【解析】３Ｄ打印技術(shù)在胸心外科學(xué)中的研究進(jìn)展

３Ｄ打印技術(shù)在骨科  、口腔科  等的飛速發(fā)展,，也帶動了在其他�,？频难芯颗c探索。近年來,，３Ｄ打印技術(shù)在氣管,、食管、心臟瓣膜的構(gòu)建上有了一定的成就,，豐富了其在胸心外科中的應(yīng)用,。 概 述 根據(jù)美國材料與試驗(yàn)協(xié)會（ＡＳＴＭ）２００９年成立的３Ｄ打印技術(shù)委員會（Ｆ４２委員會）公布的定義，３Ｄ打印是指一種與傳統(tǒng)的材料去除加工方法相反的,，基于三維數(shù)字模型的,，通常采用逐層制造方式將材料結(jié)合起來的工藝  ,。這些系統(tǒng)建立在Ｘ、Ｙ,、Ｚ基礎(chǔ)的三維空間,，打印機(jī)的噴頭不僅可以在水平方向移動，更可以垂直移動,，從而實(shí)現(xiàn)對加入材料的逐層打印,，形成３Ｄ結(jié)構(gòu)。打印的產(chǎn)品模型主要由計算機(jī)輔助設(shè)計,，也可以通過ＣＴ成像技術(shù)來實(shí)現(xiàn),，然后根據(jù)需要調(diào)整參數(shù)，傳送至３Ｄ打印機(jī)  ,�,；�于其工作原理，３Ｄ打印技術(shù)主要可分為３類：噴墨式打印,、激光打印,、擠壓打印 。

相比其他傳統(tǒng)技術(shù),，３Ｄ打印技術(shù)的 主要優(yōu)點(diǎn)為：
（１）打印精度高,；
（２）可以同時打印細(xì)胞及其支撐材料；
（３）構(gòu)建速度快,，生產(chǎn)周期短,；
（４）按需制作，實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)個體化,；
（５）可以解決移植排斥的問題  ,。
３Ｄ打印技術(shù)的 這些優(yōu)點(diǎn)，使之在醫(yī)學(xué)治療上得到更好的應(yīng)用,。 在胸心外科學(xué)中的應(yīng)用

一,、氣管
氣管缺損主要由狹窄、感染,、創(chuàng)傷,、腫瘤等引起，手術(shù)切除和直接斷端吻合是公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)手術(shù)治療,。然而,，如果缺陷超過成人氣管總長度的５０％或者兒童的３０％,，就需要?dú)夤芴娲�物進(jìn)行氣管重建,。氣管重建的支架不僅需要有合適的外形和強(qiáng)度來維持其管腔輪廓，更需要為呼吸上皮和血管 的重建提供環(huán)境支持  ,。天然來源的支架和人工合成的支 架都有一定的局限性,，３Ｄ打印支架應(yīng)運(yùn)而生,。

Ｃｈａｎｇ等 利用３Ｄ打印的聚己內(nèi)酯支架成功進(jìn)行了兔氣管的重建。他們在兔股骨和脛骨 處獲得骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞,，細(xì)胞培養(yǎng)后離心處理,，隨后用含有人纖維蛋白原的溶液重懸，讓骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞接種于纖維蛋白內(nèi),，再將支架補(bǔ)片移植于兔氣管缺陷處,。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)細(xì)胞存活率達(dá)到８３暢６％，兔氣管缺陷處在術(shù)后４周和８周都成功重建,，３Ｄ打印的氣管支架與正常氣管融合良好,，并且重建氣管部位覆蓋的纖毛呼吸上皮與正常無異。這類支架有望解決部分氣管重建的問題,。

枟新英格蘭醫(yī)學(xué)雜志枠報道了３Ｄ打印氣管支架置入人體成功的病例  ,。患兒在母親妊娠３５周后出生,，生后第６ 周出現(xiàn)胸壁凹陷和進(jìn)食困難,。２個月后，病情惡化,，需要?dú)夤懿骞芫S持通氣,。病情檢查證實(shí)患兒患有氣管軟化癥。對患兒的氣道進(jìn)行ＣＴ拍片后,，在計算機(jī)輔助設(shè)計下,，通過激光燒結(jié)的３Ｄ打印技術(shù)制作了氣管支架，置入體內(nèi),。術(shù)后７天,，開始逐步撤離機(jī)械通氣；２１天后,，停用了呼吸機(jī)支持,；術(shù)后１年，影像學(xué)和內(nèi)鏡檢查都顯示左主支氣管重建良好,。從兔實(shí)驗(yàn)到個體成功案例的報道,，都顯示了３Ｄ打印支架實(shí)現(xiàn)氣管重建的良好前景。

