构建骨组织工程支架中应用的3D打印技术
生命科学中的3D打印技术
生命科学中的3D打印技术3D打印是一种新兴的先进制造技术，已广泛用于工业设计、建筑、汽车、航空等领域。
在生命科学领域，3D打印技术也应用广泛，它为医学、生物学、生物制造和组织工程等领域带来了重要的突破。
一、3D打印在医学中的应用3D打印技术的快速发展为医学带来了许多机遇。
医学领域中，3D打印技术被广泛用于医学影像技术的可视化、医学工具的制造以及人工器官的制造等方面。
3D打印技术可用于医学影像技术的可视化。
例如，医生可以将MRI或CT扫描结果转换为3D打印模型，以更好地了解病患的病情和病变。
这种可视化技术不仅有助于医生准确诊断和治疗患者，还可以用于医学教育和培训。
与此同时，基于3D打印技术的定制医疗设备制造也被广泛研究和应用。
通过3D打印技术，可快速制造符合患者个性化需求的手术工具、支架、义肢等医疗设备。
3D打印技术的高精度、高速度和低成本的特点，为定制医疗设备的制造提供了技术保障。
人工器官的制造是3D打印技术在医学领域中的另一个应用方向。
人工器官的制造是当今医学领域的一大难题，而3D打印技术恰恰可以提供相应的解决方案。
通过3D打印技术的生物打印技术，医生可以将患者细胞等生物材料注入3D打印机中，打印出符合患者需求的组织器官。
这种方法为治疗许多细胞失调疾病（如重型肝炎、胰腺疾病、心脏病等）提供了一种有效的新型治疗方法。
二、3D打印在生物学中的应用3D打印技术在生物学领域的应用不仅限于医学，还包括生物组织和细胞的制造等方面。
3D打印技术可以制造出成千上万的细胞和生物材料，这些材料可以被用于研究和诊断。
生物打印技术为生物学家提供了一个新工具，可以快速制造出符合实验需求的生物组织和细胞。
这些生物组织和细胞可以用于研究基因功能、细胞分化、药物作用等领域。
例如，bioprinting技术已经被广泛应用于肿瘤生物学研究，可以制造出符合不同肿瘤需求的肿瘤模型，以便研究肿瘤病理学和治疗方法。
另一方面，3D打印技术可以制造出符合实验需求的生物芯片和微流控芯片。
三维打印技术在骨科医学中的应用
三维打印技术在骨科医学中的应用一、引言随着近年来科学技术的不断发展，三维打印技术也开始广泛应用于医疗领域。
在骨科医学中，三维打印技术不仅可以用于医学研究，还可以作为创新手段为患者带来更优质的治疗方案。
本文将重点探讨三维打印技术在骨科医学中的应用。
二、三维打印技术在骨科医学中的基本原理三维打印技术是一种分层制造技术，通常称为添加制造技术。
它通过数字化的三维模型，将物体逐层打印出来，最终实现对所需部件或产品的快速定制制造。
在骨科医学中，三维打印技术主要应用于骨组织模型制作，即将患者的骨骼CT图像数据导入到三维打印机软件中，经过处理后可以得到患者的骨骼三维模型。
三、三维打印技术在骨科医学中的应用1.手术前的预操作模型三维打印技术可以为手术提供一种预操作方案，医生可以在模型上进行手术操作演示，研究最佳的手术方案，提前解决手术中可能发生的问题，减少手术过程的风险和手术所需时间，提高手术成功率。
这种预操作模型在颅骨畸形等手术中应用广泛。
2.骨缺损修复三维打印技术可以定制化的铸造人造骨，为骨缺损修复提供了更优质的方案。
医生可以根据患者的病情和骨缺损的大小、形态、位置等数据来定制化打印出完美适合患者的人造骨，这种方法极大地缩短了治疗期，降低了治疗成本，也可以提高治疗效果。
3.骨折复位使用三维打印技术可以制作人工骨模型，模拟患者骨骼的情况，骨科医生可以在这个模型上模拟复位操作，通过试错，找到最佳解决方案，降低了患者以后受到其他影响的概率。
4.拔牙后的植入物定位在牙齿拔除后患者需要植入人工牙齿，但是植入物的位置选择对于治疗的效果有很大关系，三维打印技术可以通过数字模型优化实现患者植入物的定位，可以提高手术效果。
4.临床实例案例1：一名患者患有髋关节疾病，需要进行髋关节置换手术，但是由于病情复杂，手术难度大，传统的手术方案效果不佳，手术风险大。
医生使用三维打印技术制作了患者的详细三维模型，在模型上进行多次操作演示，研究最优手术方案，手术中可以更加顺利地完成手术操作，提高了手术的成功率。
3D打印技术在骨科的应用和展望
