3D打印技术在医学中的应用研究进展

    3D打印技术，又称快速成型技术，是基于计算机三维数字成像技术和多层次连续打印技术的一种新兴应用技术，其原理是采用分层加工、叠加成型的方式逐层增加材料来生成3D实体。该技术可以制作任意复杂几何形状的实体，极大地降低了结构复杂产品的制造难度，在很大程度上提升了生产效率，具有成型精度高、重复性好、可实现产业化生产等传统工艺无法比拟的优点。在医学领域，起初由于打印材料的限制，3D打印技术主要用于打印无生物活性的人工关节和假体。随着新材料技术的不断发展，能够满足3D打印的材料也由金属、塑料、陶瓷等单一固体粉材发展到液体、凝胶、细胞等混合材料。3D打印技术迈向了生物活性打印时代，其在临床中的应用越来越广泛。本文就3D打印技术在临床医学中的应用进展作一综述。

1 3D打印在医学中的应用

    1.1 3D打印与骨关节外科

    在骨关节外科手术中，常常需要植入人工假体来恢复相应部位的解剖结构，其主要的缺点是假体与手术部位的形态拟合性较差，手术过程中常需反复尝试各种型号的假体，加重局部创伤，延长手术时间。运用3D打印技术，术前可为患者“量身定制”高精度的手术方案和植入体，从而提高手术成功率，使手术更精确、更安全。Benum等应用该技术制备个体化股骨假体和股骨髓腔导向器，成功为2例石骨症患者施行人工全髋关节置换术，与标准尺寸的骨科植入物相比，3D打印技术“量身定制”的个体化植入物与患者骨骼匹配更精准，患肢功能恢复更快。Won等利用该技术为21例髋关节严重畸形患者成功制定手术方案并施行人工全髋关节置换术，术后影像学检查表明假体组件均按计划精确植入，而且明显缩短了手术时间。

    3D打印技术在骨关节外科的广泛应用展示出传统工艺无法比拟的优势，但目前尚存在一些问题。在个体化假体制造方面，能够满足临床应用的材料仅限于金属、陶瓷和塑料，而胶原蛋白、硫酸软骨素、透明质酸和羟基磷灰石等具有良好生物相容性和安全性的生物材料尚处于实验室研究阶段。将活细胞和支架材料同时打印是3D打印技术在关节外科基础研究领域应用的进步性标志，但如何实现细胞在支架内按照预定组织结构进行精准分布、如何构建营养通道血管、如何提高打印组织的机械性能等，都是未来的研究方向，尤其营养血管的建立对植人物的长期存活有重要作用。Wang等通过噬菌体纳米纤维活化间充质细胞向内皮细胞和成骨细胞分化来诱导3D打印骨支架中的血管生成和骨生成，为植入体中血管生成研究打下了一定的基础。随着组织工程学、数字化医学、新材料和新工艺的不断发展，3D打印技术在关节外科领域将会有更广泛的应用，届时甚至能打印出包含多种细胞成分、血管和神经等与人体自身完全相同的骨关节植入物。

    1.2 3D打印与器官移植

    随着器官移植技术和免疫药物的发展，器官移植在临床中应用越来越多，但器官短缺仍是其难以广泛应用的重要原因。除了传统的活体器官捐献外，人们正试图从机械器官、异种器官移植、组织工程和再生医学几方面来进行研究，其中3D打印技术的出现使器官的获得出现新的曙光。早在2003年Mironov等就提出了3D打印器官用于器官移植，他们通过干细胞在体外培养出白体细胞，播种于可降解的牛物支架上从而生成相应的器官，此种方法虽然也有很多缺陷，但至少可以作为目前值得尝试的方法。目前3D打印技术的应用主要局限于制造结构相对简单、无需复杂供血的组织器官，如人造内耳、皮肤等。

    生物打印器官能成功存活最重要的要素是合适的器官内部支架和器官正常的血供，因为即使打印出外形上无可挑剔的器官，但其中缺少血液供应，组织和器官不可能有正常的功能并存活。水凝胶等形成的生物结构可作为细胞生长的重要支架，海藻酸凝胶是组织工程中常用的水凝胶材料，有研究报道，利用海藻酸凝胶与氯化钙溶液反应，可以建立适合活性细胞存活的精确的三维结构。3D生物打印技术也能制作出复杂结构并提供血管化条件的物体，但真正应用于临床尚需进一步研究。3D打印用于器官移植还有众多瓶颈性技术未能突破，细胞打印技术与干细胞技术的结合、如何在打印器官的同时构建内部血管等问题的解决将为实现器官打印提供有力的支持。

    1.3 3D打印与血管外科

    3D打印技术在血管外科的应用得到了一定的发展。2006年Boland等应用3D打印技术将牛血管内皮细胞和藻酸盐水凝胶同步打印，形成内皮细胞一水凝胶三维复合物，成功打印出具有活性的微脉管结构，为打印血管奠定了基础。德国弗劳恩霍夫研究所的一个小组使用3D打印技术和“多光子聚合”技术，成功打印出“人造血管”，目前已有可吸收冠状动脉支架应用于人体的报道，外周血管可吸收支架在欧盟和美国已均在临床试验中。目前向血管支架中加入活性内皮细胞构建人造血管的方法仍存在许多不足，特别是在构建内部结构复杂的组织和器官时，细胞无法精确种植至支架内部，只能随机吸附于表面，细胞活性凶子只能影响支架表面细胞的生长分化，很难对支架内部细胞活性进行控制，这是今后人造血管研究的重点。