二,、食管
食管癌是世界第六大常見腫瘤,，并且是第五大導(dǎo)致男性死亡的腫瘤  ，我國也是食管癌的高發(fā)國家,。胃腸內(nèi)鏡是 食管癌診斷與治療主要的篩查工具,。但是對于不同類型的食管腫瘤，過于單一的內(nèi)鏡鏡帽有時不能到達(dá)病變部位,，而３Ｄ打印可以根據(jù)不同病變打印特制的鏡帽,；更值得欣慰的是,，對于復(fù)雜解剖部位的食管癌手術(shù)，可以在術(shù)前通過３Ｄ打印的模型制訂特異性手術(shù)方案,，提高手術(shù)成功率,。

Ｋｏ等 根據(jù)不同患者不同病情的病變部位，以硅為材 料,，利用３Ｄ打印機(jī)打印了特定的內(nèi)鏡鏡帽,，這是對傳統(tǒng)內(nèi)鏡的極大改良，主要包括：

（１）側(cè)孔帽,，用于食管上皮下腫瘤的黏膜切除術(shù),；
（２）斜頭帽，用于胃上皮瘤的黏膜下剝離術(shù),；
（３）寬頭帽,，用于Ｔｒｕｃｕｔ活檢，食管上皮下腫瘤的診斷,；
（４）窄頭帽,，用于賁門失弛緩癥的內(nèi)鏡下肌切開術(shù)。
他們還將此用于臨床,，患者術(shù)后并未發(fā)現(xiàn)任何并發(fā)癥,。Ｄｉｃｋｉｎｓｏｎ等  自２００６年以來已經(jīng)利用３Ｄ打印制作了１６０個模型。 在ＣＴ掃描的影像學(xué)攝片后,，根據(jù)食管等成像的解剖學(xué)位置,，在計算機(jī)輔助設(shè)計下，不同的結(jié)構(gòu)標(biāo)記不同的顏色,。這樣突出表現(xiàn)了病變的食管,，使之能與周圍組織分離。這些模型的建立,，可以輔助制訂詳細(xì)的術(shù)前方案,，尤其是對于復(fù)雜的病例，增強(qiáng)了治療的個體化,。

三,、心臟瓣膜
心臟瓣膜病是一類嚴(yán)重影響公眾健康，并且呈增長趨勢的疾病,。在西方國家,，患有瓣膜疾病或瓣膜功能紊亂的患者占了總?cè)丝诘模矔常担ィ辉诎l(fā)展中國家,，越來越多的年輕人開始患有心臟瓣膜病,，呈年輕化趨勢 。目前，心臟瓣膜病的主 要治療方法是瓣膜置換,，臨床應(yīng)用的瓣膜替代物主要有機(jī) 械瓣膜和生物瓣膜  。機(jī)械瓣膜通常用于年輕患者,，機(jī)械 性能強(qiáng),、使用時間長，但需要長期抗凝治療,；相比之下,，生物瓣膜不需要抗凝治療，但不耐用,，通常用于老年患者  ,。

