汇总！聚焦3D打印全新技术，开辟个性化医疗
2017-02-26 MedSci MedSci原创
从上世纪90年代开始到现在的30年里，3D打印从开始运用于汽车和航天等制造业，到近几年应用于医疗行业，打印出组织器官，并且协助完成手术，3D打印可谓改变了生产观念。在医疗行业，3D打印人造肝脏组织、3D打印人造耳、3D打印牙冠等出现在人们的视野里，3D打印为器官移植提供了多一种可能，给医疗行业带来了新的希望。本文中梅斯医学小编就3D打印的现状及进展做以整理，与大家分享交流。【1】ACS Bio
从上世纪90年代开始到现在的30年里，3D打印从开始运用于汽车和航天等制造业，到近几年应用于医疗行业，打印出组织器官，并且协助完成手术，3D打印可谓改变了生产观念。在医疗行业，3D打印人造肝脏组织、3D打印人造耳、3D打印牙冠等出现在人们的视野里，3D打印为器官移植提供了多一种可能，给医疗行业带来了新的希望。
本文中梅斯医学小编就3D打印的现状及进展做以整理，与大家分享交流。
团队(注：浙江大学贺永教授团队)经过两年多的研究探索，提出了一种血管3D打印工艺，该工艺能实现宏微跨尺度血管结构的打印，宏观流道可用于各种机械力的加载，微观通道可用于营养输送以及化学物质的加载。本血管打印模型可以集成在器官芯片上，可应用于药物筛选、细胞共培养、细胞力学等领域，本研究受到国家基金重点项目、国家优秀青年基金、浙江省杰出青年基金项目资助。
基于生物打印的方法在体外构建血管结构一直是组织工程领域的研究热点，常见的方法主要包括：直接打印管状结构和在凝胶结构中构建流道网络，虽然这些方法制造出的血管模型在一定程度上可以模拟真实血管的功能，但是它们无法同时满足化学加载和力学加载的要求，故无法用于体外模拟血管环境平台的搭建，进而难以用于血管类疾病机理的研究。
我们提出了一种全新的血管打印方法，其特点是能实现宏微跨尺度流道的同时成形。通过课题组自行研发的血管打印机，利用同轴喷头制造出中空凝胶纤维，装载成纤维细胞和平滑肌细胞的凝胶纤维可控沉积在三维打印平台中的旋转模板上，内皮细胞种在中空凝胶纤维融合后形成的宏观通道内。课题组通过大量的工艺实验，系统解决了跨尺度血管结构的成型问题；通过流体流动实验演示了多尺度流道的用处；并通过后续的三层细胞培养实验展示了在组织工程应用中的可能性。
2月15日，Nature子刊《Nature Biotechnology》在线发表一篇文章，揭示了一种最新的3D打印技术——Integrated Tissue and Organ Printing (ITOP) 。通过使用新型生物材料，该打印技术能够构建出结构稳定且具备功能的人耳器官、骨骼和肌肉组织，更重要的是这些组织器官融入微通道，能够维持其继续生长形成血管、软骨等系统，从而发挥功能。
ITOP技术由来自于维克森林大学浸信医学中心（WFUBMC）再生医学系主任Anthony Atala研究团队历经十年之久研发而成。
这一试验结果表明，通过结合生物学原理融入微通道，能够为细胞提供各必需营养物质，支持细胞和组织的生长和功能。这些微通道为打印组织的血管、神经系统形成提供了可能。
研究人员使用ITOP系统和人类干细胞构建下颌骨碎片，用于人面部重建和修复。试验中，研究人员将下颌骨碎片移植至老鼠身上。5个月后，这些骨头碎片已经形成血管。
此外，研究人员也成功构建出肌肉组织，并植入老鼠模型。这类新技术构建的组织、器官都能够生成血管、神经系统 在2周内，且其本身形状并不改变。
佐治亚理工制造研究所的一组研究人员正在开发患者心脏瓣膜的3D打印复制品，可以救助患有心脏病的患者。
基于CT扫描成像，工程师现在可以3D打印单个患者的心脏瓣膜的精确复制品。这些定制的模型与患者的心脏瓣膜的尺寸和比例匹配，更重要的是，它们还具有生理质感。它的出现将会把很多人从鬼门关带回来。
