打印生命——3D生物打印的发展现状和趋势综述

打印生命

——3D生物打印的发展现状和趋势综述

摘要：近年来3D打印技术快速发展，其应用所涉领域越来越多。文章调查了3D打印技术在生物医学领域的应用现状和趋势，分别从医学模型快速建造、组织器官代替品制作、脸部修饰与美容、制备生物医用高分子材料四个方面进行阐述，并就可能产生的问题进行思考。

关键字：3D生物打印，医学模型，器官代替品，脸部修饰，生物医用高分子材料

Abstract：three-dimensionalprinting (3DP) technique develops rapidly in recent years, which is applied in more and more fields. The paper investigates that 3DPtechnique status is presented in the biomedicine field, which is represented from four aspects including constructing medical models quickly, making loaner for organs，facial embellishment and beautify the features，high polymer material for medicine. Moreover, problems which can cause are thought.

Key：three-dimensional biological printing technique，medical models，loader for organs，facial embellishment，high polymer material for medicine

引言

来设想一个糟糕的情景，因为遭遇严重的车祸，很多受害者不得不面临着下肢截肢手术，难道就此永远坐在轮椅上？再也无法站立起来？不必沮丧，现在只需要几个小时，就可以根据你的需要，量身定做一套专属于你的植入器官。这或许在20 年前根本不能想象，如今却有可能通过3D生物打印机来实现[3]。当然所用材料不是墨水，而是‘生物墨水’，即细胞。2013年4 月，英国格拉斯哥大学宣布成功用3D 打印机合成药品；6 月，美国华盛顿儿科医学中心利用3D 打印技术，打印出全球第一颗像正常人一样跳动的心脏……接连不断的消息让人们相信：3D 打印在生物医疗领域将发挥神奇的作用[1]。那么，神奇的生物3D打印技术究竟是什么呢？生物3D 打印是以计算机三维模型为基础，通过软件分层离散和数控成型的方法，定位装配生物材料或活细胞，制造人工植入支架、组织器官和医疗辅具等生物医学产品的3D打印技术[2]。以3D打印为代表的生物打印技术正在悄然改变着人类的世界，特别是在医疗领域的应用，不仅给医生带来了新的思路，也给患者带来了希望[3]。本文就目前迅速发展的生物打印在不同方面的国内外现状和前进趋势进行了阐述，旨在帮助相关领域学者更好地了解3D生物打印现状与趋势，促进我国在生物打印领域把握机遇、抢占先机，引领世界发展！

正文

3D生物打印的发展现状

医学模型快速建造

医学道具、模型、用品等材料可通过3D打印获得。利用3D打印技术，可将计算机影像数据信息形成实体结构，用于医学教学和手术模拟。传统医学教学模型制作方法时间长，且搬运过程容易损坏，使用3D打印技术，可有效减少制作时间，根据需要随时制作，并降低搬运损坏的风险。2013年6月，美国国家儿童医学中心儿科心脏病学家劳拉·奥利弗里通过使用CT 扫描患者心脏图像，利用一部价格约25 万美元的3D 打印机，成功打印制作出人体真实复制患者疾病的心脏模型，打印出的模型能用于复杂手术术前研究，使手术操作人员更好地掌握患者心脏结构，以此减少手术风险。美国某医院在所实施的头颅分离手术前，先使用3D打印机造出了婴儿连体头颅模型，并对手术方案进行充分的研究分析。他们将往常同类型手术72小时耗时缩短到了22小时。目前，3D打印医学模型已获得较好的技术支持，具备一定的打印速度，能使用多种材质进行打印，应用程度高，有着很好的应用前景[4]。

