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討論生物3D打印在醫學領域的研究現狀及發展前景

添加時間:2020-07-28 11:04 來源:中國醫療設備 作者:宋佳奇 陳海蓮 陽范文
  摘要:可以“改變我們世界”的三維打印(Three-Dimensional Printing,3DP)技術以其靈活性和精密性的特點,一出現便引起全球關注。隨著近幾十年3D工藝的發展,制造業的革命性變革已席卷全球。生物3DP是以活細胞、生物材料和生長因子為主要組分,以打印活體組織與器官為目標的一種新技術,并逐漸應用于骨骼、支架、人造血管、心臟組織等再生與重建領域。本文主要概述生物3DP在醫學方面的研究及應用進展,討論生物3DP的研究現狀、應用情況和面臨的問題,展望其在醫學領域的未來發展前景。
 
  關鍵詞: 3D打印技術;生物打印;活體器官;
 
  Abstract:Three-dimensional printing(3DP) technology, which can “change our world”, has attracted worldwide attention with its flexibility and precision. With the development of 3DP technology in recent decades, the revolutionary change of manufacturing industry has swept the world. 3D bioprinting is a new technology which takes living cells, biomaterials, and growth factors as main components, aiming at printing living tissues and organs. It has been gradually applied in the fields of regeneration and reconstruction, such as bones, stents, artificial blood vessels, and cardiac tissues. This paper mainly summarizes the research and application progress of biological 3DP in medical field, discusses the research status, application situation and problems of biological 3DP, and looks forward to its development prospects in the field of medicine.
 
  引言
 
  21世紀,制造業從批量化、實用性、高效率的特征逐步向高精度、高集成和個性化發展特征轉變。三維打印(Three-Dimensional Printing,3DP)技術的產生,正好滿足這一要求。與傳統的工業建模技術不同,3DP采用逐層堆積的制造方式完成三維結構的構建。模型只需通過3D制圖軟件構建,方便靈巧,制備簡單,是一種新型快速成型制造技術[1]。3DP正在逐漸改變工業生產的方式,習近平指出“這個技術很重要,要抓緊產業化”。
 
  生物三維打印(Bio-3DP)是將生物醫學技術和3DP技術相融合,并以解決生命健康領域的科學問題、器械制造和臨床醫學需求為目的,以個性化設計和制造為特點的新興技術。生物3DP的材料主要有活細胞、生長因子和水凝膠類等;應用高精度、多組分的打印技術,結合體外細胞培養和組織培養技術等構建具有個性化或生物活性的復雜三維結構,可實現個性化植入體、人造骨骼、人造血管、人工器官的制造,為移植器官醫學的發展提供新的來源和途徑[2]。Bio-3DP技術目前已在術前規劃、骨科、金屬植入物、軟組織類器官制造等醫學領域得以推廣與應用;近年來,活體細胞、體外血管的構建、人體仿生組織和器官的打印技術都已取得了實質性突破。
 
  本文從3DP技術的類型、生物3DP的技術特點和應用展開,結合最新的生物3DP發展情況和相關領域的最新研究應用進展,分析當前該技術所面臨的問題,探討生物3DP的未來發展前景。
 
  1 3DP技術概述
 
  3DP技術的打印數據可以來源于物體的斷層成像或通過計算機建模軟件(3D max等)生成的三維數據模型,以STL格式輸入計算機系統中,分層切割形成以層為單位的切數據。打印方式有激光束打印、熱熔噴嘴打印等。打印原料包括塑料、粉末(陶瓷、金屬)、光敏樹脂、生物細胞組織等。通過二維打印平面的逐層疊加,最終堆砌出所需要的三維產品,必要時可進一步后處理。3DP具有制造工藝簡單、自動化程度高和設計成本低等特點,是一種快速成型的、增材制造新的新型數字化成型技術。
 
  按打印原理的不同,3DP技術可分為三維印刷工藝、數字光處理技術、選區激光燒結技術、熔融沉積成型技術和立體光固化成型技術等。
 
  1.1 三維印刷工藝
 
  三維印刷工藝是采用石膏、陶瓷、金屬等粉末為原材料,與平面打印非常相似,甚至可以使用平面打印機的打印頭進行成型。與立體光固化成型技術(Stereo Lithography Apparatus,SLA)的激光燒結成型不同,零件的切面通過噴嘴用粘合劑(硅膠等)印刷在材料粉末上。打印物的每一層截面都是由片平鋪的粉末在黏合劑的作用下形成的,黏合劑通過噴頭擠出。可概括為一送(粉)二鋪(粉)三噴射(粘結劑)。如此循環重復,最終完成一個三維粉體的粘結體[3]。
 
