3D打印技術在醫藥衛生領域中的應用及研究進展

唐靚+楊亞冬+羅濤+張文元

[摘要] 3D打印技術實際上是一系列快速成形技術的統稱，學名為“增材制造”，其基于CT或MRI的醫學影像數字化圖像數據，通過計算機軟件系統進行三維重建。被譽為“第三次工業革命”的代表性技術，受到醫學、生命科學、物理學、化學、材料科學界的青睞。本文對3D打印技術在快速3D打印組織與器官模型、3D生物打印活體組織與器官、定制個性化假體內植物、3D打印控釋藥物支架、新藥測試、個性化藥物篩選等醫藥衛生領域中的研究及應用加以綜述。

[關鍵詞] 3D打印；器官模型；活體組織；個性化假體；控釋藥物；新藥測試；藥物篩選

[中圖分類號] TP39；R318.1 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673-9701（2016）28-0165-04

3D打印技術經過30年的發展，目前正受到媒體、大學、科研機構、政要高度重視及廣泛關注，被譽為“第三次工業革命”的代表性技術，也受到了醫學、生命科學、物理學、化學、材料科學界的青睞。3D打印技術實際上是一系列快速成形技術的統稱，學名為“增材制造”，其基于CT或MRI的醫學影像數字化圖像數據，通過計算機軟件系統進行三維重建。然后，在計算機控制下，按照計算機輔助設計（CAD）模型數據，以STL格式文件輸入計算機系統中，通過3D打印堆積成為一個三維立體結構。猶如數學上先微分、再積分的過程。在醫療領域常見的3D打印技術有三維印刷、光固化立體印刷、熔融沉積成型、選擇性激光燒結、立體平版印刷，以及3D繪圖/直寫/生物打印。目前，3D打印技術在醫藥衛生領域的研究及應用主要有以下幾個方面。

1 快速3D打印組織與器官模型

3D打印技術在醫學上的最直接應用就是打印各式各樣精確的器官或組織的3D模型。為提高手術成功率，應用3D打印1∶1的個性化實體器官模型和病變模型，能將器官或病變內部構造的細節逼真地、精確地、可視化地表現出來，進行術前模擬、評估、演練、手術規劃與導航，確定病灶部位與手術路徑，以確保手術成功。因此，這項技術在手術設計及操作演練等方面具有廣闊的應用前景和極高的應用價值，已在外科、新生兒科、口腔科等領域發揮了積極作用。而且還能提高學生的學習效果，Cohen等[1]基于臨床CT數據使用3D打印技術快速和廉價地制作顳骨模型，可以為教育培訓服務。Ernoult等[2]應用3D打印技術重建頜面外科，可用于術前模擬、手術指導、教育培訓等。

神經元有各種各樣的形狀和大小。為了理解這種神經元的多樣性， McDougal等[3]研究三維可視化跟蹤成千上萬的神經元；輪廓像由NeuroMorpho.Org和ModelDB免費在線存儲庫獲得。3D打印神經元模型，輪廓可以顯示在電腦屏幕上，用于統計分析性質不同的細胞類型，也可以用來模擬神經行為等。Kim等[4]使用三維打印模板體外制作膠原基大腦微脈管系統模型，不僅可用于血腦屏障在生理和病理的基本研究，也可應用于制藥研究。

2 3D生物打印活體組織與器官

3D生物打印是3D打印技術研究中新興的、快速擴張的、富有生命力的、最具有發展前景的技術領域，正在成為主流技術平臺，被認為是21世紀組織工程、生物制造的新范式。這些技術可能是我們下一步超越傳統基于支架的組織工程的障礙和局限，并可能提供工業化生產組織工程產品的潛力，特別是承載組織，如骨骼、軟骨、骨軟骨和牙齒組織工程[5]。通過增材制造與細胞打印的結合，可以直接打印出具有層次結構及功能性的人體組織與器官。增材制造生物打印機正被測試來制作復雜的多細胞矩陣，這種多細胞矩陣能夠生長成為功能性器官和替代組織供人類患者使用。這些設計的一個好處是利用患者自身的細胞來生產可植入的代替器官，患者不需要一輩子服用抗免疫藥物來防止移植排斥。它是目前全球研究的焦點，為獲得活體組織與器官帶來了希望，期待從根本上解決移植器官短缺及免疫排斥問題。