组织器官代替品制作

人体组织器官代替物的材料要求很高，实现难度大。但目前已有一些成功案例，比如复制人体骨骼，制作义肢等。比如，人体某块骨骼缺失或损坏需要置换，首先可扫描对称的骨骼，形成计算机图形并做对称变换，再打印制作出相应骨骼。与传统方法相比，该技术不需要先制作模具，可直接打印，建造速度较快。这项技术可应用于牙种植、骨骼移植等。在制造过程中，研究人员扫描患者骨骼需求位置情况，并设计出骨骼部件的模型，在机器作用下，材料就以层叠方式累积起来，经过固定成形，制成一个人造骨骼实物。一位比利时的83岁骨髓炎患者接受了下颌骨移植，所用的人造骨骼是一个3D打印成品，而打印出的的下颌骨未对患者的语言和表达造成影响[1]。身体软组织器官制作亦取得进展，报道显示，美国某大学已利用该技术制作出人造耳。与此同时，微型人体肝脏也已被成功制造。美国加利福尼亚州的全球生物打印领域先驱Organovo 公司在实验室培育可移植肝脏过程中,取得一项重大突破"他们利用装有细胞的3D打印机打印出迷你肝脏,深0.5毫米, 宽4毫米,拥有很多与真实肝脏一样的功能,包括产生负责将激素、盐和药物运送到身体各处的蛋白质"[4]。德国研究人员利用3D打印机等相关技术，制作出柔韧的人造血管，并能使血管与人体融合，并同时解决了血管免遭人体排斥的问题。该技术不断进步和应用的深入将有助于解决当前和今后人造器官短缺所面临的困难。另外,Organovo 公司已开始尝试利用患者自身细胞“打印”静脉，每个血管大约需要一小时形成，这些血管需要数天时间熔合在一起。打印出来的血管将会在动物身上进行试验，进而尝试临床试验。因为在我们体内几乎任何地方都密布血管，所以，从血管开始作为生物打印的切入点具有重要的实际意义。虽然目前还处于早期测试阶段，但科研人员有信心利用这项技术在5年内制作出心脏搭桥手术中所需的动脉和静脉血管[3]。美国北卡罗来纳州温斯顿-塞勒姆市维克森林大学科学家已用一台3D 打印机制造出一个肾脏原型。他们使用了加入细胞混合物的凝胶一样的可生物降解脚手架，逐层构建肾脏[5]。2013年5月底，全球首例3D 打印器官人体移植手术取得成功。密歇

根大学公共医疗中心通过3D 打印技术，制造了一段人工气管，移植入一位只有六周的美国婴儿体内。这名植入3D 打印器官的男婴患有先天性的气管发育缺陷。由于气管受到压迫，逐渐出现呼吸困难，等待他的很可能是缺氧死亡。为了挽救他的生命，该所大学的生物医学工程师大卫·措普夫，通过计算机设计了一条适合这个男婴的气管支架模型，随后将具有热塑性的生物可吸收材料作为墨水，最后打印出一百条细小管道，通过电脑激光技术，堆砌出一层层不同形状和体积的塑料薄层，从而制造出一段人工气管[10]。民革党员、杭州电子科技大学的徐铭恩教授带领的团队研发出了国内首款生物3D 打印机。据了解，目前国际上已有的生物3D打印机只有3 款，但打印出的细胞存活率非常低，且都不是在无菌的条件下进行打印。而徐铭恩团队制作出的这款生物3D 打印机是全球首个采用无菌条件打印的生物打印机，其打印出的细胞存活率在90%以上，被国际顶级期刊《Biomaterials》称之为生物3D 打印领域的全球最高水平[2]。从 2009 年开始，北医三院骨科就开展3D 打印骨骼技术的动物实验研究。如今该项技术已经通过动物实验，并于今年被正式批准进入临床观察阶段。截至目前，已经有近40 位患者在签署知情同意之后，植入了3D 打印机制造的钛合金骨骼，并接受定期追踪检查[5]。清华大学孙伟团队在国内率先实现的单个细胞生物3D 打印，通过细胞组装，模仿天然组织和器官的结构。这样的活细胞3D 打印，需要将打印喷头控制在纳米（十亿分之一米）级，通过细胞直接装配组织器官，或是在计算机控制下将干细胞等与基质材料、生长因子等一起构成微滴单元，装配成三维结构后，在实验室最终培养成所需的皮肤、心脏瓣膜等组织和器官。目前，这个团队已经成功制成兔桡骨、人工耳朵等产品。活性大段人工骨的3D 打印技术，已经开始申报临床实验批号。另外，3D生物打印在牙齿治疗中也逐渐被运用[4]。目前，北大口腔医院主任医师唐志辉等已经开始动物实验，用生物3D 打印技术完成补种牙等口腔修复。对补种牙的人来说，这意味着可以获得一颗和之前几乎一模一样的牙齿[4]。器官将实现预约定制，按需所“印”，可以最大化满足患者的需求。患者不必再为了等待移植器官而苦苦煎熬，彻底解决目前医疗中器官难寻的局面；而且采用的是患者自身的细胞，可以避免排异性。我们就如同有了一个实时的个人器官库，只要我们有需求，就可以随时开机制造完全符合自身需求的器官。更具有社会意义的是，器官的自给自足也能够从源头杜绝器官买卖的罪恶[12]。