    此外，胸/腹主动脉瘤手术是血管外科难度最大的手术之一，术中往往要选用分支型或开窗型支架以保证主要动脉的供血，这对术前准确测量、术中准确释放有很高的要求，而采用3D打印技术，术前可精确制备动脉瘤模型，使治疗更“个体化”，以保证术中支架准确释放，并且医生可进行更为细致的手术规划。

    1.4 3D打印与整形外科

    3D打印技术在整形外科的研究和应用最早可追溯至1992年，Stoker等首次将该技术引入整形外科领域，将3D打印模型用于颅颌面手术的术前模拟。随着材料科学的发展，近年来人们开始尝试以生物材料代替以往的模型材料，打印出可直接用于人体的植入物。Saijo等采用磷酸三钙粉末等生物材料制备个性化假体，经处理后术中无需雕刻，可直接植入人体，将3D打印技术由单纯的模型制造拓展到生物制造。3D打印技术在整形外科应用的典型案例是下颌骨组织缺损修复，腓骨瓣的准确塑形与植入是恢复下颌骨自然弧度和进行牙种植术的基础，利用3D打印技术制作的下颌骨修复模型可起到导板的作用，引导腓骨瓣的准确塑形和植入，将下颌骨功能性修复由经验型提升到日标性治疗阶段。应用3D打印技术进行下颌骨重建具有精确性高、手术时间短、口腔功戗恢复良好及患者对术后外观满意度高等优点，已在临床得到广泛应用。在此类手术中应用3D打印技术已成为一种标准化治疗手段。

    1.5 3D打印与肿瘤

    3D打印技术常用于肿瘤的外科治疗中，医生根据术前CT、MRI等影像学资料打印出病变局部3D实体模型，使术者能全方位地了解病变局部的解剖关系，制定详尽的手术计划，并在术前模拟手术过程，提高手术成功率，缩短手术时间。射程补偿器是质子治疗很重要的组成部分，它能确保扩展Bragg峰后沿恰好落在靶区后方边界上，Ju等比较了3D打印机制造的补偿器（RC_3DP）和传统数控铣床制造的补偿器(RC_CMM)在质子治疗中的各种性能，发现这两种补偿器几何精度测试及格率分别为99.5%和92.5%，二者没有明显差异，在剂量特征和内部密度的均一性上两者差异亦没有显著性。他们认为RC_3DP的物理精确性和剂量特征与传统的RC_CMM相当，但前者有操作系统小型化的显著优势。随着生物活性打印技术的发展，若以细胞打印出更接近于人体组织的补偿器，相信RC_3DP的优势会更明显。

    以往恶性肿瘤的体外研究基本都局限于培养液中，与体内实际情况有较大差别，使得这些研究成果应用到临床中时有较大出入，而3D打印技术的出现使恶性肿瘤的体外研究更接近人体真实情况。Xu等利用高通量的自动化细胞打印系统以癌细胞和正常成纤维细胞为原料在Matrigel胶上打印出二者的3D共培养模型，这两种细胞以一定的细胞密度和细胞间距存在于这个模型中，在打印过程中它们保持细胞活性，并在接下来的过程中继续增殖。这个方法使已建立的宏观3D培养模型的微型化成为可能，并且使肿瘤细胞与基质细胞之间的相互作用机制的研究变得更为容易，也提供了一个高通量药物筛选的工具。Zhao等用3D打印技术构建了Hela细胞和明胶/藻酸盐/纤维素原水凝胶混合而成的体外卵巢癌模型，在打印程序中90%的细胞仍保持活性，比较2D和3D打印模型，2D打印的模型只形成单层细胞层，而3D打印的Hela细胞有更高的增殖率，并倾向于形成细胞团，并且Hela细胞显示出更高的MMP表达和更强的化疗抵抗。

    3D打印技术在肿瘤中的应用初现端倪，可以设想利用生物打印技术制造出与患者体内实际情况完全一致的肿瘤实体，包括肿瘤细胞的遗传学/表遗传学特征、生物学特性，在放射治疗前对该模型进行模拟照射，可以判断放疗计划是否最佳，以及该肿瘤对放疗的敏感性。

2 展望

    3D打印技术在临床各个方面的应用并非孤立的，它们之间相互联系、相互促进，它在某个学科中的发展也必将促进该技术在其他领域中的应用，如3D打印血管的研究，将促进器官移植、骨关节外科及整形外科的发展。3D打印技术要真正实现打印出完全适应人体的“仿生物”，其内部各种细胞成分在空间上的合理“混合”及分布、器官纤维支架、内部供血血管的生成都需要进一步研究。总之，我们相信在不远的未来，3D打印技术将会在临床中得到更多的应用，许多疾病的诊治水平会上升到一个新的台阶。