3D打印被应用在很多领域，佐治亚理工学院倡议首先将其运用于此类情况：主动脉狭窄导致左心室收缩，迫使心脏过度工作。主动脉瓣狭窄通常出现在老年患者身上，并且随着人口老龄化而变得越来越普遍。如果不治疗，可能导致严重的并发症，甚至心力衰竭。而治疗的条件很难达到，除了开心手术，医生可以进行导管主动脉瓣置换术（TAVR），使用导管来用假体置换患者的受损的瓣膜。假体瓣膜很容易得到，但是想让假体与患者的心脏瓣膜匹配非常困难。一个完美的假体至关重要，以防止血液泄漏到植入物周围。
乔治亚理工学院研究员Kan Wang和Piedmont心脏研究所的Zhen Qian研究了一个3D打印的心脏瓣膜，多材料3D打印机建模让研究人员能够根据个别患者的需要调整设计参数，做出于原始心脏瓣膜几乎无异的复制品。
“研究结果令人震惊，”项目合作伙伴Piedmont心脏研究所的Zhen Qian说，“我们可以预知手术之前有多少瓣周漏将会发生，以及在哪里发生。”
目前为止，Georgia Tech团队已经3D打印了二十多个心脏瓣膜模型，都来源于实际的患者成像。
Chuck Zhang正在实验将传感器嵌在3D模型瓣膜的壁上，这样就能监测手术。“这些模型有很大的用处，”他说，“未来，这可能是手术前规划和培训新外科医生的工具。”
近日，在3D打印技术的帮助下，阿联酋医生成功地为一名42岁的女性去除了她肾脏里的恶性肿瘤。
在一个透明的定制化3D打印肾脏模型的帮助下，一群迪拜医生成功地去除了一个肾脏肿瘤。这个3D打印模型不仅帮助医生们在术前详细地计划手术，还让他们将整个手术时间缩短了一小时。
患者是一名居住在阿联酋的42岁巴勒斯坦妇女，在经历了剧烈的腹部疼痛后，她找到了医疗专业人员。经过多次测试，医生发现她的疼痛和不适是由她肾脏里的一个肿瘤引起的。据天工社了解，为了进行治疗，她被转送到由迪拜卫生局（DHA）经营的迪拜医院（Dubai Hospital）。
肿瘤长四厘米，长在肾动脉旁边。这样的大小和位置迫使医生决定是去除整个肾脏更好还是有可能仅去除肿瘤。最终，他们确定，如果有一个详细的3D打印手术模型，那么他们就有机会保住肾脏。
Saeedi博士解释说：“在3D打印手术模型的帮助下，我们确切地知道如何接近和去除肿瘤。因此，整个手术只花了三小时，比以前少一小时，而去除肿瘤本身只花了28分钟。”手术在上周三进行，术后，患者恢复良好，预计随时可以出院。
将3D打印技术用于手术和其他医疗目的是我们未来的发展方向。目前，正在为迪拜医疗领域里的3D打印制定法规......我们也在计划培训医生和医疗专业人员来使用这项技术
2016年10月17日，北京大学第三医院骨科主任刘忠军教授收治了一位4节颈椎被恶性肿瘤侵犯的重症患者。刘教授团队给患者实施了全世界首例4节颈椎切除手术，并给患者安装上全世界首个大跨度3D打印人工颈椎。
刘忠军教授团队切除了癌症患者受肿瘤侵犯的四节颈椎后，给患者安装的，就是不具备再生功能的3D打印人体植入物。这是世界首例四节颈椎切除手术，也是全世界首次用如此大跨度的3D打印内植物修复颈椎。做这么大跨度的颈椎切除，如果没有3D打印技术，我们现在是找不到合适的固定器械了。
在3D打印领域已经潜心研究5年的刘忠军教授团队，已经自主研发了一套3D打印椎体的方法，并在动物实验中取得良好的效果。于是，刘忠军教授和他的团队决定尝试使用3D打印微孔钛合金枢椎代替缺损的椎骨。2014年7月底，刘忠军教授成功给患者植入世界首个定制化3D打印枢椎椎体。
近日，瑞典乌普萨拉大学的研究人员发明了一种成本低廉、易于组装的活细胞成像设备。该设备由一部智能手机、几个3D打印部件、一些现成的电子器件和一台标准的倒置显微镜组成。
“我们的目标是让发展中国家的实验室拥有细胞实时成像技术，这个项目告诉大家3D打印将如何改变世界各地的科学家的工作方式。在资金有限的情况下，3D打印为研究人员使用曾经非常昂贵的研究方法提供了可能性，”乌普萨拉大学医学细胞生物学系的高级讲师Johan Kreuger解释说。
