人體器官3-D打印研究進展

人體器官3-D打印研究進展

徐惟1高志華丁曉慧叢敬解輝周慧

(沈陽醫學院，遼寧沈陽110034)

關鍵詞〔〕3-D打印；人體器官

中圖分類號〔〕R318〔文獻標識碼〕A〔

基金項目：沈陽醫學院科技

通訊作者：周慧(1982-)，女，講師，博士，主要從事生物工程研究。

1沈陽軍區總醫院

第一作者：徐惟(1982-)，男，主治醫師，碩士，主要從事胸外科研究。

人體器官3-D打印是指利用影像學〔CT磁共振成像(MRI)〕知識以及計算機輔助技術虛擬構建出所需物體的空間結構，然后使用相關材料，分層打印出實體的一種組織工程學技術。該項技術的特點有高精度、速度快、按需打印等。 但是在力學、生物學等方面有一定的不足。本文通過檢索近年國內外3-D打印技術在人體器官打印領域中應用的相關文獻，并進行綜合分析。

13-D打印技術及其原理

3-D打印技術又稱“添加制造”技術。 2009年美國材料與試驗協會(ASTM)成立的3-D打印技術委員會F42 對此項技術定義為：一種與傳統的材料去除加工方法相反，基于三維數字模型，通常采用逐層制造方式將材料結合起來的工藝。由于其技術原理參考了目前商用打印機，故稱其為“打印機”。

23-D打印技術與人體器官3-D打印的關系

中國每年因末期器官衰竭而需要器官移植的人大約有150萬，但實際只有不到1萬的器官可以使用，供求比例達到1∶150〔1〕。且這些患者的數量每年正在以超過10%的增量增長。而人體器官3-D打印技術的發展可能會為這些患者提供一線希望。近年來,3-D打印技術已被應用到組織工程學中，希望利用3-D打印技術實現體外組織、器官的復制〔2〕。如果3-D打印技術和克隆技術相結合則有希望解決免疫排斥反應〔3〕。Miornov等〔4〕提出的器官打印為以上希望的現實帶來了一個可能的方案，細胞具有融合趨勢是其生物學理論基礎，而細胞本身的復制行為以及細胞與細胞、細胞外基質間的相互作用即是天然存在的自組裝過程〔5〕。

3實現人體器官3-D打印的步驟

3.1前期處理階段首先利用影像學技術獲取所需打印器官的資料。 CT 、MRI 是該步驟數據獲取的主要來源。高分辨率是其主要特點，此外，MRI 圖像在區別不同種類的軟組織以及對密度相似物體的區分效果極佳。而最近研究的 MCT(Micro CT,LCT ) 技術已能觀察到組織的微觀結構。 最后根據實際需要調整部分參數，從而得到最佳數據。

3.2器官打印階段運用計算機等設備將上述步驟得到的數據，構建成產品模型，并自動把產品按一定方式進行虛擬“分割”，同時將數據傳輸到3-D打印機，打印機就會進行打印。打印過程中的關鍵在于打印機的噴嘴，噴嘴的打印力度必須適當，從而保護細胞和組織的生命力。由Bolnad等〔6〕設計研究，將細胞或細胞聚集體及可生物降解并處于溶膠狀態的熱敏凝膠，分別置于打印機的各個噴嘴中,用計算機控制各類細胞或細胞聚集體，細胞與凝膠間的比例及噴嘴的噴射位置和力度，逐層進行打印。熱敏凝膠經噴出后即由溶膠狀態變成凝膠狀態，這一狀態的改變，不僅可以為細胞培養提供框架,還類似于普通打印中的紙張，在打印過程中作為基底成分。

3.3后續處理階段將上述過程得到的器官置于適當的環境培養成熟〔7〕。整個過程都嚴格要求無菌操作，通過加入有助于細胞生長的生長因子、氧氣，增強培養條件等方法使其成熟，最終得到所需器官。