  該工藝的優點是打印速度快,不需要多余支撐;可根據所需打印物的顏色向打印材料中加入不同的顏色;冗余粉末的去除較為方便,成本低廉。缺點是力學性能差、強度低,成品表面不如立體光固化技術光潔,精細度也不佳。
 
  1.2 數字光處理技術
 
  數字光處理技術(Digital Light Processing,DLP)是先把影像信號經過數字處理,然后再把光投影出來,是以選區激光燒結技術(Selective Laser Sintering,SLS)和SLA為基礎的3DP技術。利用DLP投影可見光通過液體光敏樹脂的表層,使發生聚合反應,形成投影形狀,層層投影,層層固化,最終成型出三維產品[4]。
 
  其優點是速度快、精度高,光源采用LED具有體積小、壽命長和環保等特點。其不足之處是光敏樹脂材料價格貴,固化后脆性,對于復雜的結構需要加支撐,不方便維護。
 
  1.3 選擇性激光燒結成形技術
 
  SLS是一種增材制造技術,使用YAG激光器或光纖激光器(100 W以上),利用計算結三維模型的切片數據來控制激光束把金屬、陶瓷等粉末材料熔化,逐層燒結、逐層疊加,再通過凝固過程堆積出密度接近100%的粉末結合體,最后進行燒結好,制得三維產品[5]。
 
  SLS工藝與傳統技術相比,是真正意義上的自由制造,理論上傳統工藝無法完成的內部形狀復雜的零件,SLS都可以完成。材料要求低,只要熔融后可以粘結都可以作為原材料。盡管SLS印刷部件表面成型件表面粗糙需打磨,但是加工零件具有高強度和剛度,有著良好的耐化學性。
 
  1.4 熔融沉積成型技術
 
  熔融沉積成型(Fused Deposition Modeling,FDM)是20世紀80年代最先提出的堆積打印技術。噴頭沿x方向移動,工作臺沿y、z軸方向移動。熱熔性材料(ABS、PLA)先從管中加入,進入噴頭并進行加熱,使其融化成為流體,計算機控制打印機再將其擠出,擠出的同時冷卻與之前的擠出物粘結,噴頭沿著切面輪廓方向一圈一圈由外向內擠出并凝固堆積,完成下層的截面之后,工作臺下降繼續打印[6]。
 
  FDM的優點如下:材料來源廣泛,如蠟、PLA、PC等能夠熔融塑化的材料均可;不需要激光器,設備結構簡單,成本低廉,后處理過程簡單。作為最早的成型技術,如今在玩具、模型和設計方面得到廣泛的應用。然而,FDM難以生產過大尺寸產品,一般只可以打印中小型物體;生成效率較低,打印時間一般需要幾個小時;由于其工作原理,外部輪廓紋理明顯,影響其美觀;層與層之間靠凝結而成,力學性能也不太理想。
 
  1.5 SLA
 
  SLA以光敏樹脂(多為環氧化物)、光引發劑、活性單體和穩定劑等為主要組分,在紫外光的照射下逐漸由低聚物變成交聯高分子聚合物,低粘度的液態樹脂轉變成為固態樹脂,打印板向上移動,打印下層的形狀,一層層疊加最終形成零件[7]。
 
  該技術的優點是光敏樹脂在分子水平層次發生化學反應,打印精確度高,尺寸收縮率小,打印出來的產品惟妙惟肖,強度較高。可計算機修圖、可聯機操作,可遠程控制,有利于生產的自動化。其不足是原材料和設備的成本較貴,打印大型器件時需要加入支撐,不然容易塌陷。光敏樹脂的品種有限,如何改良得到更好的光敏樹脂也是該領域的關鍵。
 