3D打印技术在骨科的应用和展望摘要：近年来，随着3D打印概念不断发展，3D打印技术在全球的应用越来越广泛，其中生物医疗领域是3D打印技术的重要应用之一。
文章介绍了3D打印技术在医疗骨科领域的应用和未来展望。
关键词：骨科；应用；3D打印；定制化3D打印是直接根据三维数据，通过自动化控制，将材料逐层加工、叠加成形，从而获得构件的加工技术，具有制造周期短，响应速度快等特点。
3D打印技术能够根据医学影像数据，将虚拟图像转换成三维实物，实现个性化设计和解剖学匹配，为临床医学构建准确的病理模型和适合患者的定制化植入物。
随着3D打印技术的进步和可打印材料的发展，该技术在生物医疗领域的应用越来越广泛，骨科领域是3D打印技术最早实现产业化的医疗应⽤领域之⽤。
一、创伤外科的应用1.四肢骨折治疗通过术前的准确评价和骨折分型的确定，可以确定骨折治疗方案。
对于复杂的关节面骨折，其解剖结构复杂、血管畸形多、复位难度高，而常规的CT成像只能在平面上对骨折进行观察，手术方案依赖医生的立体想象和经验判断等，术前要有充分的准备。
由于病情的复杂和多变，即使医生技术高超，也存在着手术难度高、手术时间长等问题。
利用3D打印技术，可以将骨折模型预先打印出来，用于术前分析准备和术中过程模拟，从而降低手术难度、缩短手术需要的时间。
2.定制个性化内固定物对于一些先天性骨骼发育畸形或复杂骨折的治疗，由于其临床解剖学类型与正常解剖学不相符，医生需按临床经验和手术操作要求对内固定物进行调整、塑形，但单凭临床经验术中处理的固定物与实际情况并不一定相符，反复被塑形的固定物也会引发安全风险。
在手术前，根据病人的实际情况，设计并3D打印制造出适合患者的个体化内固定物，可有效减少手术过程风险。
二、脊柱外科的应用大部分脊柱外科都是通过钉棒系统来恢复脊柱的稳定性。
例如脊髓压缩性骨折和椎体滑脱会影响脊柱的稳定性，利用钉棒系统的撑开复位作用可以很好的恢复脊柱的生物力学稳定性。
利用3D打印技术开发组织工程的新型支架
利用3D打印技术开发组织工程的新型支架一、引言：3D打印技术的应用已渗透到了许多行业，其快速制造、低成本量产等特点，使其成为了工业制造、医疗等领域的新宠。
在组织工程领域，3D打印技术为开发新型支架提供了可能性，具有很高的研究和应用价值。
二、组织工程：组织工程是通过构造人工组织和细胞透析技术，利用人造器官等方法修复和替换患者身体的受损组织，缓解和治疗疾病。
3D打印技术的应用为组织工程领域提供了新的思路。
以支架为例，传统的支架采用纳米材料结构，其成本和生产难度较高。
而利用3D 打印技术，支架可以根据患者的个体化需求进行设计和制造，为支架的应用带来了更大的灵活性和精确性。
三、3D打印技术在开发新型支架中的应用：1.支架材料的选择：3D打印技术的应用需要选择合适的支架材料，如金属材料、塑料、生物可降解的材料等。
这些材料可以根据患者的实际需求进行选用。
同时，不同的材料也具有不同的生物相容性和生物学特性，可以进一步增强或降低支架的功能。
2.支架的设计：在支架的设计过程中，3D打印技术可以应用于支架模型的快速制造，从而更加准确地仿真实际情况。
同时，3D打印技术可以为医生和患者提供更加清晰、精准的标本，从而可以更好地实现个体化设计和实施。
3.支架的制造：3D打印技术为细胞外基质的制造和支架的快速制造提供了可能性。
通过构造有机、无机材料的混合体，在支架中添加生物活性材料，可以进一步提高支架的生物活性和生物相容性，从而更好地满足患者的需求。
四、利用3D打印技术开发组织工程的新型支架的发展前景：1.3D打印支架的个体化和精确制造，可以通过支架模型的快速制造，更好地实现医治和修复功能，提高治疗效果。
2.3D打印技术在支架材料的选择、支架设计和制造等方面，可以进一步扩大支架的适用范围，从而更完善地解决患者的个体化需求。
3.3D打印技术在医疗领域的应用已逐渐扩散，未来可以更加深入地发掘支架的有效性和成本效益。
五、结语3D打印技术的应用在组织工程领域已经逐渐得到了推广和应用，利用3D打印技术开发组织工程的新型支架，可以更好地满足患者的需求，提高治疗效果，同时也更好地实现了个体化治疗的目标。
科学家探索3D打印人体骨骼和组织支架技术
bable Metallic Alloys for Medical Applications）”，项目的核心内容是探 索3D打印人体骨骼和组织支架技术。
