生物3D打印技術在醫療領域的應用

生物3D打印技術在醫療領域的應用

生物3D打印是3D打印技術中獨特的一個分支，其快速性、準確性及擅長制作復雜形狀實體的特性使它在醫學領域有著廣泛的應用前景。

3D打印技術及其相關產業發展得如火如荼，甚至影響到了全球制造業的產業布局和發展。與此同時，我國的3D打印業也開始進入了高度活躍的時期。

生物3D打印是3D打印技術中獨特的一個分支，是由3D打印技術與醫學、生物材料、計算機技術相結合的新技術，可以針對患者特定的解剖結構、生理功能和治療需求，制造人工植入物、組織器官和醫療器械等生物醫學產品。生物3D打印技術所具有的快速性、準確性及擅長制作復雜形狀實體的特性使它在醫學領域有著廣泛的應用前景。下面簡要介紹一下目前生物3D打印技術在醫學領域的幾種應用形式：

一、基于生物3D打印的人工組織器官制造

人工組織器官的3D打印包括對組織器官解剖結構的重建和優化設計、細胞3D打印技術、打印組織器官的培養和功能誘導。其中是細胞3D打印技術是目前研究的核心。

建立在離散制造和組織工程理論上的細胞3D打印，是在組織器官解剖學數字模型驅動下，定位裝配活細胞單元，制造組織或器官前體的新技術。細胞3D打印是目前快速制造領域研究的最前沿之一，是目前制造人工器官最被看好的技術，已經在生命科學基礎研究、臨床醫學和藥物開發領域顯示巨大的應用價值。

圖1 3D打印的耳軟骨支架

二、基于生物3D打印技術的藥物開發

在藥物研發領域，高通量藥物篩選技術（HTS）由于脫離體內的真實系統環境，成功率很低，業界迫切需要建立更仿真機體的3D組織模型來實現高內涵篩選（HCS）。細胞3D打印技術為解決這一問題提供了新的理論和技術。筆者的研究團隊利用細胞3D打印技術，將脂肪干細胞、內皮和胰島細胞在3D空間內精確組合，形成模擬體內代謝調控結構的模型，顯示能高度仿真能量代謝調控和進行高內涵藥物篩選。

這一研究顯示和證明了細胞3D打印技術在機制研究和藥物開發領域巨大的應用價值，特別是和其他技術結合則其作用將進一步放大，如果構建具有功能性組織結構和體內更相似的3D系統，那么將進一步推動藥物篩選技術的發展。

三、基于生物3D打印的個性化醫療制造

生物3D打印技術同時也可應用于制造個性化的醫療器械制造領域，根據患者實際情況定制個性化的醫療器械，以滿足診斷和治療的需求。

圖2 基于生物3D打印的代謝綜合癥藥物篩選

病人的體型和疾病情況各不相同，目前標準形制的支架、手術導板、假體、鋼板等植入或非植入性醫療器械只能契合標準型患者臨床需求，其余患者則達不到最佳治療效果。所以對患者需求的組織修復體及手術器械等進行個性化設計和加工就顯得非常重要。

傳統的制造方式很難保證低成本獲取與病人完全相符的生物醫學用品。醫學信息技術和生物三維打印技術結合可以圍繞患者，短時間、低成本定制個性化醫療器械，達到最佳治療效果。

生物3D打印技術在個性化手術器械、基于器官模型的術前模擬、術中種植與切割導板等中可以廣泛的應用，也能夠制作各類對形狀和功能有個性化需求的植入物，從而實現了診斷手術治療流程的數字化、個性化、網絡化，這是對傳統生物醫用零件產品產業鏈的根本性改變。