  2 Bio-3DP的方式和特點
 
  2.1 Bio-3DP概述
 
  Bio-3DP基于計算機3D模型,利用生物打印材料如陶瓷基漿料、醫用高分子材料、水凝膠漿料等,按照仿生學形態功能和環境,通過離散堆積的方法,打印出所需的結構復雜、功能齊全的生物醫用產品。通過制造技術和生命科學的組合,其發展潛力巨大,可以用于制造人體組織和臟器。未來,心臟或者其他器官移植的最終極發展方向將發生最根本的改變。
 
  細胞的生長需要特定的生物環境和條件。因此,Bio-3DP與一般的3DP技術不同,需要在特定的環境中進行,即在適應細胞生長繁殖的環境中進行相關細胞、組織的打印與培養。利用Bio-3DP技術進行細胞和基質培養,既要保證生物活性,又要通過應用該技術實現組織和臟器的個性化制造[8]。
 
  2.2 Bio-3DP的方式及特點
 
  噴墨Bio-3DP的原理是將帶有導電性的細胞墨水在壓力作用下送入噴頭噴槍,經過超聲波或者電能的作用使細胞噴出時每個墨滴帶有指定的動能,連續不斷形成液串,按3D模型的要求準確落在打印載體表面的特定位置。其關鍵問題是解決細胞的生物活性和墨滴著陸位置[9]。其優點是生物活性高,打印速度較可觀。但是,在噴墨過程中,難以控制液滴的方向性和液滴的大小;混合生物細胞的墨水容易受熱、電、其他能量的影響,造成細胞活性降低;因打印材料的粘度要求導致可選擇的材料非常有限。熱電噴墨打印機的工作取決于打印頭的電加熱,使得產生壓力脈沖并使液滴遠離噴嘴。
 
  熱熔生物材料由加熱器熔化,材料首先被引入細絲,然后由送絲機傳送到熱熔噴嘴。熱熔噴嘴處有加熱裝置可以加熱材料。另一方面,根據軟件設計的分層數據控制路徑,將半熱熔狀態材料擠壓到預定位置并沉積之后,將其凝固形成。細胞在體外培養時不能承受過高的溫度,因此熱熔環境對細胞是極大的傷害,細胞活性差是影響該技術在臨床方面應用的主要因素[10]。
 
  另一種打印技術是激光輔助生物打印(Laser Assisted Bioprinting,LAB),使用激光誘導前向移動原理移動細胞,通過激光和聚焦片使焦點聚焦在吸收層(金或鈦)以達到加熱效果,熱量由吸收層傳播到下層的生物墨水層薄膜,薄膜形變產生射流。其中吸收層作用是保護細胞,防止激光直接接觸生物墨水,現如今利用飛秒激光已經發展出超快激光誘導動物細胞水凝膠的方法。LAB可打印從毫米級到納米級形態特征的生物結構;所有的細胞類型都能打印;無噴頭,不存在細胞堵塞問題。細胞存活率在95%以上。但是吸收層容易被污染且造價昂貴,臨床應用受限。
 
  3 Bio-3DP的研究現狀
 
  3.1 Bio-3DP的四個層次
 
  Bio-3DP的發展可以分為四個層次。
 
  第1層次不涉及生物培養技術,使用的材料是非降解的生物不相容材料,打印產物大多為非植入目的的仿生模型。如:利用3DP技術制造的個性化手骨支架模型,可以代替石膏板更加靈活方便、打印器官模型(口腔、骨骼),用于放射治療的防輻射器具[11],模擬手術等。
 
  第2層次使用生物相容、非降解材料進行永久植入物的制造。植入型醫療器械個性化的定制,利用鈦合金材料打印與患者完美契合。醫生可以借助3DP技術,按照1∶1的比例完整打印出患者所需的骨骼如:Basgul等[12]利用熔融PEEK長絲的方法3DP出腰椎融合器標準件。徐蒙蒙等[13]通過實驗研究,給出了一種通過3DP來制備組織補片的方法。
 
  第3層次進行人工活性組織支架的研究,可以植入人體并修復植入部位損傷的功能,也可以作為細胞繁殖分化和新陳代謝的場所,也是信號分子和活性因子的載體,可以促進細胞的融合。氣道支架和心臟支架已經越來越多的應用在臨床手術中。組織工程支架應用廣泛,幾乎涉及人體所有器官。支架類型包括骨支架、神經支架、皮膚支架、其他組織支架等,具有良好的可降解和生物相容性。
 
