3D打印技術在腎臟醫學領域中的應用及展望

張珂 王倩 孫逸飛 李林倩 張海松 高燕

1河北大學附屬醫院醫學3D 影像打印中心，河北省普通外科數字醫學重點實驗室（河北保定071000）；2河北大學附屬醫院腎病內科二病區，河北省慢性腎臟病骨骼代謝生理學重點實驗室（河北保定071000）；3河北大學醫學院（河北保定071000）

3D 打印（three-dimensional printing，3DP）技術起源于1986年，20 世紀90年代擴展到建筑和制造業，近年來在航空航天［1］、實驗研究［2］、醫療［3］等領域的地位也越來越不可小覷。醫學3DP技術是將包括計算機斷層掃描（CT）［4］、磁共振成像（MR）［5］、甚至超聲［6］在內的醫學影像轉換為實體模型的過程，也被稱為增材制造（additive manufacturing，AM）或快速原型制造（rapid prototyping，RP）。它以逐層連續疊加的方式通過多種技術從立體平版印刷（stereolithography，STL）文件中制造成三維立體物體。3DP 可以根據技術類型、使用材料進行分類。技術類型分類包括立體光刻（stereolithography apparatus，SLA）、多噴印（multi-jet printing，MJP）、PolyJet 打印（PolyJet printing）、數字光處理（digital light processing，DLP）、選擇性激光燒結（selective laser sintering，SLS）、直接金屬激光燒結（direct metal laser sintering，DMLS）、彩色噴印（color-jet printing，CJP 或binderjet）、熔融沉積成型（fused deposition modeling，FDM）、分層實體制造（laminated object manufacturing，LOM）和電子束熔融（electron beam melting，EBM）。材料分類包括熱塑性高分子材料、金屬、陶瓷、光聚合物、紙、箔、塑料薄膜、生物材料等。3DP 在醫學領域應用可分為4 個方面。首先對于術前模型，只需直觀顯示病灶解剖結構及其與周圍毗鄰關系，對材料生物性能要求不高，一般采用SLA、FDM，例如肝癌3D模型［7］、腎臟腫瘤3D 模型［8］、骨折3D 模型［9-10］；個性化體內植入物不僅要求材料具有生物相容性，而且要求打印結構具有一定機械性能，通常采用SLS、DMLS，例如骨組織支架［11］、個性化椎體假體［12］；組織工程支架需要打印材料具有良好的生物相容性和生物降解性，可采用FDM 和3D 生物打印，例如血管支架［13］；而對于細胞結構或者類組織器官則要求支架與細胞同時打印，對操作環境要求較高，則采用3D 生物打印，例如軟骨組織樣結構［14］、組織單元［15］。本文就3DP 技術在腎臟醫學領域中的應用進行以下概述。

1 3DP 技術在臨床工作中的應用

隨著各學科不斷交叉融合，3DP 技術逐漸進入醫學領域，廣泛應用于臨床工作。3D 打印高保真模型應用于醫患溝通、術前規劃和模擬外科手術，對胸外科和心臟外科［16］、骨科［17-18］等專業具有高度的實用價值，同時廣泛應用于腎臟領域的臨床工作，但是3D 打印在多囊腎臟疾病的應用報道較少。

1.1 在臨床醫患溝通中的應用在傳統臨床工作中，一般運用CT、MRI 等二維影像資料與患者進行病情交流，對患者理解病情、疾病診治及手術風險、并發癥等存在很大局限性。在當今復雜的醫療環境中，若不進行有效醫患溝通易引發不必要的醫患糾紛。BERNHARD 等［19］打印7 例腎臟腫瘤模型，向患者告知病情及相關治療方案，患者對腎臟基本生理功能、解剖、腫瘤特征及術前計劃的認識均有提高，在術前計劃認識方面提高尤為顯著。SCHMIT 等［20］打印1 例腎臟腫瘤模型，向需行腎臟冷凍消融術的25 例患者進行術前病情交流，患者對自身疾病及手術認識無明顯改善，兩項研究結果中醫患溝通滿意度均明顯改善。若將腎臟模型制作成具有患者個體特異性、透明多彩的實體物體，清晰顯示腎臟內部血管解剖結構與腫瘤、實質的毗鄰關系，可能會明顯改善患者對自身疾病及其手術的認識（圖1-3）。BERNHARD 等研究應用具備個體特異性、透明多彩的腎臟模型進行醫患溝通，彌補SCHMIT 等研究的不足，有效改善患者對疾病及診治的認識，若模型重建過程中進一步精確分割腎臟血管及其分級，可進一步提高患者對手術方案及并發癥的理解，更進一步促進有效醫患溝通的進行，促進構建良好的醫療環境。3D打印多囊腎臟模型可提高患者對就診過程中的滿意度。