由于機(jī)械瓣膜和生物瓣膜的不足，研究者們一直在尋找更加理想的心臟瓣膜替代物,，直到組織工程心臟瓣膜帶來了希望,。組織工程心臟瓣膜作為活體器官，其生長,、修復(fù)和重建能力與正常人體瓣膜十分相似,，從而避免了機(jī)械瓣膜和生物瓣膜置入人體后的缺點(diǎn)與不足  。尤其是３Ｄ打印技術(shù)成為研 究熱點(diǎn)后,，豐富了組織工程心臟瓣膜,。 Ｄｕａｎ等  利用３Ｄ生物打印技術(shù)打印出了解剖結(jié)構(gòu)復(fù) 雜的主動脈瓣膜，其藻酸鹽／明膠支架內(nèi)埋植了主動脈竇平滑肌細(xì)胞和主動脈瓣葉間質(zhì)細(xì)胞,。經(jīng)過７天的培養(yǎng)后,，發(fā)現(xiàn)這兩種細(xì)胞活性較高，其存活率分別為（８１暢４±３暢４）％和（８３暢２±４暢０）％,；同時發(fā)現(xiàn),，ＳＭＣｓ高表達(dá)α－平滑肌肌動蛋白，而ＶＩＣｓ高表達(dá)波形蛋白,。Ｈｏｃｋａｄａｙ等  利用含藻酸鹽的聚乙 二醇二丙烯酸酯水凝膠成功打印了３種大小的主動脈瓣膜,，其內(nèi)徑分別為１２、１７,、和２２ｍｍ,；并且在支架內(nèi)埋植了豬主動脈瓣間質(zhì)細(xì)胞，培養(yǎng)２１天,。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),，這些瓣膜支架的彈性范圍較大，制作時間也長短不等,。更有趣的是,，瓣膜內(nèi)徑越大，其形態(tài)保真度就越高。而且,，埋植的豬主動脈瓣間質(zhì)細(xì)胞在支架內(nèi)培養(yǎng)２１天后,，其存活率竟接近１００％。實(shí)驗(yàn)證明,，３Ｄ打印技術(shù)在保持精確解剖結(jié)構(gòu)的同時,，還保持了其機(jī)械性能和細(xì)胞相容性。無獨(dú)有偶,，三尖瓣瓣膜的成功打印再一次證明了３Ｄ的巨大前景,。Ｄｕａｎ等 利用丙烯酸甲酯交聯(lián)透明質(zhì)酸和丙烯酸甲酯交聯(lián)明膠建立混合水凝膠支架，埋植人主動脈瓣間質(zhì)細(xì)胞后,，成功打印三尖瓣瓣膜,。研究發(fā)現(xiàn)：增加Ｍｅ－Ｇｅｌ濃度會導(dǎo)致較低的硬度和較高的黏度，而這可以促進(jìn)細(xì)胞擴(kuò)散以及更好地保持主動脈瓣間質(zhì)細(xì)胞的成纖維表型,；Ｍｅ－ＨＡ和Ｍｅ－Ｇｅｌ的相對濃度會影響打印的精確性,；埋植在生物打印的心臟瓣膜內(nèi)的ＶＩＣｓ能夠保持高活力，并且通過沉積膠原蛋白和黏多糖改變原始基質(zhì),。

３Ｄ打印心臟瓣膜的成功推動了組織工程對于活體心臟瓣膜置換的發(fā)展,，同時促進(jìn)了學(xué)者們對于體內(nèi)模型設(shè)計的研究和對瓣膜疾病機(jī)制的進(jìn)一步探討。 討論與展望 ３Ｄ打印作為一門新興技術(shù),，展現(xiàn)了巨大的前景,，受到了廣泛的關(guān)注。經(jīng)過將近２０年的發(fā)展,，已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步并滲透到臨床醫(yī)學(xué)的多個領(lǐng)域,，推動了醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)的快速發(fā)展。

目前,，３Ｄ打印技術(shù)已然體現(xiàn)出構(gòu)建速度快,、可按需制作，以滿足個體化醫(yī)學(xué)治療的需求,、排斥反應(yīng)低等優(yōu)勢,；但也面臨不小的挑戰(zhàn)與問題：生物力學(xué)的維持、支架材料的選擇,、無菌環(huán)境的保證,、打印構(gòu)建物的成型、血供及長期存活  ,；同時造價高,，技術(shù)人員缺乏，３Ｄ打印機(jī)的安全性問題,， 都阻礙了３Ｄ打印技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展及在臨床的應(yīng)用,。但是隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)與多學(xué)科間的交叉和互相補(bǔ)充，３Ｄ打印技術(shù)必將不斷進(jìn)步和完善，其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍也會越來越廣泛,。加強(qiáng)３Ｄ打印技術(shù)與傳統(tǒng)醫(yī)療技術(shù)的結(jié)合,，進(jìn)行優(yōu)勢互補(bǔ)；加強(qiáng)３Ｄ細(xì)胞打印技術(shù)與生物組織培養(yǎng)技術(shù)的結(jié)合,，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜組織,、器官的訂制，相信在不久的將來,，３Ｄ打印技術(shù)可以帶給人們更好的醫(yī)療服務(wù),。
編輯：南極熊
作者：單一波  王堯  史宏?duì)N