  第4層次在合適的體外環境進行細胞和器官的打印與培養[14]。生物材料包括有細胞外基質功能的水凝膠、不同的干細胞和營養物質。先將細胞(或細胞聚集體)和溶膠(水凝膠的前驅體)的混合物在營養物質中進行培養。Bio-3DP時,將混合液加入打印噴頭,通過3D軟件的編碼,可以精確控制細胞分布在預定打印點。器官打印在細胞打印的基礎上,需要構造更多的細微管道結構,實現血液和營養物質的輸送。
 
  3.2 Bio-3DP的研究現狀
 
  嚴格來講,只有第四個層次的制造過程設計到細胞和組織,是真正意義上Bio-3DP。前三個層次經過數十年的發展,如今技術已經成熟。生物模型的打印如口腔模型,可以幫助醫生更好地完成手術規劃,也方便實習生更直觀的掌握醫學結構。仿生骨骼和關節、可降解的制品,如活性陶瓷骨、可降解的血管支架、多層復合結構氣道支架[15]、載藥氣管支架[16]等研究也已有很多的報道。
 
  近幾年來,雖然Bio-3DP已經可以成功打印出外形神似的組織和器官,但是組織和器官內部血管通道如何打印,如何在體外打印未分化的細胞、培養干細胞等問題仍未解決。如何實現Bio-3DP的功能化突破和應用,解決形似而神不似的問題是Bio-3DP的未來發展突破瓶頸的問題。對細胞打印而言,控形控性所涵蓋的三大基礎科學問題為:生物墨水的可控化、打印結構的活性化、打印結構的功能化。作者認為可以從生物材料(生物墨水)的合成、打印工藝(打印機)的改良到營養輸送通道(血管、神經)的構建,以及功能化的誘導等方面攻克系列難題。
 
  生物墨水為細胞提供體外的生存環境,因此要有非常好的生物活性,要營造與細胞外基質相同的生物環境,只有這樣才能更好地使細胞在墨水中存活、增殖分化并建立彼此間的通信[17]。目前,最常用的海藻酸鹽系生物墨水成形性能及機械性能較好,但是生物兼容性方面不如膠原類生物墨水;膠原類生物墨水由于其來源于生物體內具有良好生物相容性也有應用,但是需要后期改性或混入改性材料。Gel MA材料可打印性及可成形性都十分優秀,是Bio-3DP中不可或缺的材料。
 
  明膠、海藻酸鹽、細胞外基質、嵌段共聚物F127、聚乙二醇二丙烯酸酯均為常見Bio-3DP材料。醫用高分子水凝膠具有十分優秀的生物相容性,呈現三維網狀結構,無毒無刺激,利用1 mm水凝膠管道模型,可以實現由毛細血管到微血管床的培養[18]。王錦陽等[19]發現可以用負載層纖維細胞和角化細胞的膠原,可作為3DP再生皮膚組織的原料。多孔網狀自增強仿生軟組織補片[20]為軟組織的培養提供了可行的理論依據。
 
  2019年,王見等[21]開發了一種基于核磁共振的3DP。3D打印遇上MRI醫療診斷如虎添翼。MRI能獲得原生三維斷面成像,對軟組織、中樞神經等有高分辨率,多序列成像使其數據可與3DP完美結合。
 
  另外,有研究者從小鼠中提取胚胎干細胞,并將胚胎干細胞與水凝膠生物材料混合,運用計算機斷層掃描成像技術得到的生物參數進行生物打印,成功獲得仿生主動脈[22]。以及使用微擠壓打印技術將海藻酸鈉、明膠和PEGTA等生物材料與皮膚干細胞相混合,制備出既符合生物力學要求又具有良好生物相容性的人造血管[23]。
 
  2017年,Hu等[24]使用小鼠體內提取的脂肪干細胞和纖維細胞生長因子2(堿性因子)的混合材料,利用光固化打印技術得到仿生神經,并將其移植到小鼠的神經傷口四周,觀察發現仿生神經有著和小鼠自身相同的修復效果。
 