该项目是由美国制造（A
merica Makes）即美国国家增材制造创新 研究院（National Additive Manufacturing Innovation Institute）选定的15个项目之 一，作为其第二批要求
进行的增材制造（AM）应用研究和开发 项目的一部分。据了解， 这个项目的投 资金额为59万美元，开发时间为18个月， 参与合作开发的公司包括ExOne、 Magnesium Eanaes。 “增材制造结合计算机图形技术能够 制造复杂的结构，同时，我们还使用了 具备先进的生物适应性以及具有生物降 解能力的合金材料。”首席研究员、 Swanson
物医学装置，例如骨固定板和螺钉，以 及气管支架将在制备后用于以后的临床 研究。 “这是一个改变游戏规则的生物医学 研究，因为它不仅为细胞和组织生长提 供了一个框架结构，帮助身体修复其自 身的组织，而
且它还可以用于偏远地区的医疗机构， 比如陆军野战医院，在那里传统治疗方 法可能会受到限制。”Kumta教授说。 “与其在身体中植入惰性螺钉或关节， 我们可以使用可降解的金属合金材料向 身体提供了生长模板，通过人
体自身的再生机制进行有效的自愈。”
NJllst211 南极熊3D打印网/
学院的生物工程教授Prashant Kumta说。 “多亏了计算机辅助断层扫描，或CAT 扫描，我们可以直接对损坏的结构成像， 比如一根骨头或气管，用可生物降解的 铁锰材料制造一个支架，在愈合过
程中促进自然组织的生长，这减少了使用骨 移植而造成疾病传播的风险。而且通过对合 金材料的精心设计可以控制支架的降解速度， 从而更加精确地帮助人体愈合恢复。”
组织工程骨构建策略
组织工程骨构建策略
组织工程骨构建策略是一种旨在利用材料科学、生物学和工程学等多学科知识，通过设计和制造可替代的人造骨组织来治疗或修复缺损、疾病或创伤的方法。
下面是一些常见的组织工程骨构建策略： 1. 材料选择：优选生物相容性好、生物降解性强、力学性能良好的材料，如聚乳酸、羟基磷灰石等。
2. 细胞来源：选择具有成骨分化潜能的干细胞或成骨细胞源进行培育和植入，如间充质干细胞和骨髓基质干细胞等。
3. 三维打印技术：利用三维打印技术，将自体或异体细胞与支架材料结合，制备出高度定制化的人造骨组织。
4. 生物反应器：将细胞和支架材料置于生物反应器中，模拟生理环境，促进细胞生长和成骨分化，加速骨组织的形成。
5. 基因工程：通过基因转染或质粒转染等技术，操纵细胞的遗传信息，促进成骨分化和骨组织的修复。
6. 生物材料表面改性：通过材料表面的化学处理、生物活性物质的涂覆等方法，改善支架材料的生物相容性和降解性能，增强其与细胞的相互作用。
总之，组织工程骨构建策略是一个复杂而多样化的领域，需要结合多个学科的知识和技术手段，才能够实现对人造骨组织的高效制备和应用。
3D打印在骨及软骨组织工程中的应用
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挑战
然而，3D打印在骨组织工程中的应用仍 面临一些挑战。例如，生物材料的性能和 生物相容性需要进一步提高，制造设备的 精度和效率也需要不断提高。此外，法规 和伦理问题也是阻碍其临床应用的一个重 要因素。
03
3D打印在软骨组织工程 中的应用
软骨组织工程的现状及挑战
当前骨及软骨组织工程的研究热点主要集中 在修复和替代损伤的骨或软骨组织，以恢复 其功能。然而，由于软骨组织的复杂性和特 殊性，如缺乏有效的血液供应和神经支配， 以及其特定的机械性能要求等，使得传统的 治疗方法难以满足临床需求。
3D打印在软骨组织工程中的前景及挑战
尽管3D打印技术在软骨组织工程中展现出了巨大的潜 力，但仍需要进一步的研究和改进。未来的研究方向应 包括优化生物材料的性能、探索更合适的细胞来源、以 及解决与临床应用相关的伦理和法律问题等。
此外，还需要更多的临床试验来验证3D打印技术在软 骨组织工程中的安全性和有效性。如果这些挑战能够得 到解决，那么3D打印技术将有望为骨及软骨组织工程 领域带来革命性的变化。
患者故事分享
通过分享成功案例和患者体验，让 公众更加直观地了解3D打印技术 在骨及软骨组织工程中的实际应用 效果。
05
结论与展望
3D打印在骨及软骨组织工程中的应用总结