脸部修饰与美容

利用3D打印技术制作脸部损伤组织，如耳、鼻、皮肤等，可以得到与患者精确匹配的相应组织，为患者重新塑造头部完整形象，达到美观效果。首先扫描脸部建立起3D计算机数据，医生可以制作出患者所缺少的部位，重现原来面貌。比起传统技术，该方法更精确，材质选择更加多样化。据报道，一位左半边脸上长着肿瘤的患者，在做了切除手术后脸上留下了一个大洞。医生利用3D打印技术为患者制作了一张假脸。制作中，首先全面扫描患者头骨及面部，根据所得的结果分析并建立起原来的面部三维图像，再打印输出实物，通过使用特殊的材质，再打印制作出与面部完美贴合并且栩栩如生的假脸[12]。目前存在多种生物打印, 在大部分情况下, 医生需要从患者身上获取细胞, 随后进行培育, 再移植给患者。研究者们开始尝试使用3D打印技术

制造皮肤。“在打印皮肤组织上，浙并大学已有所突破。”浙江大学高分子科学与工程学系副教授毛峥伟介绍。他所在的课题组，以胶原—壳聚糖、硅橡胶皮肤等再生材料进行匹配皮肤再生过程的生物稳定实验，同时以基因技术促进血管生成和抑制斑痕，通过50 多次动物实验证明，缺损皮肤愈合时间加快，且真皮弹性可恢复至八成左右[6]。3D打印技术已经用于多种植入物, 头骨创伤的治疗也可以使用通过直接金属激光烧结技术过程和3D打印技术, 生产钛植入物。随着3D打印技术所支持材质的增多，打印质量的精细化，以及美容市场的壮大，脸部修饰与美容应用将有更加广阔的天地，应用水平亦将得到进一步提高。

制备生物医用高分子材料

3D打印技术不仅能实现材料与患者病变部位的完美匹配，而且能在微观结构上调控材料的结构，以及细胞的排列，更有利于促进细胞的生长与分化，获得理想的组织修复效果，因此，在近年来，3D打印技术被越来越多的应用于生物医用材料的制备。韩国浦项科技大学Cho 等使用PPF /HA 为原料，制备了3D 复合支架材料．获得的支架材料的孔和骨架结构均一，且孔间相互贯通，使用HA 粉末能有效地产生纳米/ 微米尺度形态．加入HA 能进一步促进胚胎成骨细胞前体细胞在支架上的黏附和增殖。日本东京医科大学的Matsuo 等以聚( L-乳酸/HA) ( PLLA /HA) 为原料，制备了可吸收多孔托架，辅助牙齿移植材料一起，用于下颌骨肿瘤切除后的下颌骨重建，获得了比金属钛支架更好的修复效果。另外，以碳酸酯寡聚体-双甲基丙烯酸酯( OCM-2) /HA 为原料，利用立体印刷技术制成的复合材料能促进骨形成，以及材料与骨的结合。尤其是，材料经过超临界CO2处理后，增加了材料与骨组织的接触面积，显著提高了材料的生物相容性。美国康奈尔大学的Butcher 等以PEG-DA / 藻酸盐复合原料制备了主动脉瓣水凝胶支架。该水凝胶的弹性模量可在5. 3 ～74. 6kPa 范围内变化。制备较大的瓣膜可获得更高的精确度。种植于水凝胶支架上的猪主动脉瓣间质细胞在培养21 天后具有接近100% 的存活率。另外，通过立体印刷技术，以甲基丙烯酸修饰的PLA-PEG-PLA 三嵌段共聚物为原料，可以制备出多孔或非多孔水凝胶，材料具有较窄的孔径分布、良好的贯通性和力学性质。所得的水凝胶能促进人间充质干细胞的黏附和生长。美国Therics公司的Sherwood等通过3DP 技术，制备了上层组分为PLGA /PLLA，下层为PLGA /TCP 的软骨-骨复合支架。上层软骨支架区的孔隙率为90% ，而下层成骨区孔隙率控制在55% 。研究发现软骨细胞更倾向于黏附于支架的软骨支架区，培养6 周后可以看到软骨组织的形成。支架的成骨区力学强度可以达到与人新生松质骨同一数量级．该研究为完全关节重建技术提供了一种新的方案。美国斯克里普斯研究所的D’Lima 等以天然牛股骨髁制成体外软骨缺损模型，以PEGDMA/ 软骨细胞混合溶液为生物墨水，在紫外光照下，在软骨缺损部位进行原位打印。该方法打印成型的PEG 水凝胶的压缩模量与天然关节软骨接近．打印后软骨细胞能在水凝胶支架内均匀分布，而且细胞存活率要比生物墨水先沉积后再进行光照聚合的成型方法高26% 。值得注意的是，打印后支架能与周围的天然组织紧密结合，该性质对于未来体内组织缺损的原位修复非常重要。该方法为开发能直接应用于体内的原位生物打印技术，进行组织缺损原位修复提供了一个重要的手段[8]。

