)現(xiàn)3D打印皮膚向轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)的順利過(guò)渡,。

3D打印人造器官技術(shù)是新一輪的發(fā)展機(jī)會(huì),，中國(guó)政府不斷加大器官移植新技術(shù)投入，目前我國(guó)3D打印人造器官技術(shù)研究邁入國(guó)際先進(jìn)水平,，具有很好的前景,。如今，3D打印人造器官技術(shù),，機(jī)會(huì)與面臨問(wèn)題并存,，如：?jiǎn)渭?xì)胞、多種細(xì)胞,、細(xì)胞團(tuán)簇的受控三維空間輸送,、精準(zhǔn)定位、排列與組裝,，以及生物制造過(guò)程中對(duì)細(xì)胞的損傷及生物功能的影響等,。細(xì)胞與生物材料的特殊性，材料學(xué),、制造學(xué),、生物學(xué)等多交叉學(xué)科的合作及多噴頭生物3D打印設(shè)備的應(yīng)用，是由于人體復(fù)雜的器官結(jié)構(gòu)及功能的多樣性,，這將成為研究者未來(lái)研究的主題,，同時(shí)是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜器官制造的核心所在。在近幾年隨著研究的不斷加深,、各學(xué)科的整合與突破,、諸多科學(xué)問(wèn)題的逐一突破，3D打印人造器官將會(huì)成為一種廣泛使用的醫(yī)療技術(shù),。器官移植將逐步脫離單純的器官捐獻(xiàn),，縮短器官移植等待時(shí)間，拯救更多需要器官移植的患者。

來(lái)源：中國(guó)網(wǎng)