探索3D打印醫(yī)療應用的前景廣闊的前沿！

在技​​術進步和醫(yī)療保健創(chuàng)新交叉的時代， 3D 打印醫(yī)療應用領域站在變革浪潮的最前沿。2024 年最受期待的進步領域包括定制設計的植入物和假肢、先進的藥物輸送系統(tǒng)、患者特定解剖結構的 3D 打印模型、生物可吸收設備和可穿戴傳感器。



未來十年不可預見的突破的潛力正在上升，有望進一步擴展增材制造技術在醫(yī)療保健領域的功能和應用。隨著該行業(yè)應對人口老齡化、醫(yī)療成本上升以及個性化治療需求等挑戰(zhàn)，3D 打印作為一股創(chuàng)新力量脫穎而出。如今，3D 打印超越了最初在醫(yī)療保健實踐中的新穎性，提供了有可能擴大患者護理范圍的應用。盡管這一領域的擴張令人矚目，但也并非沒有挑戰(zhàn)，例如監(jiān)管障礙、技術限制和道德爭論。然而，醫(yī)療進步和改善患者治療效果的持續(xù)推動增強了 3D 打印的發(fā)展勢頭。

本文深入介紹了3D打印醫(yī)療應用中的三項創(chuàng)新，這些創(chuàng)新可能會在本十年為患者帶來翻天覆地的變化，為醫(yī)學科學的新篇章鋪平道路：

3D 打印微型機器人
就微創(chuàng)手術而言，3D 打印微型機器人是一項強大的創(chuàng)新。蘇黎世聯邦理工學院的 Brad Nelson 是這一革命性領域的帶頭人，他是一位機器人和智能系統(tǒng)領域的資深人士，在《Science》上于2023 年 12 月發(fā)表的一篇論文中闡明了自己長達二十年的歷程。他的微型機器人有可能重新定義人體內藥物的輸送，高精度進行治療。這些微型機器人的尺寸從微米到幾毫米不等，可由合成、生物或生物混合材料組成，可以導航到疾病部位，例如腫瘤或血栓，能夠直接釋放藥物，減少通常與藥物治療相關的全身毒性。Nelson表示生物醫(yī)學微型機器人可以克服當前靶向治療的挑戰(zhàn)。


△3D 打印元機器人能夠自行移動、感知和做出決策。

然而，這項開創(chuàng)性工作并不是孤立的。世界各地的其他機構正在為這一領域做出貢獻。例如，塔夫茨大學和哈佛大學 Wyss 研究所正在研究能夠自主移動和刺激神經元生長的 3D 打印微型機器人。加州大學伯克利分校和約翰霍普金斯大學也在各自探索醫(yī)學中的微型機器人。首爾國立大學在能夠導航體液的微型機器人方面的工作強調了國際合作努力徹底改變微創(chuàng)手術中的這一利基市場。

Nelson指出，當將微型機器人從實驗室轉移到診所時，要注意簡單化。韓國研究人員證明 3D 打印微型機器人能夠在血管中自主導航并在豬身上執(zhí)行外科手術任務，之后醫(yī)療微型機器人領域在臨床前環(huán)境中取得了進展。這一進展發(fā)表在IEEE 機器人與自動化快報上，解決了治療閉塞性血管疾病（主要死亡原因）方面的挑戰(zhàn)。

然而，盡管取得了這些有希望的進展，但技術和監(jiān)管方面的挑戰(zhàn)仍然阻礙著其廣泛臨床應用。作為醫(yī)療設備和藥物輸送系統(tǒng)，微型機器人面臨著獨特的監(jiān)管環(huán)境，需要進一步研究以滿足美國食品和藥物管理局(FDA) 和其他機構的標準，這主要是由于其新穎的藥物設備組合性質。

神經關聯
目前神經 3D 打印生物電子接口的研究顯示出明顯的進展，特別是在開發(fā)神經系統(tǒng)植入物方面。生物電子接口被設計為設備，將電子系統(tǒng)與生物功能聯系起來，從而彌合了技術與人體之間的差距。來自牛津大學和謝菲爾德大學的團隊在這一領域處于領先地位。牛津大學的團隊已成功 3D 打印人類干細胞，以創(chuàng)建與小鼠腦組織整合的組織結構。這表明它具有修復腦損傷和增強對人類大腦的理解的潛力。