3D打印技术为骨及软骨组织工程提 供了新的构建方法，能够实现复杂 形状的精确制造，提高组织的修复 效果和功能。
3D打印技术可以控制支架的孔径、 形状和材料组成，以实现个性化的 治疗需求，提高治疗效果。
案例
例如，使用3D打印技术制造出与患者缺损部位完全匹配的钛合金骨骼，用于治疗严重的骨损伤或畸形 。此外，还可以将生物相容性材料与生长因子结合，通过3D打印技术制造出具有特定形状和功能的骨 组织。
3D打印技术在医学领域中的应用前景
3D打印技术在医学领域中的应用前景随着科技的不断发展，3D打印技术在医学领域中的应用前景不断扩大。
传统的医学制造是基于模具制造，但是这种方式无法满足所有病患的需求。
而3D打印技术的出现，极大地改变了这一局面。
它为医学领域提供了更加可靠、有效的解决方案，让医疗从传统的治疗模式转变为个性化的治疗模式。
首先，3D打印技术可以制造个性化的医疗器械和假体。
病患的身体构造各不相同，因此传统的标准医疗器械和假体难以满足个性化的需求。
利用3D打印技术，医生可以根据患者的具体情况设计和制造医疗器械和假体，准确度更高，更符合患者的需求。
例如，3D打印技术可以制造出与患者骨骼结构完全匹配的假体，使其更好地融合在患者身体中，并提供更舒适的使用体验。
这种个性化的医疗器械和假体可以显著提高治疗效果，减少并发症的发生。
其次，3D打印技术在医学领域中有着广泛的应用。
除了医疗器械和假体的制造外，3D打印技术还可以用于医学模型的制作、手术导航和组织工程等方面。
医学模型可以帮助医生更好地了解患者病情，制定更加精确的治疗计划。
手术导航可以准确指引医生进行手术操作，减少手术风险。
组织工程则可以用3D打印技术制造出人工组织和器官，用于治疗器官损伤或器官功能障碍等情况。
这些应用领域的扩展使得3D打印技术在医学领域中的发展前景更加广阔。
此外，3D打印技术还可以加速药物研发和个性化治疗的发展。
利用3D打印技术，药物可以以更精确的剂量和释放速度进行制造。
这种个性化的药物治疗可以根据患者的具体情况进行调整，提高治疗效果。
同时，3D打印技术还可以用于制造药物的载体，提高药物的稳定性和可控释放性。
这些创新使得药物的研发更加高效，开辟了个性化治疗的新途径。
总而言之，3D打印技术在医学领域中的应用前景非常广阔。
它可以制造个性化的医疗器械和假体，提供更好的治疗效果。
同时，3D打印技术还可以用于医学模型的制作、手术导航和组织工程等方面，为医生提供更多的工具和手段。
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构建骨组织方医科大学第二临床医学院， 广东省广州市 510282；2南方医科大学珠江医院骨科中心， 广东省广州市 510282)
Abstract BACKGROUND: Three-dimensional printing technique has been applied in medical fields since it was invented in the end of 20th century. Recently it has been widely used in manufacturing scaffolds for bone tissue engineering. OBJECTIVE: To review the basic concept of the scaffold for bone tissue engineering, the basic requirements for three-dimensional printing technique in scaffold engineering, different materials used in bone tissue engineering, the advantages and limitations of three-dimensional printing technique and the outlook of three-dimensional printing technique applied in manufacturing scaffold for bone tissue