圖1 多囊腎臟CT 與MRI 圖像Fig.1 CT and MRI images of polycystic kidney

圖2 三維可視化多囊腎臟模型圖Fig.2 Three-dimensional visualized polycystic kidney model diagram

圖3 3D 打印多囊腎臟模型Fig.3 3D printed polycystic kidney model

1.2 在腎臟術前規劃和手術模擬中的應用在傳統的外科手術工作中，外科醫師一般依據患者的CT、MRI 等影像資料結合自身臨床經驗對患者進行術前評估及制定手術方案，因患者存在個體差異，且醫生經驗不同，評估可能出現偏差，在患者疾病診治過程中可能會出現誤差。面對復雜手術，外科醫師進行有效的術前計劃和手術模擬訓練可以有效提高手術操作的準確性、縮短手術所需時間、減少并發癥的發生。隨著3DP 技術不斷發展，醫學3DP 技術可制作出具有患者個體特異性、復雜內部結構、直觀立體的3D 模型，為外科醫師進行有效術前規劃和模擬手術提供了訓練工具。有研究［21］使用3D 打印透明腎臟實體腫瘤模型聯合三維重建進行有效術前規劃，正確評估殘余腎功能，成功切除病灶，最大程度的保存腎單位，改善患者預后。嬰兒內臟器官及血管解剖結構與成人間存在明顯差異，且可操作空間相對有限，在手術過程中可能損傷腹腔動靜脈血管主干，影響手術質量。若在三維重建過程中，利用3D 打印技術增加腹腔動靜脈主干血管，可能會減少手術過程中主干血管損傷發生率，降低手術并發癥的發生率。CHANDAK 等［22］利用打印出3D 硬質腎臟模型進行復雜的患兒腎移植術前規劃，患兒術后腎功能良好，但制作的3D 腎臟模型精確度高，但其可操作性差，不能進行手術模擬。GOLAB 等［23］3D 打印出腎臟和腫瘤的鑄造模具，制造出與人體腎臟物理性質相似的硅膠樹脂軟質模型進行手術模擬訓練，明顯縮短手術時間、改善手術質量。與CHANDAK 等制作模型相比，GOLAB 等制作的3D模型可操作性良好，可以進行術前規劃及手術模擬，但未能精確清晰顯示腎臟動靜脈血管與病灶毗鄰關系。CHANDAK 等與GOLAB 等研究中各有優點，也存在不足，互相彌補，制作出精確、透明、特異性、可操作性的腎臟模型，更加符合當前精準醫學的需求。清楚了解血管結構、腫瘤定位及病理結構是手術成功的關鍵。GLYBOCHKO 等［24］開發的3D 打印透明模型不僅清晰展示出集合系統、腎靜脈、動脈和腫瘤，而且模型的質地與真實腎臟類似。GLYBOCHKO 等的模型同時實現了腫瘤的病理解剖結構可視化、術前規劃以及手術模擬，指導手術，明顯改善手術質量。MACCHI 等［25］進行了3D 打印鑄型腎臟血管分段與真實血管鑄型比較研究，證實了解剖學家、放射學家、外科醫師對GRAVES 傳統腎臟血管分段［26］認同和質疑，肯定腎臟血管分段存在變異。這項研究證明了3D 打印模型能充分顯示患者個體化特性。針對胡桃夾綜合征的治療，張波等［27］首創了個性化3D打印鈦合金外支架腹腔鏡微創技術，給受壓的靜脈穿上“保護套”，在臨床上取得了相對滿意的治療效果。鈦合金具有一定生物組織相容性，但長期使用有發生磨損傷及血管的可能，自身重量偏大，長期懸吊于體內可能會產生移位可能發生一系列相關并發癥。若將新型具有耐磨損、自潤性、良好機械性能的生物材料3D 打印制作取代鈦合金支架，可減少并發癥的發生。