  同年,Zhang等[25]也報道了多細胞/材料體系的仿生打印技術,可以在體外打印培養構造仿生器官,他們設計的高自動化材料打印機適用于多種不同的“生物墨水”,為體外器官再生等提供有效路徑。及至2019年,研究者基于多噴頭生物3DP系統和溶芯支撐法,運用超低溫打印技術,以膠原為管壁材料,水凝膠F127為溶芯材料構建復合管腔結構,經過溶液交聯及凍干處理后將支架浸泡在1℃的去離子水中以去除溶芯材料,順利獲得了具有較好結構及力學性能的膠原管腔支架結構[26]。
 
  Bio-3DP材料和機器同樣也是生物打印發展的關鍵。2015年,瑞典公司以確立Bio-3DP領域的統一標準為目標,開創了一種通用Bio-3DP墨水,世界上首例基于納米纖維的水凝膠生物打印油墨套件具有易處理、耐沖擊的特性,在仿生組織模型方面具有良好的應用前景。這款Bio-3DP油墨在人類的組織模型構建方面具有光明的未來。2017年生物3D打印機的研究也有了里程碑的突破——中國研制出首臺高通量、集成化的打印機。
 
  4 生物3D打印技術的未來展望
 
  Bio-3DP技術方興未艾,4D打印技術也正備受社會關注,未來將屬于4D打印技術。4D打印技術基于3DP,添加了時間維度。形狀記憶聚合物(Shape Memory Polymers,SMPs),又稱為形狀記憶高分子,也就是具有初始形狀的物件,通過外部作用力使其形變到特定形狀,當所處狀態恢復或環境恢復到原始時,物件可以不受外力的幫助恢復到初始形狀。可以完成“憶起始態——固定變形態——恢復起始態”的循環[27]。
 
  未來生物4D打印將在生物醫療領域大顯身手。應用納米技術可以使生物技術在有限的血管內發揮無限的作用。心臟支架是4D打印應用的一種,微型心臟支架通過血管注入人體,當它達到心臟指定的部位時,給予物理刺激,便可以變形成為心臟支架。可以減少患者的痛苦,不需要開胸手術。麻省理工學院制造出一種微型藥物膠囊,當人體生病發燒體溫過高時,膠囊形變釋放藥物,第一時間達到治療效果[28]。
 
  李春妍等[29]利用Fe3O4納米顆粒改良PLA,使聚乳酸擁有磁性,打印的形狀記憶納米復合材料支架放置在交變磁場中時,折疊的支架可以在短時間內非接觸的進行驅動展。4D支架結構實現了非接觸控制和遠程驅動,在微創血管支架領域具有很大的應用前景。Chon等[30]以甲基丙烯酸酯化的聚己內酯為材料,利用SLA技術成功打印出一種遇熱時10 s左右可恢復到原始形狀的“記憶”氣管支架。也有報道指出可以采用3D印刷技術制造由天然蛋白質和水凝膠材料組成的新型葉狀4D打印結構。
 
  4D印刷SMP的研究雖然取得了階段性的進展,但是到全面應用到臨床手術中仍需繼續努力。目前,直接4D印刷SMPs都是單向的,如何做到雙向可逆性,需要設計結構和復合印刷,增加了基于SMPs的4D結構印刷的復雜度,對裝置的需求也更高。4D印刷用的SMPs大部分是熱驅動材料,也有部分是磁場驅動材料。從印刷工藝的角度來看,當加熱細胞組織時,生物活性將大大降低。因此生物4D打印技術的特征和缺點也極大地限制了可印刷SMPs的種類和4D印刷品的性能。未來還有很長的路要走。
 
  5 結論
 
  從Bio-3DP技術從提出到如今已經經歷了十多年的發展,可以說是機遇和挑戰并存,特別是將其應用于臨床仍面臨諸多挑戰和難題。許多具有里程碑意義的技術雖已被研究并逐步開始應用,但如何找到合適的細胞、組織和臟器,以及在構成器官中細胞如何更好地相互作用有待持續深入。此外,需進一步優化和改進打印工藝,開發更優的生物材料也是重點。Bio-3DP的進步將引發生命科學領域的新革命,特別在組織和器官修復和再造方面發揮巨大作用,解決器官和組織移植領域的來源這一世界難題。到那時候,人類有望實現人體組織和器官“壞哪里換哪里”的期望。
 
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