基于生物材料的3D打印技術(shù)臨床應(yīng)用概況

來源： 臨床工程資訊

3D打印技術(shù)(又稱快速成型技術(shù))正以前所未有的速度迅猛發(fā)展，已成為制造各種醫(yī)療領(lǐng)域產(chǎn)品的多功能且有利的平臺(tái)。3D打印技術(shù)發(fā)展過程中,制約其發(fā)展的主要因素有打印材料和打印工藝。經(jīng)過多年的發(fā)展,3D打印生物材料已廣泛應(yīng)用于臨床醫(yī)療實(shí)踐。臨床常見的3D打印生物材料主要有金屬、工程塑料、光敏樹脂、生物塑料、高分子凝膠等。

3D打印技術(shù)
1.3D噴印技術(shù)（3DPI）
根據(jù)電流體動(dòng)力學(xué)原理,使用特定的噴頭,噴印流態(tài)材料，直接形成模型器件的技術(shù)。打印材料是液態(tài)，并且通過液滴的形式從噴頭噴射出來。常用生物材料：羥基磷灰石、Alpha-TCP、β-TCP、PVA、PEG和PEG 水凝膠等。醫(yī)學(xué)應(yīng)用范圍：蛋白質(zhì)、核酸等生物分子的打印。

2.光固化成型技術(shù)（SLA）
原理和噴墨打印相類似，以液態(tài)光敏樹脂為原料，通過紫外光掃描液態(tài)光敏樹脂使其固化，層層疊加,形成所需的模型。常用生物材料：光敏樹脂。醫(yī)學(xué)應(yīng)用范圍：醫(yī)療模型的構(gòu)建。

3. 熔融沉積成型技術(shù)(FDM)
基本原理是在計(jì)算機(jī)的控制下，將在噴頭里已經(jīng)加熱融化的絲線狀或粒狀材料形成的熔體均勻噴灑出來，迅速冷切成型，塑形做成已經(jīng)設(shè)計(jì)好的模型。常用生物材料：尼龍、PVA、聚碳酸酯等。醫(yī)學(xué)應(yīng)用范圍：軟骨組織、骨組織的再生、抗生素的遞送和假肢等。

4.選擇性激光燒結(jié)技術(shù)(SLS)
通過計(jì)算機(jī)的控制，對(duì)粉未材料進(jìn)行激光加熱、燒結(jié)、按照預(yù)先設(shè)定好的程序逐層累積形成所需的模型。常用生物材料：陶瓷、金屬和聚酰胺等。醫(yī)學(xué)應(yīng)用范圍：藥物輸送和組織工程。

5. 擠壓成型生物打印技術(shù)（EBB）
工作原理類似傳統(tǒng)意義上的3D打印技術(shù)FDM，將生物“墨水”（Bioink：模擬生物內(nèi)在環(huán)境的材料，起支撐細(xì)胞的作用）利用機(jī)動(dòng)或氣動(dòng)的方式產(chǎn)生壓強(qiáng)，將“墨水”從針頭擠出來。常用生物材料：膠原蛋白、透明質(zhì)酸、海藻酸鹽、PEG、明膠和殼聚糖等。醫(yī)學(xué)應(yīng)用范圍：主動(dòng)脈瓣、神經(jīng)組織、肌肉組織、骨頭和植入物等。

臨床上用于3D打印的生物材料

1、天然聚合物
常用的天然聚合物是藻酸鹽、明膠、膠原蛋白、殼聚糖和透明質(zhì)酸等。具有良好的生物相容性，可以容納液體，并且可以輕松溶解在不同的溶劑中，例如磷酸鹽緩沖液和細(xì)胞培養(yǎng)溶液，從而使它們對(duì)組織更加友好。由于這些特性，可以以逐層的方式打印它，生成一個(gè)模型，如果放置在穩(wěn)定的環(huán)境中，該模型將模仿自然器官。除此之外，當(dāng)提供受控環(huán)境（例如常溫、充足的水和適當(dāng)?shù)纳�長(zhǎng)培養(yǎng)基）時(shí)，它們可以模仿細(xì)胞或組織，經(jīng)歷增殖、成熟和分化，并與周圍組織結(jié)構(gòu)相適應(yīng)。

2、金屬和合金
用干3D打印的金屬粉未材料主要有不銹鋼、鈦合金、鈷鉻合金、鉬鈦合金、鈷鉻鉬合金等，較成熟的3D金屬打印技術(shù)主要有選區(qū)激光熔化、電子束選區(qū)熔化和激光近凈成形等。金屬多用于人體植入物、抗感染、癌癥治療、醫(yī)學(xué)成像、藥物輸送、骨組織工程和生物傳感器等方面，在滿足人體安全性的前提下，還需滿足抗腐蝕性、力學(xué)性能、生物功能性、生物相容性等要求，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的發(fā)展前景。

3、光敏樹脂
光敏樹脂主要利用SLA技術(shù)合成，目前還存在很多問題。光敏樹脂由光引、預(yù)聚物)單體及少量添加劑等組成。具有耐腐蝕、光潔度高、打印精度高、成型速度快、尺寸可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。目前主要用于醫(yī)學(xué)模型的鑄造,便于臨床手術(shù)和教學(xué)等。

