3D打印技术在医学中的应用

1、xxx,xxxx,xxxxxx,2020/1/7,3D,打印在生物中的应用,定义,技术前景,应用,发展方向,2020/1/7,3D,生物打印技术的定义,3D,生物打印是以计算机三维模型为基础，通过,软件分层离散和数控成型的方法，定位装配生物材料或,活细胞，制造医疗辅具、人工植入支架、组织器官等生,物医学产品的,3D,打印技术,3D,生物打印是目前,3D,打印技,术研究最前沿的领域,2020/1/7,3D,生物打印技术的前景,2012,年，全球,3D,打印市场规模达,28.2,亿美元,20102012,年进入快速发展期，三年复合增速达,27,Wohlers Associates,预,测，未来几年

2、，该市场仍会保持近,20,的增长，到,2021,年，行业规,模或达,108,亿美元，为目前的,5,倍,2020/1/7,3D,生物打印技术的前景,3D,生物打印发展空间巨大源于三方面的原因,全球医疗领域的开支巨大，为,3D,打印技术提供了潜在的发展空间,现今社会的存在一种健康危机，就是器官短缺。随着医学的,不断进步，我们的寿命较以前有了很大的延长。问题是，我们活的越久,我们身体器官就越容易失灵，而当前，我们没有足够的器官来替换。有,数据表明，在过去十年里，需要移植器官的病人增加了一倍，但是，器,官移植手术并没有增加,2020/1/7,3D,生物打印技术的前景,3D,打印技术以其快捷、准确性见长

3、，以其个性化制造能力与病体,需求的差异性充分结合，在人工假体、人工组织器官的制造方面,产生巨大的推动效应,我们知道,3D,打印”是通俗的叫法，学术名称为“快速原型,制造,Rapid Prototyping&Manufacturing,它利用现代计算机,技术，采用材料累加新成型原理，直接由,CAD,等数据打印自称三维,实体模型,由于人体器官存在很大的差异性，不适合采用常规的模,具来制作人工假肢等器官。这时,3D,打印技术就显现出它的个性化,能力了，我们只需要改变数据，就可以完成器官的制造,2020/1/7,3D,生物打印技术的前景,相对其他领域来说,3D,打印在医疗行业的应用更具有经济性,3D,

4、生物打印的器官是用来替换失效的器官的，对此我们毫无,选择的余地。特别在现在这种情况下，需要移植器官的病人远远比,器官多时，其经济效益更是居高不下。当然，当,3D,生物打印技术成,熟以后，那时我们移植器官的代价应该不会像现在那么高昂,2020/1/7,3D,生物打印技术的应用,3D,细胞打印主要有三方面的具体应用,作为医学实验的研究工具。细胞打印的产品包括组织和器官,两类，细胞准确定位和培养之后，形成的结构具备生物特性，可,以作为很好的医学研究工具,构建和修复组织器官。细胞打印成型组织和器官可以根据病体,的需要进行器官移植和修复,2020/1/7,3D,生物打印技术的应用,现阶段，一些皮肤、脂肪

5、组织可以打印并用于修复。打印移植器官还,在研究中，最有希望率先突破的领域可能在人工肝脏方面,做药物研发领域的药物筛选的模型。细胞打印成型组织和器官,可以用来进行药物筛选的试验，弥补现阶段蛋白筛选直接到动物,体筛选的技术缺失，提高药物筛选的效率和新药的研发速度,2020/1/7,3D,生物打印技术的应用,康奈尔大学机械工程与计算机科学技术教授胡迪,利普森在,2013,年出版的,3D,打印：从想象到现实一书中，提出了一个,3D,打印生命阶梯,的概念。胡迪,利普森认为,把身体各部位根据复,杂性排列成一个很高的阶梯。无生命的假肢会位于阶梯的底层；中,层将是简单的活性组织，如骨与软骨；简单组织之上将会是

6、静脉和,皮肤；最靠近阶梯顶层的将是复杂且关键的器官，如心脏、肝脏和,大脑；生命阶梯的顶层将是完整的生命单位也许有一天将会是具,备完整功能的人造生命形式,如今,3D,打印技术已经实现所构想的,阶梯的底层，我们正在探索中间级并梦想着有一天可以到达最高级,2020/1/7,3D,生物打印技术的应用,当前，第一波,3D,打印身体部位的商用浪潮已经出现,3D,打,印的假肢、牙冠、隐形眼镜与助听器等无生命修复形式已经存在于,世界各地成千上万人的体内,2020/1/7,3D,生物打印技术的应用,3D,打印牙齿、助听器以及矫正器的过程都很相似,先对身体,出现问题的部位进行扫描，再将扫描数据发送到一个特殊实验室

7、,在那里这些数据被调整为可行性设计文件，最后，按照设计文件用,软橡胶、坚硬而有光泽的陶瓷或者柔软而有弹性的透明塑料进行,3D,打印,目前,3D,打印身体部位采用单一的材料，如金属、陶瓷或塑,料。它们可自定义形状、可小批量生产，这些特征使它们成为,3D,打,印的完美对象,2020/1/7,3D,生物打印技术的应用,随着技术的发展，组织工程支架和植入物的,3D,打印也日趋成,熟。首先借助,CT,ECT,技术获取人体模型器官模型，通过,3D,技术处,理：包括,3D,模型的建立，然后对不同材料、部位进行建模。最后指,导,3D,打印设备喷射生物相容性材料，形成所需要的结构,3D,打印在,构建植入物的微观