3D 打印模型應用臨床工作十分必要。它不僅可以有效改善醫患溝通的滿意度，而且能夠通過術前規劃及模擬手術提高操作準確性、縮短手術時間、降低并發癥的發生率。3D 打印模型不僅可有效地展示正常和個體特異性病理結構，同時通過特殊打印制作方法可使模型具備透明、彈性可切割、血流動力學等滿足特殊臨床工作需要的特性。這種模型未來很可能會成為一種獨特的工具應用于臨床工作。

2 3DP 技術在藥物研究中的應用

醫學3DP 技術雖然應用于藥物研發及腎毒性藥物篩選過程起步時間較短，但其技術優勢和應用潛力很可能會對這一領域的發展起到巨大的推動作用。3DP 技術在研發給藥系統方面廣泛應用［28］，例如控釋藥物［29］、緩釋藥物［30］等，其應用在于改變藥物釋放方式、劑型等，以求應用最小藥物劑量達到有效血藥濃度，減少藥物的全身毒副反應。環孢素（cyclosporin A，CsA）為免疫抑制劑的一種。SONG 等［31］成功打印出裝載CsA 多聚體微球凝膠并具有3D 打印抗壓框架的藥物載體，有效抑制動物體內免疫排異反應4 周。實現了局部、持續且有效的用藥目的，不僅能有效治療原發病，同時可減少藥物用量。該項研究目前僅限于動物實驗，并且打印過程中藥物輔料選擇受限制［32］，如何有效控制藥物釋放以及藥物釋放時間等一系列問題仍待進一步研究。腎小球相關疾病的發病機制與機體異常免疫反應密切相關。目前糖皮質激素及免疫抑制劑是主要的藥物治療，但是其副作用較多，因此減少藥物用量、減低血藥濃度顯得尤為重要。盡管將3D 打印裝載多聚體藥物應用于腎臟疾病治療仍有許多問題需要解決，但3D 打印技術有望在腎臟藥物研發方向帶來一次藥物應用的革命。

藥物研發需要耗費大量資金［33］、時間，通常在臨床試驗第三階段［34］發現候選藥物的腎毒性。由于藥物的暴露以及藥物的主動轉運和代謝，腎臟易受藥物毒性的影響，嚴重情況下可能發生急性腎損傷和慢性腎臟病，最終發展為慢性腎功能衰竭［35］。因此，臨床試驗階段及時準確識別腎毒性藥物，不僅可以節省大量的研發時間和成本，更重要的是保護臨床用藥患者的腎功能。陳朝紅等［36］利用3D 打印出兼容微孔板和平皿的斑馬魚定向工具，高通量定位觀察斑馬魚水腫率和蛋白尿表型，有效判斷腎毒性藥物對斑馬魚腎小球濾過率的損傷程度，快速有效地進行腎毒性藥物篩選。傳統斑馬魚定向工具的制作，耗時長、成本高、需要使用專用設備；而3D 打印模具具備高通量篩查的優勢，同時開發和制作成本低廉，生產周期快，適于實驗室應用。本研究是3DP 技術促進科研技術發展的典型示范。