4、 生物塑料
3D打印生物塑料主要有聚乳酸、聚(乙二醇)二丙烯酸酯和聚己內(nèi)脂等。生物材料具有良好的生物可降解性、生物相容性，普遍用來打印生物工程支架,如心臟支架、骨支架等。

5、高分子凝膠
纖維素、蛋白胨、海藻酸鈉、聚丙烯酸等都是高分子凝膠。高分子凝膠具有更好的生物相容性以及與人體軟組織相仿的力學(xué)性能，用于生物工程支架時(shí)，能促進(jìn)細(xì)胞黏附和生長(zhǎng),生物降解性好，也可用于藥物的可控釋放。

6、生物陶瓷材料
羥基磷灰石（HA）和磷酸鈣（CaPs）、氧化鋯和氧化鋁均為生物陶瓷材料。3D打印多孔陶瓷有利于滿足患者對(duì)輕量化、多功能材料的需求。其中HA與骨骼和牙齒的無(wú)機(jī)成分相似，具有良好的生物相容性、骨傳導(dǎo)、骨誘導(dǎo)、可降解性。常用于骨缺損修復(fù)，是應(yīng)用最廣泛的人工骨替代材料。

生物材料3D打印在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用

近年來，醫(yī)學(xué)方面的3D打印技術(shù)發(fā)展主要為：診斷與手術(shù)規(guī)劃、個(gè)性化體外模型制造、個(gè)性化植入體制造、再生醫(yī)學(xué)、個(gè)性化藥物緩釋裝置和腫瘤治療等。下面列舉幾個(gè)常用3D打印技術(shù)的科室：

1.牙科
在牙科中利用3D打印可以根據(jù)每位患者的需求和形態(tài)創(chuàng)建所需產(chǎn)品。例如，基于口內(nèi)掃描數(shù)字化模型和光固化成型３Ｄ打印技術(shù)制作的樹脂模型，用作齒科正畸、齒科種植與修復(fù)和義齒制作等。具有良好的生物相容性，合適的機(jī)械性能、可降解性及孔隙率的生物材料利用3D打印技術(shù)還可用作牙周組織再生。

2.心血管科
3D生物打印能夠均勻分散細(xì)胞以匹配天然組織的密度，可以用來構(gòu)建心臟組織。其中利用鈣離子交聯(lián)聚合物可以形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，其具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，足以滿足生物打印過程，研究發(fā)現(xiàn)3D打印的構(gòu)建體支持內(nèi)皮細(xì)胞和干細(xì)胞的增殖，從而形成具有機(jī)械性和生物性的可灌注血管。除上面所述，3D打印還可制作心臟貼片、心血管支架和冠狀動(dòng)脈等。

3.骨科
作為植入式醫(yī)療器械，骨科智能植入物在疾病的診斷和治療中發(fā)揮著重要作用。目前最新研究發(fā)現(xiàn)，3D打印的智能骨科植入物可進(jìn)行骨愈合評(píng)估、膝關(guān)節(jié)受力分析、脊柱融合監(jiān)測(cè)、髖關(guān)節(jié)假體松動(dòng)監(jiān)測(cè)等功能。除此之外3D打印在骨科中最常見的應(yīng)用是個(gè)體化定制植入、仿真模型重建、設(shè)計(jì)3D打印導(dǎo)板和骨科手術(shù)輔助材料的打印等。

4.眼科
3D打印技術(shù)憑借其獨(dú)特的制造精密設(shè)備的能力，已經(jīng)被用于制造眼球模型。3D打印的模型與Navarro的模型相比，在眼球前房深度和總軸長(zhǎng)度的計(jì)算上顯示出了更高的準(zhǔn)確性。除此之外，利用3D打印定制化的人工晶體可以提供更好的視覺效果和舒適度。

5.其他
3D生物打印技術(shù)為構(gòu)建三維組織器官模型提供了令人興奮的前景，因?yàn)樗�使�?fù)雜活體組織的再生性、自動(dòng)化生產(chǎn)成為可能。同時(shí)生物打印的組織器官模型對(duì)某些疾病的治療、新型藥物篩選或毒性預(yù)測(cè)也有很大的作用。3D打印技術(shù)可以幫助醫(yī)療模型的建立，例如各個(gè)器官以及腫瘤模型。除此之外，3D打印在婦科中可以構(gòu)建宮頸癌模型，進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃，顯示腫瘤形狀以及腫瘤與周圍組織的解剖關(guān)系。

總   結(jié)
在大數(shù)據(jù)、信息化和智能化的背景下，生物材料3D打印具有個(gè)性化、精準(zhǔn)化生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，越來越受到重視。生物材料3D打印研究已經(jīng)在醫(yī)療與手術(shù)設(shè)計(jì)模型、手術(shù)導(dǎo)板、體外醫(yī)療器械，及非降解永久植入物等方面取得重要進(jìn)展，并已經(jīng)開展臨床應(yīng)用。但是，由于3D打印機(jī)的局限，目前合適的3D打印生物材料有限，質(zhì)量也有待于進(jìn)一步提高。因此，3D打印生物材料問題的解決才能助力生物材料3D打印技術(shù)的臨床應(yīng)用，從而造福人類。