engineering. METHODS: The first author did a computer-aided retrieval of the MEDLINE database, Science Direct database, CNKI database, and CQVIP database for articles relevant to three-dimensional printing technique used in manufacturing scaffolds for bone tissue engineering published between January 1990 and February 2015. The key words were “three-dimensional printing, tissue engineering, rapid prototyping technology, scaffold, materials” in English and Chinese, respectively. Repetitive studies were excluded, and 33 of 52 related literatures were adopted in result analysis. RESULTS AND CONCLUSION: Three-dimensional printing technique has many advantages such as high
骨组织工程的出现，为这一难题提出了新思路。骨 组织工程基本出发点是以“诱导成骨”的方式而非单纯 以“爬行替代”的方式实现骨的修复和再生。近年来， 随着骨组织工程的研究深入，支架材料的制备以及其制 备的方法也成为研究重点[4]。
骨组织工程支架的传统制备方法包括溶液浇铸/离 子洗出法、原位成型法、静电纺丝法、相分离/冻干法、 气体成孔法等[5-7]，虽然这些工艺也获得了但比较满意的 效果，但不能实现对支架材料和孔隙结构的精确控制， 结构形状也无法做到与骨缺损部位的解剖结构完全契 合，从而不能实现个性化植入物的制备。
摘要 背景：3D 打印技术自 20 世纪末出现以来逐渐应用在医学领域已成为一种趋势。近年来 3D 打印技术被广泛 用于骨组织工程支架材料的成型，并取得了一些令人惊喜的成果。 目的：文章从骨组织工程支架基本概念、3D 打印的基本原理和流程、3D 打印应用于构造支架的要求以及不 同的粉末材料等方面进行阐述，分析其优势与目前存在的局限性，并对未来 3D 打印在骨组织工程支架中的应 用进行展望。 方法：第一作者应用计算机检索 1990 年 1 月至 2015 年 2 月 MEDLINE 数据库、Science Direct 全文数据库、 中国期刊全文数据库、维普中文期刊网等有关 3D 打印技术在构建骨组织工程支架中应用的文章，检索词“3D 打印，组织工程学，快速成型技术，支架，材料”，排除重复性研究。文章共检索到 52 篇相关文献，其中 33 篇文献符合纳入标准。 结果与结论：3D 打印技术具有高精度、构建速度快、可按需制造实现个性化定制等优势。3D 打印应用于骨 组织工程支架构建时，所用的粉末或黏合剂需具备一定的条件，如流动性、稳定性与可湿性等。用于打印的 粉末材料可分为人工合成多聚体、天然高分子聚合物、生物陶瓷及它们的混合物。不同粉末材料的粉末各自 优缺点不同，且最终成型效果也不尽相同。3D 打印技术也存在一些包括费用昂贵、不易大规模生产等方面的 局限性。但尽管如此，3D 打印的临床应用前景一片光明。
Yu Qiang, Second College of Clinical Medicine, Southern Medical University, Guangzhou 510282, Guangdong Province, China
Corresponding author: Tian Jing, Master, Professor, Associate chief physician, Master’s supervisor, Department of Orthopedics, Zhujiang Hospital, Southern Medical University, Guangzhou 510282, Guangdong Province, China