4人體器官3-D打印技術的臨床應用

德國的Gunter Tovar博士已經成功的利用人體器官3-D打印技術制造出人工血管，其生物學特點與人體自身血管極其相似。瑞士Christian Weinand 領導的研究小組順利的復制了他自己的拇指骨〔8〕，取得了很大的進步。北京大學的薛世華等〔8〕成功完成了人牙髓細胞共混物的三維生物打印。Petzold 等〔9〕在小兒顱縫早閉及顱頜面畸形患者的術前手術計劃中也應用了該技術，后期觀察臨床效果良好。此外，該技術在心臟外科以及神經外科等領域也被成功應用。Brown 等〔10〕將該技術應用于117例復雜手術者，術后隨訪觀察效果極佳。比利時 Hasselt 大學 BIOMED研究所成功的為1例83歲患者實施人工下頜骨置換術，術后第1天患者便恢復部分說話、吞咽功能〔11〕。王臻等〔12〕為1例14歲右股骨下段骨肉瘤術后復發患兒施行保肢手術，手術圓滿完成。He等〔13〕利用該技術制備了半膝關節和人工骨模具，術后隨訪表明該復合半膝關節假體與周圍組織、骨骼匹配良好，并且具有足夠的機械強度，效果極佳。Faulkner-Jones等〔14〕已經利用該技術打印出人造肝組織。

5人體器官3-D打印技術的優勢

(1)高精度。(2)可同時打印細胞和支架材料。(3)高效率。(4)可實現按需打印。(5) 從根本上解決免疫排斥反應。(6)所需生產成本低。(7)有助于醫生準確了解組織的細微結構及病變與周圍結構的關系，研究手術方案〔15〕。

6人體器官3-D打印技術中的難題

(1) 細胞過于脆弱，容易死亡。(2)3-D 數據的獲取不準確。(3) 支架材料的可降解性及降解時間，孔徑大小等都對其打印結果有影響〔15〕。(4)花費材料多。(5)所需材料價格極高。

7前景展望

人體器官3-D打印技術能在體外實現所需組織器官的復制。由于打印過程中所用細胞來自患者自身，故能最大的減少免疫排斥反應。同時可實現高精度，高效率，按需打印等。具有廣泛的使用價值。對等待器官移植以及因嚴重車禍等需要器官移植的患者來說，人體器官3-D打印技術的發展無疑是開辟了一條新的道路。在臨床及科研等方面具有深遠的發展前景。同時，由于該技術正處于初步發展階段，在力學、生物學等方面有一定的不足。在支架材料的選擇及性能等方面面臨著一些難題。需要廣大人才的積極參與和研究。面對人體器官3-D打印技術的發展趨勢和存在問題，必須致力于研究核心技術，廣泛參考國內外優秀資源，予以結合，早日實現人體器官3-D打印技術在臨床的應用。

8參考文獻

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10Brown GA,Firoozabakhsh K,De Coster TA,etal.Rapid prototyping:the future of trauma surgery〔J〕.J Bone Joint Surg Am,2003;85(14):49-55.

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12王臻,騰勇,李滌塵,等.基于快速成型的個體化人工半膝關節的研制——計算機輔助設計與制造〔J〕.中國修復重建外科雜志,2004;18(5):347-51.

13He J,Li D,Lu B,etal.Custom fabrication of a composite hemi-knee joint based on rapid prototyping〔J〕.Rapid Prototyp J,2006;12(4):198-205.

14Faulkner-Jones A,Greenhough S,King JA,etal.Development of a valve-based cell printer for the formation of human embryonic stem cell spheroid aggregates〔J〕.Biofabrication,2013;5(1):015013.

15王成燾.硬組織外科臨床數字技術系統研究〔J〕.中國骨科臨床與基礎研究雜志,2010;2(2):87-91.

〔2014-11-25修回〕

(編輯袁左鳴/滕欣航)