3D生物打印技术，让组织再生不再遥远
发布时间：2020-04-10 14:06:15 作者：山东银丰生命科学研究院
3D 打印技术又称快速成型技术或者快速原型技术，是一种以三维数字模型为基础，并采用逐层制造方式，将材料堆积起来的新型增材制造技术。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。
目前，3D 打印技术在医学领域的应用已从打印无生命的医疗器械向打印具有生物活性的人工组织、器官、细胞等方向发展。研究机构预计2020年之后3D生物打印将进入快速发展期，并逐步成为世界经济的主导产业，发展前景在全球范围内都普遍被看好。近日，福布斯网站生物技术产业记者Luke Timmerman发文指出，未来生物医疗技术将是驱动整个产业发展的核心关键所在，而生物医疗3D打印技术将会率先带领产业破局升级，成为重中之重。目前美国、欧洲、日本、印度、新加坡、中国等国家和地区都在积极布局生物医疗3D打印领域。
人类每年均需要面临大量的肌肉骨骼、心血管和结缔组织损伤，利用生物组织工程研究和开发、修复和改善损伤组织和功能，标志着医学将走出器官移植的范畴，步入制造组织和器官的新时代。组织和器官的形成和再生最主要的研究基础是支架材料。
3D打印器官
3D 打印技术应用到支架材料的构建，摆脱了传统构建组织工程支架的方法在精确仿生性能等方面的限制，通过精确控制细胞和生物材料的组成、空间分布和构建精度实现对目标组织和器官的精细形状、结构甚至个性化再现，为再生材料提供了前所未有的多功能性。3D 生物打印在生物组织工程领域存在以下优势：
3D打印人耳
3D 打印技术在医学领域中的应用现状
3D 打印技术最初主要用于快速制造 3D 医疗模型，助力医患沟通、判断病情及手术规划。随着人们对精准化、个性化医疗需求的逐渐增长，以及技术的不断革新，3D 打印技术在医疗行业的深度和广度应用方面都得到显著发展，目前已广泛应用于口腔医学、脊柱外科、头颈外科、神经外科、心脏外科及其他学科。骨科手术中，3D 打印能准确还原术前个体化导板模型设计，满足手术的个体化需求，降低手术难度，减少手术时间，对骨科复杂手术的发展具有重大的指导意义。在心血管领域，3D 打印技术涉及心血管研究和应用的各个方面，如组织工程心肌、心脏瓣膜、大血管的构建等。对于一些复杂病例，单纯的 2D 图像不能够准确定位部分重要血管的空间位置，从而增加手术的风险，而 3D 打印技术可以快速制造出与术中大小和位置完全一致的模型，能协助准确定位病灶与重要脉管结构的关系。3D 打印技术可以帮助医师了解患者异常心脏和血管的解剖特点，如大动脉转位、心室中隔缺损、肺动脉瓣狭窄、右心室双出口，从而规划和调整手术计划。 3D 打印技术借助数字化技术，制作出骨骼的模型，可以实现外在轮廓与内部结构的高度匹配，有助于恢复患者生物力学结构，满足骨科患者个体化的需求。3D 打印技术改变目前临床上医疗器械应用中“削足适履”的现状，使医疗器械的应用走向“量体裁衣”的阶段。韩国农业发展管理局（RDA）宣布其与翰林大学联合研制了一台以蚕丝蛋白为材料的新型3D打印系统，主要用作医疗设备。蚕丝是一种含75%蚕丝蛋白的蛋白纤维，蛋白质因良好的生物相容性通常被用于制造医疗设备，认识到这种材料的好处，以及3D打印技术在精确形状成型方面日益增长的潜力，RDA和翰林大学的研究人员决定用蚕丝3D打印骨科植入物，例如：钢板、螺钉、夹等。来自西北大学（位于美国伊利诺州的埃文斯顿市）的研究者发明出超弹性骨头。这种“超弹性骨头”可以被植入到皮下作为骨头生长的支架，或是取代失去的骨头。这种骨头含3种成分：氢氧磷灰石、具生物相容性的聚己内酯和溶剂。它极易切割、折叠、翻卷，它还能在不需要胶水或胶布的情况下被按压到骨头材料缺失的位置。另外，它还具备了高度多孔性和吸附性，这些对于让骨移植材料促进血管生长非常重要。荷兰Maastricht大学Moroni实验室（欧洲最大的生物制造中心之一）近日研发出一种独特的3D打印支架，从而为干细胞定向分化成为骨骼细胞创造了有利条件。项目研究人员表示，他们希望通过3D打印支架来控制细胞的“命运”，并建立包括皮肤细胞、骨细胞等细胞结构的完整数据库。“第一代产品中的细胞是悬浮在水凝胶、或着被植入3D多孔基质当中的，但是这些再生组织会在手术几年后导致退化，因此还需要再次进行手术。”近日，来自美国西北大学的两位科学家Guillermo Ameer和孙成共同合作，使用3D打印技术开发出了能够根据患者身体情况进行定制的可生物降解弹性支架。这种技术被称为一种被称为微连续液相界面制造（microCLIP）。“当下绝大多数的支架都是用金属支撑的，只有现成的几种尺寸可供选择。如果支架不合适的话，就有可能会在动脉中移动，干扰血液流动，这有可能最终导致植入失败。通过3D打印具有能够满足患者血管对于精确几何形状和生物特性的要求的支架，我们预计可以最大限度地减少这些并发症的概率。”哈佛大学Hansrg Wyss生物工程教授Jennifer A. Lewis领导的一个研究团队3D打印出了一个管状的3D肾结构，据称该结构能够再现肾的功能。通过与罗氏制药公司的科学家Annie Moisan的密切合作，他们在之前的基础上构建出了一个功能性的3D肾结构，这个结构包含活的人类上皮细胞，该细胞组成了肾小管表面。目前这项研究已经在线发表在了《Scientific Reports》杂志上。团队创建的3D肾结构模拟的是近端小管，是肾小管中最长最粗的一段，是每个肾单位的重要组成部分。3D生物打印
目前，山东银丰生命科学研究院基于前期已开发具有较好的生物相容性的同种异体组织工程修复材料，制定了3D生物打印路线图，致力于新型生物打印“墨水”，利用3D生物打印技术，实现生物支架的快速、精细化和定制化成型，为因手术、各种疾病和意外造成的组织缺失、损伤提供更加精准的个性化修复材料。在糖尿病足及各种软组织的填充和再生修复等作为生物支架具有良好的应用前景。同时，3D打印的新型材料也可作为植入性生物支架应用于局部填充、隆鼻等医美行业，与传统的硅胶类材料相比，具有更好的生物相容性，不容易产生排异反应，还有引导内源性细胞增殖起到持续维持等作用。
组织工程研究和新修复材料的开发，结合3D生物打印等新型技术，是对外科领域中组织、器官缺损和功能障碍传统治疗方法和模式的一次巨大补充，具有巨大科学价值及广阔的研究和应用前景，加快我国医学科学事业和国民经济的发展具有重大意义，必将产生巨大的社会和经济效益。3D生物打印路线图