器官和組織3D打印技術指通過患者影像（即CT或MRI圖像）收集數字體積數據之后，數學建模創建一個數字3D圖像。在計算機的精確控制下，將適合的細胞、生長因子與凝膠材料混合在一起，進行層層堆積成形。3D生物打印技術最大優勢在于復雜外形與內部微細結構的一體化制造，可同時在明確的空間位置多噴頭打印各種細胞與材料，可以根據患者的個體化需要打印出各種器官和組織，在打印過程中盡量維護細胞生存能力，最后植入患者體內。最終目標是實現功能性人類器官和組織的開發，有效克服可移植器官的缺乏和終身免疫抑制所造成的危害。應用3D打印植入物拯救生命的手術，已經在患者中進行。然而，在3D打印技術在臨床醫學中的應用轉化之前幾個問題需要解決。這就是血管化、神經分布，經濟成本，以及生物材料的安全性與適印性等問題[6]。器官需要血管進行血液循環及營養物質傳輸，缺乏可灌注血管網絡，三維工程化組織中密集的細胞會很快形成一個壞死核心。但是血管長且細，網絡結構復雜，大大增加了打印難度，這也是3D打印的難點。Miller等[7]應用碳水化合物玻璃打印剛性三維絲網絡結構，將它們作為犧牲模板，制備出布滿內皮細胞的柱形網絡支架組織，可進行血液灌注和產生高壓脈動流。這個簡單的血管鑄造方法允許獨立控制的網絡幾何結構、內皮化和血管外的組織，它兼容多種細胞類型，合成的和天然的細胞外基質，以及交聯策略。Attalla等[8]利用微流體打印頭整合接種細胞的凝膠支架開發出即刻可灌注的血管網絡。這個微流體設計允許范圍廣泛的細胞、生長因子與ECM材料結合，可創建一個潛在的替代血管網絡。目前，利用3D生物打印技術已經打印出皮膚、骨組織、人造血管、心臟瓣膜等，均呈現出了很好的應用前景。Stanton等[9]應用三維生物打印設計毫微米生物雜合機器人運動性微型體系結構，制作了微型移動機器人。它能夠通過細胞收縮功能在不同液體中游泳，可在脆弱和限制性生物環境中執行其功能，有望用于如血管阻塞物的清除等。

3 定制個性化假體內植物

醫學治療的個性化是21世紀醫學發展方向之一，假體的缺乏是全球性的問題。影像學與數字化醫學的快速發展，使個性化假體的定制成為一個重要的發展方向。3D打印技術正快速地應用于個性化假體制造領域，有望緩解個性化假體的需求缺口。3D打印技術可根據確切體型匹配，定制個性化假體植入體，這項技術已被用于制造更好的鈦質骨植入物、義肢以及矯正設備。在骨外科中，由于骨病損狀態是隨機的，用于骨缺損修復的植入物也只能是個體化的，而術前對患者骨骼進行精確的在體三維測量非常困難。目前患者病損缺陷部位修復處理方法不夠健全，高度依賴外科醫生的技能、想象力，以及患者自身的再生潛力。3D打印技術為這些問題的解決提供了強有力的技術支持，可以直接將計算機中的三維設計轉化為各種空間結構，將各種材料制成植入物，使之完全匹配于原身體部位來提供個體化的替代假體，實現準確、自然的擬人化重建。這將徹底改變外科手術前假體的預制[10]。3D打印技術可定制復雜的個性化假體內植物，不僅可提高手術效果，還可節省經濟成本，最重要的是對于遠程和醫療資源有限的地方更加有利。這項技術在重建外傷性損傷、面部損傷，以及假肢的發展、生物和人工植入體的發展，將產生深遠而巨大的影響[11，12]。