Accepted: 2015-05-16
4870
P.O. Box 10002, Shenyang 110180
于强，等. 构建骨组织工程支架中应用的 3D 打印技术
resolution, high velocity and the freedom to build unlimited geometries. There are some requirements for the powder and binder used to construct bone tissue engineering scaffolds using the three-dimensional printing technique, such as the flowability, stability and wettability. A wide range of materials can be used: synthetic and natural polymers, ceramics, as well as composites of the aforementioned. Various kinds of powder take responsibility of different features of scaffolds, resulting from the advantages and disadvantages of different materials. Although this technique has some limitations such as high cost and the difficulty of commercial production, its application still has a bright future.
文章亮点： 1 此问题的已知信息：3D 打印技术已开始应用于组织工程支架的构建，具有高精度、速度快和可实现按需定 制的优点。 2 文章增加的新信息：从 3D 打印技术应用在骨组织工程支架构建的原理和基本流程入手，总结所用原料粉 末与黏合剂所需具备的条件，并比较分析不同粉末材料的优势与劣势。 3 临床应用的意义：3D 打印技术可精细控制支架内部的精细结构(如孔隙率)，并且能够不受所打印形状的限 制等优势，应用于临床骨组织工程支架的构建前景广泛。 关键词： 生物材料；骨生物材料；支架材料；3D 打印；黏结剂；组织工程学；快速成型技术；人工合成多聚体； 天 然高分子聚合物 ；生物陶瓷 主题词： 组织工程；细胞；支架
于强，田京. 构建骨组织工程支架中应用的 3D 打印技术[J].中国组织工程研究，2015，19(30):4870-4875. doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2015.30.022
Application of three-dimensional printing technique in manufacturing scaffolds for bone tissue engineering
0 引言 Introduction 骨具有强大的自我修复的能力[1]，但无法完全修复
大体积的骨缺损。全世界每年骨缺损的患者数以千万 计，因肿瘤和创伤而造成的大体积骨缺损是临床上进行 骨修复和移植的主要原因[2]。治疗骨缺损最理想的材料 就是自体骨，但是自体骨来源有限，同时增加了患者的 痛苦，不能满足临床需要[3]。
Yu Qiang1, Tian Jing2 (1Second College of Clinical Medicine, Southern Medical University, Guangzhou 510282, Guangdong Province, China; 2Department of Orthopedics, Zhujiang Hospital, Southern Medical University, Guangzhou 510282, Guangdong Province, China)