傳統腎臟芯片［37］是在體外通過具有單層腎近端小管上皮細胞微流控體系的二維模型研究藥物對腎臟細胞功能影響的一項技術。這項技術只能研究藥物對腎臟近端小管細胞的影響，其研究體系缺乏正常腎臟組織三維結構的生理學特點，不能全面反映人體的生理微環境，對于藥物篩選、毒性試驗等研究結果缺乏客觀性［38-39］。早期三維體外灌注模型［40］需要高度專業化的制造技術，限制了其常規應用。腎臟細胞芯片技術與亞毫米級3DP 技術相結合，在三維空間上擴展了腎功能芯片系統的結構，使其與正常人體生理腎臟功能更加接近，更加有利于準確及時發現腎臟損害藥物。HOMAN 等［41］通過3D 生物打印、3D 細胞培養聯合器官芯片制作技術，再現近似人體近端腎小管細胞的體內表型和功能的微環境。將這類應用3D 技術制作的腎臟芯片應用于藥物臨床前試驗階段，可提高腎臟損害藥物篩選率和預測能力，并減少動物實驗，有效的降低新藥和更安全藥物開發的成本，極大地促進新藥物開發。目前該項研究僅限于芯片技術，但已經為腎臟組織結構的生物3DP 開辟了一條新的途徑。

3 3D生物打印技術在腎臟組織再生中的應用

隨著打印材料的不斷創新，生物相容性材料、細胞和支持成分與3DP 技術有機結合，產生的一項新興技術，稱為3D 生物打印技術［42-43］。它是將充滿細胞的生物墨水從數字模型加工成組織結構和器官的過程，包括仿生、自主自組裝和微型組織構建塊，利用生物材料、生物化學物質和活細胞的逐層精確定位，空間控制，制造出具有高度復雜的組織微環境、組織結構、細胞功能、組織特異性成分以及機械異質性的多細胞組織。該技術具有自動化、精度高、幾何自由和可控制性、廣泛材料印刷適應性、重現性和可重復性等優點，將在疾病建模［44］、器官芯片［45］、藥物發現和測試［46］、高通量篩選［47］和再生醫學［48］等領域有廣泛應用前景。

3D 生物打印技術在功能組織構建中有著廣泛的應用，包括多層皮膚［49］、骨［50］、血管移植物［51］、氣管［52］、心肌組織［53］和軟骨結構［54］等，可以替代損傷或病變組織，以滿足對適合移植組織和器官的需求。器官移植是目前治療終末期腎衰竭（end stage renal disease，ESRD）的最佳治療方案，但現有腎臟供應數量遠遠不能滿足日益增長的ESRD 人群需求。Organovo 公司利用3D 生物打印技術制作出世界上第一個全細胞腎組織。KING 等［56］利用3D 生物打印技術制作出三維近端小管組織的體外模型，為腎臟再生以及腎臟器官移植開辟了曙光。腎臟器官的3D 生物打印是一項旨在研發打印出具有腎臟功能器官的新技術［57］，隨著3D 打印技術的發展，該項新興技術與特定生物材料、組織再生工程等有機結合，有望打印出具有正常生理功能的腎臟器官，改善目前腎臟器官供不應求的現狀，改善生活質量。

4 展望及其局限性

目前，利用3D 打印出全彩、透明、立體、直觀的腎臟實體模型應用于臨床工作，有效提高工作效率，改善醫患溝通，但是現有的研究結果表明，打印的腎臟模型仍欠缺生理腎臟器官的質感以及血流動力學特性，不能有效傳達人體器官真實感。文獻中報道了載有免疫抑制劑的3D 打印藥物載體有可能實現靶向、局部、持續穩定釋放藥物治療腎臟疾病，減少藥物的全身毒副反應，但在藥物載體靶向性及釋放可控性等方面仍存在許多問題有待解決。利用3D 生物打印技術制作出具有類似或者正常的生物功能腎臟，可以彌補腎臟移植領域中腎臟器官數量的不足，減少異體腎臟移植的相關并發癥，給予終末期腎臟病患者重生的希望，減輕患者家庭及醫療費用，是一項非常具有發展潛力的研究領域。但是由于腎臟復雜的結構和細胞外基質網絡，利用3D 打印生理腎臟器官的研究具有很大的挑戰性，涉及組織工程、生物材料學、細胞生物學、物理學和醫學、計算機等多個研究學科領域，未來這些技術的交叉融合，必將會推動醫學發生前所未有的革新。