現在功能性的生物打印還無法完全代替缺失的假體，不過非生物替代植入物可以長入現有的生物結構中，這已經是一種進步。3D打印技術可以克服傳統制作工藝的限制，不再需要中間繁復的工藝過程和裝備。它可用于顱面整形手術[13，14]、骨科[1，15]及牙科治療[16]等，也可用于仿生三維軟組織再生[17，18]。

4 3D打印控釋藥物支架

組織和器官需要適當的藥物、生長因子的存在與釋放，藥物輸送系統（DDS）決定支架藥物、生長因子到達細胞、組織、器官的治療效果。通過打印出支架中藥物特殊外形或復雜內部結構，實現藥物控釋，避免藥物過量釋放而引起的毒副作用，進而讓人體的藥物吸收更為合理[19]。Inzana等[20] 3D印刷負載雙抗生素（利福平、萬古霉素）的生物陶瓷遞送治療植入物相關的骨感染。Akkineni等[21] 3D繪圖技術打印負載牛血清白蛋白（BSA）和血管內皮生長因子（VEGF）的磷酸鈣骨水泥支架。Costa等[22]增材制造負載地塞米松的控釋支架以增強骨骼再生。Lee等[23]通過3D打印技術有效固定rhBMP-2促進工程化骨組織的成骨分化。Hung等[24]通過3D打印水性聚氨酯彈性納米顆粒，控釋 TGF-β3或小分子藥物Y27632，定制組織工程軟骨。系統性控制免疫抑制藥物環孢素A（CsA）往往會有許多副作用，因此，在同種異體或異種細胞移植后，有時候它不能以足夠的劑量使用，局部遞送是解決這個問題的有效方法。Song等[25]使用3D打印技術開發負載CsA 的3D藥物載體，進行局部和持續遞送CsA。開發的3D藥物載體可以作為一種有效的異基因細胞治療的免疫抑制藥物輸送系統。Gupta等[26] 3D打印可編程釋放膠囊，實現在時空上精確控制化學和生物分子梯度，指導細胞生長、遷移和分化。

5 新藥測試

目前的新藥研發耗資大、周期長、風險高，主要原因涉及動物實驗和人體試驗。目前新藥測試過程中，往往使用大量實驗動物，不僅成本高，而且難以準確地體現藥物對患者器官的治療作用和毒性反應。因此，應用人類組織來測試更有意義。利用3D打印具有活性的組織器官進行新藥藥效測試，不僅可以縮短新藥研發周期，節省研發費用，還能大大降低實驗動物數量及人體試驗帶來的危害。不同類型的3D打印的微小型活性組織器官正用來測試新的藥物和治療方案。3D打印的人造肝臟組織可以更確切地模擬人體對藥物的反應，從而幫助人們選擇更安全、更有效的藥物，這對于藥物研發、毒性測試都非常有價值。微型肝臟的研究已取得一定進展，美國Organovo打印了微型活體肝臟組織，擁有一些與真實肝臟一樣的功能，可生成白蛋白、細胞色素P450s，可提供預測肝組織毒性標記評估[27]。

6 個性化藥物篩選

體內存在的實體瘤是一個三維的細胞聚集體，而目前使用較多的體外腫瘤二維單層細胞培養的耐藥模型未能模擬出個體腫瘤細胞在體內所處的狀態[28]，其耐藥機制并不完全等同于體內實際的耐藥機制。3D打印構建的癌細胞三維結構能夠更好地反映體內腫瘤的生長和發育情況。

細胞3D打印技術能有效控制支架的微觀結構和理化性質，并可將細胞與材料同時操作，實現細胞和細胞外基質材料的特定空間排布，是一種更接近體內癌細胞病變特性的腫瘤模型。其對腫瘤學研究、癌癥個體化治療和抗癌藥物研發等均會產生重要的促進作用[29]。為體外構建高效準確的個體化治療藥物篩選模型提供了新的技術空間[30]。可用細胞3D打印技術構建更準確的藥物篩選模型，為構建準確、高效、高通量的藥物篩選模型提供了可能[31]。3D打印技術還可以制造“細胞芯片”，在設計好的芯片上打印細胞，細胞在芯片上生長，可以被電極檢測到，可借助細胞芯片檢測藥物的抗腫瘤活性和肝毒性[32，33]。