3D生物打印的发展趋势

如上所述，3D生物打印技术在一些领域应用成效明显，它给人们带来了福音。然而，3D打印技术应用将不止于此。首先，3D打印技术将有力克服组织损坏与器官衰竭的困难。当3D生物打印速度提高到一定水平，所支持的材质更加精细全面，且打出的组织器官免遭人体自身排斥时，每个人专属的组织器官都能随时打出，这就相当于为每个人建立了自己的组织器官储备系统。患者有需要即可进行更换，这样，人类将有力克服组织坏死、器官衰竭等困难。其次，表皮修复、美容应用水平也将进一步提高。随着打印精准度和材质适应性的提高，身体各部分组织将能更加精细的修整与融合，所制作的材质自然而然成为身体的一部分，有助于打造出更符合审美的人体特征。再次，目前，药物研究大多需要各种级别的动物实验和人体试验。未来通过3D 打印的模式器官来检测药物试验效果，不但有利于缩短临床药物研发周期，还将可能避免潜在的人体试验损害。有专家估测，如果药物生产商采用3D 打印器官进行药物开发或试验，平均每种药物可节省上亿美元研发费用最后，当3D打印设备逐步普及后，在一些紧急情况下，还可利用3D打印机制作医疗用品，如导管、手术工具、衣服、手套等，可使用品更加适合个体，同时减少获取环节和时间，临时解决医疗用品不足的问题[12]。但3D生物打印技术还处于起步阶段还有很多没有克服的难关。人体的最大问题是它的不规则形状。每一个人体都是一个像银河般复杂的生物世界。身体是不断变化的。随着我们的环境、情绪以及食物的不断变化，它们也会喜怒无常、不断变化。无数细胞每天以人们尚不能充分理解的神秘方式生长、愈合和变化，目前还没有解码细胞彼此间如何传递信号。比如目前以细胞为“生物墨水”的活性组织打印，复杂的血管系统仍然是组织工程学需要攻克的难关，相当于“四分钟跑一英里”的极限，如果没有血管系统提供养分并带走废物的“高速路”，3D 器官结构中的活细胞将迅速死亡。另一个人类尚未解决的问题是活细胞需要一个“启动”按钮。目前，尽管科学研究可以将细胞以完美的形状放在支架上的正确位置，但是仍然没有人准确地知道如何启动种子细胞。自然知道如何让一个器官开始运作，人类仍不知道。3D 生物打印需要多学科协同的科研。比如个性化数据分析与建模、机械学与工艺控制、生物学与医学、材料学。尤其是材料的作用，保持再生组织器官的外形，提供必要的力学支撑，调控细胞的行为，为细胞生长提供物理空间[6]。

结论

尽管3D生物打印技术显示出巨大的潜在优势，但距离大规模的工业实际应用还有较长的一段距离。当前，国内的3D生物打印企业还很难完全依靠市场生存，需要政府对该产业在资金扶持、税收、市场引导等方面实施一系列长期稳定的扶持政策。概括起来，为加快推动中国3D 生物打印技术研发和产业化，特提出如下政策建议：一是加强顶层设计和统筹规划。建议中国应该高度重视3D 生物打印技术可能带来的产业变革，深入研判全球3D 生物打印技术及产业化的发展趋势，制定符合中国国情的3D 生物打印技术及产业化中长期发展战略和行动计划。二是加大对3D生物打印技术的研发和产业化投入。三是加快3D生物打印的试点示范与推广。

四是尽快建立共性技术研发体系。五是建立激励的税收和政府采购政策。展望3D生物打印技术及产业化的未来，可以借鉴哥本哈根未来研究学院（CIFS）的名誉主任约翰·彼得·帕鲁坦的一句话：我们的社会通常会高估新技术的可能性，同时却又低估它们的长期发展潜力。我们相信，只要把握发展机遇，发挥我们的政策优势和市场大国优势，3D生物打印技术及其产业化一定会在第三次工业革命浪潮中扮演越来越重要的角色，中国也一定会在新一轮的产业竞争中抢得新的先机[9]。

参考文献

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