3D打印技术在生物医学领域的应用和展望

3D打印技术在生物医学领域的应用和展望

孙紫龙

烟台澳斯邦生物研发有限公司 山东省 烟台市 264006

摘要：3D打印技术(3DPrinting)即增材制造技术，以数字模型文件为基础，运用粉末状金属、陶瓷和高分子等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体。随着生命科学与制造科学的发展，3D打印在生物医学领域也获得了广泛应用研究，包括外科、口腔、组织工程和再生医学、药物制剂等方面。3D打印技术依据计算机辅助成像，打印的个性化支架能够精准模拟缺损组织和器官的复杂三维结构，同时能将种子细胞与支架材料混合打印，使支架具有生物活性，因此在组织工程领域得到广泛关注。

关键词：3D打印技术;生物医学;应用;展望 ;

引言

1990年，美国麻省理工学院的Sachs等首次提出了3D打印这一概念。20世纪90年代以来，3D打印技术取得了蓬勃发展。2003年，美国南卡罗纳大学的Mironov等提出生物组织器官3D打印的概念。3D打印是相对于传统平面打印而言，打印出来的物体是立体的。在立体成型方面，相对于传统加工的等材制造、减材制造，3D打印是典型的增材制造，即逐层叠加形成三维结构。3D打印作为决定未来经济和人类生活的颠覆性技术之一，有效地将材料、机械制造、信息处理、电子设备及工程设计等学科深度融合，突破了传统制造工艺受限于结构复杂性难以进行加工制造的困境。通过3D打印定制个性化产品，将降低生产成本，引领一场新的工业革命。目前，3D打印广泛应用于生物医学、航空航天、建筑设计、文化产业、工业制造和军事装备等领域，特别是在生物医学领域，3D打印发挥着越来越重要的作用.

13D打印在生物医学领域的应用

1.1医疗辅具

医疗辅具是3D打印技术在生物医学领域的初级应用，主要产品包括医学模型和体外医疗器械等，一般不要求生物相容性。在医疗辅具制备方面，3D打印技术通常与医学影像技术结合，模拟构建人体结构模型，有助于患者和医务人员更好地了解病情并拟定手术方案。将3D打印医疗辅具用于教学、培训、手术辅助、手术模拟及术前规划等，可促进医学知识的传播，有效减少手术时间和出血量，提高手术精度和成功率。相对于传统医学模式，3D打印医疗辅具能大大提高医务工作者的医学认知和手术水平。

1.2在口腔领域的应用

漱口工具主要使用合金、生物测定陶瓷、光敏树脂等。合金主要通过可选的激光缝合形式用于具有齿形皮带、油炸齿、金属内冠、齿桥内冠、侧畸变槽口等的三维印刷生产，用于修复牙齿。陶瓷的三维印刷生产主要采用β-氚、磷石灰石等。由于其结构与牙齿相似，它主要用于组织口腔工具损伤和修复齿轮支付，特别是在齿隙矫正方面。漱口用聚合物材料主要是光敏树脂，与阳极氧化铝、氧化锆的使用相结合，用于在印刷接缝中安装陶瓷。Lee等人发现，通过将4，4'-2 (N，N-2氨)二氧化碳(DEABP)添加为共同触发器，可以改善印刷材料的转化和牙科模型的巩固。吴江等报告应用计算机辅助设计(CAD)和激光三维打印技术建立了全钛基，用无牙石膏纸板模型评价其适用性，为该技术的广泛临床应用奠定了实验基础。