7 機遇與挑戰

3D打印技術雖然技術先進，發展迅速，但是3D打印技術尚處于起步階段，存在眾多瓶頸，面臨巨大挑戰。3D打印技術還有很多問題需要解決，目前，可用的3D打印材質非常有限，主要是一些金屬、陶瓷、石膏、樹脂、塑料等的應用。在生物支架材料方面，主要有生物材料的安全性與適印性等問題，類組織/器官的血管化、神經分布以及經濟成本問題。3D生物打印材料還要具有細胞相容性，生物墨水是目前最大的瓶頸。目前3D打印的精度、速度和效率還不夠高，適用范圍有限。另外，目前3D打印技術還存在一些門坎，如3D打印機設備昂貴、需要專業培訓、軟件設計及數據處理、需要多學科合作等問題阻礙了這項技術的廣泛應用。因此需要加強3D打印機設備的開發及普及，加強醫生和3D打印技術人員的合作，培養既精通醫學、材料學，又精通3D打印技術的人才。

不久的將來，隨著醫學、材料科學、制造學的整合，許多科學問題將被逐一突破與解決，3D打印技術將成為一種操作簡便、快捷、準確的診療手段，造福于人類。雖然目前3D打印技術還存在著許多問題與不足，但從長遠來看，3D打印技術在醫藥衛生領域具有廣闊的應用前景。就像半個世紀前的電腦，那時有誰能想到今天它對人類社會產生如此巨大而深遠的影響。

[參考文獻]

[1] Cohen J， Reyes SA. Creation of a 3D printed temporal bone model from clinical CT data[J]. Am J Otolaryngol，2015，36（5）：619-624.

[2] Ernoult C，Bouletreau P，Meyer C，et al. Reconstruction assisted by 3D printing in maxillofacial surgery[J]. Rev Stomatol Chir Maxillofac Chir Orale，2015，116（2）：95-102.

[3] McDougal RA，Shepherd GM. 3D-printer visualization of neuron models[J]. Front Neuroinform，2015，9：18.

[4] Kim JA，Kim HN，Im SK，et al. Collagen-based brain microvasculature model in vitro using three-dimensional printed template[J]. Biomicrofluidics，2015，9（2）：024115.

[5] Jeong CG，Atala A. 3D Printing and Biofabrication for Load Bearing Tissue Engineering[J]. Adv Exp Med Biol，2015， 881：3-14.

[6] Radenkovic D，Solouk A，Seifalian A. Personalized development of human organs using 3D printing technology[J]. Med Hypotheses，2016，87：30-33.

[7] Miller JS，Stevens KR，Yang MT，et al. Rapid casting of patterned vascular networks for perfusable engineered three-dimensional tissues[J]. Nature Materials，2012，11（9）：768-774.

[8] Attalla R，Ling C，Selvaganapathy P. Fabrication and characterization of gels with integrated channels using 3D printing with microfluidic nozzle for tissue engineering applications[J]. Biomed Microdevices，2016，18（1）：17.

[9] Stanton MM，Trichet-Paredes C，Sánchez S. Applications of three-dimensional（3D） printing for microswimmers and bio-hybrid robotics[J]. Lab Chip，2015，15（7）：1634-1637.

[10] Fahmy MD，Jazayeri HE，Razavi M，et al. Three-Dimensional Bioprinting Materials with Potential Application in Preprosthetic Surgery[J]. J Prosthodont，2016，25（4）：310-318.

[11] Ahmad B，AlAli，Michelle F，et al. Three-Dimensional Printing Surgical Applications[J]. Eplasty，2015，15：e37.

[12] Colasante C，Sanford Z，Garfein E，et al. Current Trends in 3D Printing，Bioprosthetics，and Tissue Engineering in Plastic and Reconstructive Surgery[J]. Current Surgery Reports，2016，4（3）：1-14.

[13] Choi JW，Kim N. Clinical application of three-dimensional printing technology in craniofacial plastic surgery[J].Arch Plast Surg，2015，42（3）：267-277.