8、结构方面相对传统工艺有很明显的优势。在美国,仅骨移植修复材料的市场空间就达,200,亿美元。此外，一些血管支,架等领域的应用也在逐渐发展,世界上首例由,3D,打印技术制作的人工下颌骨移植手术于,2011,年,6,月在荷兰进行，接受移植的病人是名患有骨髓炎的,83,岁女,性。术后她的恢复状况良好，新的下颌骨并未影响她的语言表达和,进食能力,2020/1/7,3D,生物打印技术的应用,2020/1/7,3D,生物打印技术的应用,2013,年上半年，普林斯顿大学的研究人员成功的打印出,具有功能性的仿生耳朵，造价,1000,美元（约合人民币,6000,元）。研,究人员表示，他们所创造出的仿生学耳朵在能

9、力上要远远超过正常,人的听觉，甚至可以听到无线电的频率，因为这个耳朵的组织是与,电子技术结合在培养皿中生长,科学家们选择的打印材料为水凝胶，接着用,3D,打印机打,印出仿生耳朵，然后将从小牛身上获取的细胞注入水凝胶中，接着,加入一种含有纳米银粒子的聚合物，这种聚合物可以传播无线射频,信号。最后将小牛细胞成长为软骨组织，并围绕一个线圈天线变硬,这样，一个仿生学耳朵就诞生了,2020/1/7,3D,生物打印技术的应用,2020/1/7,3D,生物打印技术的应用,器官短缺已经成为一个全球性的难题。长久以来，医疗行业,投入了大量的资源进行研究以期解决移植器官不足的难题。而近期,3D,打印肝脏,3D,打

10、印肾脏等医疗领域取得的突破，正让整个医疗行,业兴奋不已。生物器官的打印材料是组成器官的细胞，从打印头里,出来的不是无生命的物质，而是活细胞,3D,细胞打印是利用一层层的生物构造块，去制造真正的活体,组织。这种,3D,生物打印机有两个打印头，一个放置最多达,8,万个人,体细胞，被称为“生物墨”；另一个可打印“生物纸”。所谓生物,纸的主要成分是水凝胶，可用作细胞生长的支架。这种机器首先,打印”器官或动脉的,3D,模型，接着将一层细胞置于另一层细胞之,上。打印完一圈“生物墨”细胞以后，接着打印一张“生物纸”凝,胶,2020/1/7,3D,生物打印技术的应用,不断重复这一过程，直至打印完成新器官。随后

11、，自然生成的细,胞开始重新组织、熔合，形成新的血管。每个血管大约需要一小时,形成，而熔合在一起需要数天时间,2020/1/7,3D,生物打印技术的应用,3D,打印再造人体器官的基本“生物墨”人体细胞制备,的理论近年也有重大突破,2012,年英国科学家约翰,戈登和日本科,学家山中伸弥获得诺贝尔生理和医学奖揭，获奖理由为“发现成熟,细胞可被重编程变为多能性,2014,年,1,月,30,日,Nature,杂志披露,日本理化研究所小保方晴子团队将细胞暴露于弱酸性环境中，即可,将其转化为干细胞。平均有,25,的细胞在酸性条件下存活，而其中,的,30,则转化为多能细胞较之前山中伸弥仅,1,的转化率高出许,

12、多。随着干细胞诱导分化成特定功能细胞（例如肝细胞、胰岛细胞,等）技术的逐渐完善,3D,打印再造人体器官的基本“生物墨”距离,最终解决并不遥远,2020/1/7,3D,生物打印技术的应用,2020/1/7,3D,生物打印技术的应用,现阶段，一些皮肤、脂肪组织可以打印并用于修复。打印移,植器官还在研究中，最有希望率先突破的领域可能在人工肝脏方面,目前,3D,细胞打印还处于实验室阶段，距离商用还有很长的路要,走。而且面临着形成组织的强度不够、培育组织的存活问题以及缺,乏电脑化的工具等一系列难题,当前,3D,生物打印领域的先驱是美国的,Organovo,公司,Organovo,公司成立,7,年来，在,

13、3D,生物打印领域取得了一系列引人瞩,目的突破，包括：打印第一个全细胞工程人体动脉；使用来自脂肪,组织的干细胞制造动脉；首次将生物打印的组织植入活体（动物,体内,3D,打印具有全部生物活性和功能的人体肝脏组织并保存了,40,天,2020/1/7,3D,生物打印技术的应用,在,Organovo,公司打印,3D,迷你肝脏的过程中,3D,打印机逐层,打印肝脏细胞和血管内壁细胞，一共打印了大约,20,层。血管内壁细,胞负责为肝细胞提供营养和氧。他们打印的迷你肝脏能够产生清蛋,白、胆固醇和解毒酶细胞色素,P450,代谢肝脏内的药物。迷你,肝脏结合了肝实质细胞和星状细胞层，所拥有的结构和功能对医学,研究具

14、有重要意义。迷你肝脏可以被疾病侵袭，允许研究人员观察,整个病变过程，也可以施以药物，用以了解药物疗效,2020/1/7,3D,生物打印技术的应用,2020/1/7,3D,生物打印技术的应用,Organovo,公司的科学家利用,3D,打印机打印出迷你肝脏,深,0.5,毫米，宽,4,毫米，拥有很多与真正肝脏一样的功能,2020/1/7,3D,生物打印技术的应用,心脏的,3D,生物打印也取得了很大的进展，它首先培育心脏,的活细胞，然后通过打印头按照设计好的模型逐层打印。虽然打印,出来的心脏只具备一部分心脏的功能，但对我们来说是一个很大的,进步,在网易公开课中，有一个名叫“如何,打印,出人类的肾脏,的演讲，是外科医生安东尼阿特拉展示如何用三维细胞打印机打,印出人类肾脏的视频。由于视频较长，有兴趣的同学可以自己上网,搜索,下面是视频的一个截屏,2020/1/7,3D,生物打印技术的应用,2020/1/7,3D,生物打印技术的发展,现今,3D,打印还处于初级阶段，应用最多