相反，謝菲爾德的團隊專注于在動物模型中定制用于脊髓刺激的植入物，這表明未來可能應用于治療癱瘓。這些進展主要處于臨床前階段，是朝著更加個性化和有效的神經系統(tǒng)疾病治療邁出的一步。然而，從實驗室到臨床應用的轉變仍在進行中，我們正在不斷努力完善這些技術以供人類患者實際使用。

這種技術創(chuàng)新的另一個具體例子在英國蘭卡斯特大學進行的工作中很明顯。研究人員在約翰·哈迪的指導下開發(fā)了一種先進的 3D 打印方法，將柔性電子器件集成到生物相容性材料中。該項目發(fā)表在《先進材料技術》雜志上，代表著制造用于外科植入物和醫(yī)療設備維修的復雜 3D 電子產品的飛躍，團隊成功地將電路嵌入硅基柔性基質中，并將其連接到小鼠大腦切片上以刺激神經元反應。研究人員甚至將其擴展到將導電結構直接打印到蠕蟲體內，證明其與活體有機體的兼容性。

蘭卡斯特大學的開創(chuàng)性工作為創(chuàng)建用于神經監(jiān)測和個性化醫(yī)療的定制生物電子設備開辟了新途徑。這預示著醫(yī)學生物電子接口的廣闊前景。

心臟病治療
心臟病是全球死亡的主要原因之一，得益于生物工程中的 3D 打印技術，心臟病可以得到變革性的治療。定制 3D 打印心臟瓣膜處于這場革命的前沿。這項創(chuàng)新為超過 3000 萬患有瓣膜性心臟病的患者帶來了希望，代表著在解決當今時代一些最緊迫的健康挑戰(zhàn)方面邁出了重大一步。盡管3D 打印心臟瓣膜尚未獲得 FDA 批準，并且其臨床應用正處于開發(fā)階段，但其潛力是巨大的。

僅在美國每年進行的瓣膜置換手術就超過 182,000 例，到2026年，美國心臟瓣膜置換手術數量將超過24萬例。3D 打印瓣膜根據個體患者的解剖結構量身定制，可以改善手術結果并減少未來手術的需要，尤其是對于兒科患者。

目前的心臟瓣膜通常是具有嚴重局限性的永久性裝置。在快速生長的兒科患者中，它們就會變得太小，這增加了更換的需求。盡管 3D 打印心臟瓣膜已經存在，并且生物可吸收材料已用于植入物，但兩者尚未結合起來。

佐治亞理工學院的研究人員率先開發(fā)了針對患者的生物可吸收心臟瓣膜，旨在減少并發(fā)癥和再次干預。與永久性裝置不同，這些 3D 打印瓣膜的設計目的是隨著時間的推移被身體組織吸收和替換。這項技術對兒童特別有益，因為瓣膜可以隨著患者的適應和成長而變化，從而可能減少多次手術的需要。瓣膜采用聚合物和金屬材料的組合制成，每種材料都經過選擇以匹配患者組織的特定機械行為。設計過程需要詳細考慮患者的解剖結構、年齡、病情和所需的輸送機制。


△原型的迭代（左）。通過脈沖復制器可以看到瓣膜在生理主動脈血流條件下關閉（中）和打開（右）。

除了功能優(yōu)勢之外，制造商還可以在表面水平定制這些瓣膜，以增強與周圍組織的整合并促進細胞生長。加拿大圣賈斯汀醫(yī)院的研究人員正在探索在這些瓣膜中使用水凝膠和患者來源的干細胞，以創(chuàng)建一種完全個性化的解決方案，不易發(fā)生排斥反應。這種“個性化醫(yī)療”方法可能會徹底改變各種心血管疾病和病癥的治療。

3D 打印心臟瓣膜仍處于實驗階段，正在進行的動物研究和人體試驗預計將在大約十年內開始。這一突破可以顯著改善全球數百萬心臟病患者的生活質量和治療結果。根據患者個體的解剖結構和狀況定制這些瓣膜的能力提高了手術的成功率。它為治療多種心血管疾病（包括先天性心臟缺陷和瓣膜狹窄）開辟了新的可能性。


△加拿大圣賈斯汀醫(yī)院的研究人員生產 3D 打印心臟瓣膜

總之，3D 打印醫(yī)療應用的這一進展說明了 3D 打印在醫(yī)學領域的潛力以及跨大陸和研究機構的協(xié)作和動態(tài)研究性質，預示著醫(yī)療和患者護理的新時代。