[14] Obregon F，Vaquette C，Ivanovski S，et al. Three-Dimensional Bioprinting for Regenerative Dentistry and Craniofacial Tissue Engineering[J]. J Dent Res，2015，94（9 Suppl）：143S-152S.

[15] Komlev VS，Popov VK，Mironov AV，et al. 3D Printing of Octacalcium Phosphate Bone Substitutes[J]. Front Bioeng Biotechnol，2015，3：81.

[16] Jung JW，Lee JS，Cho DW. Computer-aided multiple-head 3D printing system for printing of heterogeneous organ/tissue constructs[J]. Sci Rep，2016，6：21685.

[17] Pati F，Ha DH，Jang J，et al. Biomimetic 3D tissue printing for soft tissue regeneration[J]. Biomaterials，2015，62：164-175.

[18] Merceron TK，Burt M，Seol YJ，et al. A 3D bioprinted complex structure for engineering the muscle-tendon unit[J]. Biofabrication，2015，7（3）：035003.

[19] Lee JW，Cho DW. 3D Printing technology over a drug delivery for tissue engineering[J]. Curr Pharm Des，2015， 21（12）：1606-1617.

[20] Inzana JA，Trombetta RP，Schwarz EM，et al. 3D printed bioceramics for dual antibiotic delivery to treat implant-associated bone infection[J]. Eur Cell Mater，2015，30：232-247.

[21] Akkineni AR，Luo Y，Schumacher M，et al. 3D plotting of growth factor loaded calcium phosphate cement scaffolds[J].Acta Biomater，2015，27：264-274.

[22] Costa PF，Puga AM，Diaz-Gomez L，et al. Additive manufacturing of scaffolds with dexamethasone controlled release for enhanced bone regeneration[J]. Int J Pharm，2015， 496（2）：541-550.

[23] Lee SJ，Lee D，Yoon TR，et al. Surface modification of 3D-printed porous scaffolds via mussel-inspired polydopamine and effective immobilization of rhBMP-2 to promote osteogenic differentiation for bone tissue engineering[J]. Acta Biomater，2016，40：182-191.

[24] Hung KC，Tseng CS，Dai LG，et al. Water-based polyurethane 3D printed scaffolds with controlled release function for customized cartilage tissue engineering[J].Biomaterials，2016，83：156-168.

[25] Song TH，Jang J，Choi YJ，et al. 3D-Printed Drug/Cell Carrier Enabling Effective Release of Cyclosporin A for Xenogeneic Cell-Based Therapy[J]. Cell Transplant，2015， 24（12）：2513-2525.

[26] Gupta MK，Meng F，Johnson BN，et al. 3D Printed Programmable Release Capsules[J]. Nano Lett，2015，15（8）：5321-5329.

[27] http：//www.organovo.com/tissue-services/exvive3d-human-tissue-models-services-research/exvive3d-liver-tissue-performance/.

[28] Walker J，Martin C，Callaghan R.Inhibition of P-glycoprotein function by XR9576 in a solid tumour model can restore anticancer drug efficacy[J]. Eur J Cancer，2004，40（4）：594-605.

[29] Ghaemmaghami AM，Hancock MJ，Harrington H，et al.Biomimetic tissue on a chip for drug discovery[J]. Drug Discovery Today，2012，17（3）：173-181.

[30] Pataky K，Brasschler T，Negro A，et al. Microdrop printing of hydrogel bioinks into 3D tissue-like geometries[J]. Advanced Materials，2012，24（3）：391-396.

[31] 石然，徐銘恩，周青青，等. 基于細胞3D打印技術的體外腫瘤模型構建研究[J]. 中國生物醫學工程學報，2015，34（5）：618-622.

[32] 胡金夫，徐銘恩，徐瑩，等. 基于細胞三維受控組裝技術的細胞芯片構建[J]. 中國生物醫學工程學報，2012， 31（3）：374-381.

[33] 趙占盈，徐銘恩，石然，等. 基于細胞3D打印技術的腫瘤藥物篩選細胞芯片研究[J]. 中國生物醫學工程學報，2014，33（2）：161-169.

（收稿日期：2016-05-26）