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,。中國政府對新型器官移植技術(shù)也非常的重視。有關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,，我國每年150萬器官衰竭患者中,，僅有一萬余人能得到器官移植,，更多的人只能在等待配體的過程中病情惡化甚至離世,。如果3D打印能夠解決這項難題，無疑將成為最受市場關(guān)注的焦點,。

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,，是基于計算機三維數(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)問題及安全問題,。

1.3D打印人造器官技術(shù)在國外的發(fā)展

3D打印人造器官技術(shù)，目前在國外快速的發(fā)展,，使得制造,、生物科學(xué)等方面的科研人員重視。韓國浦項科技大學(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,。英國諾丁漢大學(xué)教授Sawkins等制造出機械性強度的結(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),。美國大力推動3D打印人造器官技術(shù)的研發(fā)，如：三維乳房癌組織測試系統(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),、美國德雷賽爾大學(xué)(Drexel)等研究機構(gòu)在細(xì)胞3D打印,、器官打印等領(lǐng)域?qū)ｍ椦芯俊２糠轴t(yī)療研究機構(gòu)及公司利用3D打印人造器官技術(shù)打印出動脈,、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)周圍毛細(xì)血管。Koch等,，研究證實了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)在國內(nèi)的發(fā)展

3D打印人造器官技術(shù)在國內(nèi)迅速的發(fā)展,，與國際水平相比上下,。徐銘恩團(tuán)隊來自杭州電子科技大學(xué)自主研發(fā)出一臺生物材料3D打印機，較小比例的人類耳朵軟骨組織,、肝單元等現(xiàn)已在這臺打印機上成功打印出,。該研究成果被國際最具有影響力的期刊Biomaterials評為2012年在3D打印人造器官領(lǐng)域的最高水平。Hsieh等為中國臺北國立臺灣大學(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,，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�,？翟＝▓F(tuán)隊利用Rollovesseller3D打印平臺，將含有種子細(xì)胞,、生長因子和營養(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,，發(fā)明生物打印的核心技術(shù)生物的專利，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)打印出來的器官組織,，會存在結(jié)構(gòu)上非常不穩(wěn)定,、過于脆弱的缺點，無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養(yǎng)物質(zhì),，很難存活。

就上述存在的缺點,，美國韋克福雷斯特大學(xué)再生醫(yī)學(xué)學(xué)院的研究團(tuán)隊改進(jìn)了現(xiàn)有3D打印人造器官技術(shù),，開發(fā)出“組織和器官集成打印系統(tǒng)”(ITOP)。這一新開發(fā)的3D打印人造器官系統(tǒng),，可將含有活性人體或動物細(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似血管的微小通道,。器官組織移植到動物身上后,，可通過這些通道獲取氧和營養(yǎng)物質(zhì)，這是保證器官移植后存活的關(guān)鍵,。一段時間后,，血管會逐漸在人造器官中生長，取代微型通道,。

為驗證效果,，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,。一段時間后,，這些人造器官組織都成功存活下來，并長出了血管和神經(jīng)等結(jié)構(gòu),。器官移植報告作者之一,、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，將兩種材料結(jié)合的打印過程以及組織結(jié)構(gòu)中的微小通道,，為人造器官中的細(xì)胞存活,、組織生長提供了適當(dāng)環(huán)境。ITOP的另一個優(yōu)勢是,，能夠通過計算機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,，他們在試驗中使用過人類細(xì)胞及兔子、老鼠等動物的細(xì)胞進(jìn)行人造器官組織打印,，都取得了不錯的效果,。目前，這項技術(shù)還處于早期試驗階段,，需進(jìn)一步改善,，以便未來能用患者的細(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)都有哪些類型

3D打印人造器官打印機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,，根據(jù)其工作原理,。這三類打印機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打印機改造而來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的原理,。

熱噴墨打印機打印依靠電加熱打印頭，生成壓力脈沖而使液滴離開噴嘴,。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,。但是也具有缺點即在打印過程中會使得細(xì)胞和生物材料承受熱和機械應(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把液滴從氣液界面噴射出的聲控噴墨打印機,�,？刂埔旱蔚拇笮∨c滴出速率是通過控制超聲參數(shù)來實現(xiàn)的。具有避免了熱與壓力對生物材料的影響,，同時可控制液滴的大小,、并避免了噴口堵塞的優(yōu)點。然而,，該技術(shù)對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,，這樣才能形成液滴,。另外，通過材料直接堆砌而成型噴墨打印的方式,，要求所打印對象的三維數(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加熱器熔化，通過送絲機構(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動，并將半流動狀態(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,，并與周圍的材料粘結(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，但與噴墨打印機相比較價格較貴,。該打印機具有打印出的組織中細(xì)胞存活率低的缺點,，這一缺點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(LAB)的工作原理。

LAB具有噴頭為開放式,，故其不存在噴頭堵塞的問題,，同時其對細(xì)胞的傷害小，細(xì)胞的存活率可達(dá)95%以上的優(yōu)點,。但是其很難打印出各類型細(xì)胞混合材料,，而且價格相比更貴，這亦一定程度上限制了其實際的臨床應(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)隊成功復(fù)制了他自己的拇指骨。比利時哈塞爾特大學(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)雜脛骨平臺骨折病例以及常用脛骨平臺鋼板的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,，然后進(jìn)行內(nèi)固定方案的數(shù)字化設(shè)計。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)計能有效的提高復(fù)雜脛骨平臺骨折內(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)周圍毛細(xì)血管形成了微血管床,。又如，美國賓夕法尼亞大學(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Wake Forest University的AnthonyAtala的TED大會上展示,，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,，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)隊自主成功研制出的商品級3D打印機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耳朵軟骨組織,、肝單元等在這臺打印機上。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,，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,，繼而實現(xiàn)讓細(xì)胞在必要的區(qū)域生長，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，為臨床中的個體化治療奠定基礎(chǔ),，并實現(xiàn)3D打印皮膚向轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)的順利過渡,。

3D打印人造器官技術(shù)是新一輪的發(fā)展機會，中國政府不斷加大器官移植新技術(shù)投入,，目前我國3D打印人造器官技術(shù)研究邁入國際先進(jìn)水平,，具有很好的前景。如今,，3D打印人造器官技術(shù),，機會與面臨問題并存,，如：單細(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，以及生物制造過程中對細(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研究的主題,，同時是實現(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)問題的逐一突破,，3D打印人造器官將會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間,，拯救更多需要器官移植的患者。

來源：中國網(wǎng)