对于研究细胞如何对不同的刺激进行反应而言，能够进行细胞的实时成像至关重要。细胞的记录视频同样重要，相比所能获得的静态图像，视频能提供更多更详细的信息，研究人员借此也能在一段更长的时间内研究细胞行为。
这项研究发表在《PLOS ONE》期刊上，其中涉及到升级旧有的标准倒置显微镜，大多数大学和医院都配备有多台这种显微镜。据了解，升级所需要的设备包括一些3D打印组件、能在商店购买到的电子器件和一部智能手机。研究结果表明，升级后的系统提供了良好的细胞培养条件，并且能对真实的活细胞进行高分辨率的成像。
中国科学院上海硅酸盐研究所研究员吴成铁与常江带领的研究团队提出构建兼具肿瘤治疗和组织再生双功能特性的3D打印组织工程支架，近期取得系列进展。
该团队采用3D打印和原位生长相结合的方式，制备了有序大孔结构生物陶瓷的支架，并在支架表面原位生长二硫化钼纳米片（图1），赋予支架在近红外照射下迅速升温的特性。这种制备方式不仅使得二硫化钼纳米片非常稳定地依附在陶瓷支架的外层，而且可以对支架的光热性能和成骨活性进行有效调控。将支架植入肿瘤部位，结合近红外光照射进行治疗，有效抑制了肿瘤的生长，而其他对照组的肿瘤生长不受抑制。同时，体内骨修复实验表明这种复合支架保持了生物陶瓷支架原有的优良成骨活性，且证实短暂的激光照射不会影响长期的新骨再生（图2），在骨肿瘤的治疗与修复中表现出巨大的应用潜力。目前该研究成果被自然出版集团的期刊《亚洲材料》（NPG Asia Materials， AM2016556R）接收，第一作者为在读博士生王小成。
该团队利用多巴胺原位聚合与3D打印生物支架表面矿化的特点，在3D打印的Ca-P-Si生物陶瓷支架表面上诱导出一层自均匀组装的聚多巴胺/Ca-P纳米层（图3），使其兼具光热抗肿瘤的疗效及修复大块骨缺损的能力。诱导后的支架表面粗糙度及亲水性的提高，以及纳米层中含有的OH、NH2-生物活性基团能够促进骨间充质干细胞粘附和增殖。其次，诱导出的纳米层能够促进Ca-P矿化，有利于营养物质的吸附，进而促进骨间充质干细胞的分化及体内成骨。同时，诱导后的支架在808nm近红外光照射下，能实现快速升温，进而利用其良好的光热效果，能有效杀死肿瘤细胞，抑制裸鼠体内肿瘤生长。该成果已经申请专利一项，相关研究成果发表在《生物材料》（Biomaterials. 2016； 111： 138-148），第一作者为在读生马红石。该工作被《今日材料》（Materials Today）以新闻亮点形式报道。最近，该团队利用活性营养元素制备了超小尺度CuCoS2 纳米晶(~10 nm)，其光热转换效率能达到73%，具有非常优良的光热效应，能有效杀死肿瘤，同时因为Cu等活性元素可以促进血管化，可能是一类新型的兼具“骨修复”与“肿瘤治疗”的双功能生物活性纳米材料（Adv Funct Mater 2017 DOI： 10.1002/adfm.201606218）。
此外，该团队还与同济大学合作，探索了细胞生物打印。该团队采用酶引发聚合温和的高强度超分子-高分子复合水凝胶与干细胞进行结合，通过原位3D打印，成功实现了干细胞在酶铰链的高强度水凝胶支架中的高效存活，为干细胞原位3D打印开辟了新方法（Chem Sci 2016；7：2748-2752)。
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学习了，谢谢作者分享!
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我靠，牛逼了
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