1.3载细胞打印

载细胞打印是指活体细胞包裹在水凝胶等生物材料中形成生物墨水，以3D打印的方式构建器官或器官原型，可广泛应用于组织修复、组织发育机制及药物筛选等场合。水凝胶是由分散在水介质的亲水聚合物链通过各种交联机制形成的，常用的亲水聚合物包括海藻酸盐、明胶、甲基丙烯酸酐化明胶（methacrylategelatin，GelMA）。交联是指液态转变为锁水网络状固态的过程，交联机制包括热诱导纠缠、分子自组装、静电相互作用、离子交联和化学交联[32]。水凝胶等生物材料的作用是打印时保护细胞不受损坏，使细胞分布均匀、防止沉降，打印后为细胞生长模拟体内环境。常见的载细胞打印方式有DIW、SLA和E-Jet等，前2种打印方式使用最为广泛。目前载细胞打印的研究主要集中在皮肤、血管、软骨、组织器官及肿瘤模型等方面.目前，载细胞打印仍处于实验室研究阶段，需要解决能不能造、能不能活、能不能用等问题，具体包括水凝胶等生物材料成型精度能否达到组织要求、营养素输送能否满足细胞需求、堆叠细胞能否发挥整体生物组织功能。尽管载细胞打印取得一些成绩，但依然任重而道远。

1.4用于医学模型设计

近年来临床实践和教科书中应用的三维打印技术病理器官模型的发展，为临床实践的发展带来了新的血液图像。三维打印医学模型使您能够直观显示患者器官的详细信息和相关组织的内部结构，以便更好地直观显示身体内部结构、术前规划、手术分析和临床培训。特别是对于复杂的伤口、脊柱手术和关节手术，可以使用3D打印技术开发脊椎弓、臀部等的导航模板，显示出广泛的应用前景。与此同时，部分疾病的物理表现形式通过三维压力呈现出医学模式，对于教育技术课程，疾病的形状变化更加直观、直观，表现出普遍认可的教育成果。

1.5组织/器官再生

3D打印技术应用于生物医疗初期只能打印包括骨、软骨、血管神经、肌腱、牙齿和皮肤组织等的3D支架，目前已经逐步发展到可以打印如肝、肾、心脏等具有较复杂结构和生物组成的器官原型。基于高频关键词统计信息显示当前组织/器官再生领域的前沿热点主要集中在干细胞的相关研究中，干细胞具有很强的增殖和分化能力，越来越多地被用来修复和再生人体组织和器官，在组织工程领域具有良好的治疗潜力。目前主流应用方法是通过多喷头的3D打印技术将细胞与生物支架混合打印，植入人体后相应位置的细胞替代损伤组织完成创伤部位的修复或再生，此时干细胞的自我增殖和分化能力可有效避免二次损伤、排斥反应等问题。另外，为干细胞营造良好生长环境的生物材料也是研究人员关注的焦点，如明胶、海藻酸盐、细胞外基质等。3D打印干细胞技术不仅可以为患者提供精准化治疗和个体化方案，还适用于批量快速生产，具有广阔的临床应用前景。

23D打印在生物医学领域的前景展望

通过借助新兴的生物3D打印技术让诸多生物组织和器官从虚拟模型变为现实的三维物体，以数字化手段打造了一条从医学成像、术前规划到植入物设计和制造的个体化医疗通路。同时3D打印出来的实体从形态和功能性上逐步逼近天然组织和器官，这有望能在临床上代替或修复受损的人体组织和器官，也可能成为药物研究的真实的组织微环境。通过生物3D打印技术可以加工出以往常用的减材制造无法制备的复杂结构，并且具有很高的材料利用率和加工效率。但生物3D打印技术的生物安全性、免疫原性以及高成本也日益受到关注，同时对于复杂器官的复制仍有差距。此外，在打印过程中提高细胞的存活率、打印速度和精度等问题还有待进一步改善。

结束语

3D打印技术在理论上较为完备，技术工艺上也不断创新突破。作为一项革新的技术，3D打印改变了人们的思维方式，给科学研究提供了强有力的工具，并有望创造出巨大的社会和经济效益。目前，3D打印技术已在生物医学领域广泛应用，未来将持续深入生物医学领域的各个方面，开启生物医学个性化设计和促进医疗水平质的提高，为人类健康事业提供广阔空间。

参考文献

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