关于3D打印与人体器官的论文

1、3D打印人体器官三维(3D)打印是当今科研界乃至商业界的一大热点，被认为是第三次工业革命或制造业的新突破点。人体器官打印已被当做概念股炒作上市，吸引了无数人的注意。但器官3D打印还处于刚刚起步阶段，需要做的工作很多。尤其是复杂器官打印面临着巨大的困难和挑战。其中最主要的一个挑战就是分支血管和神经系统的快速构建。近年来已经有大批优秀的科研工作者投入其中，内容涉及人体中各个器官，如骨骼、肾脏、肝脏、心脏、大脑，并取得了一定的成绩。人体中由多种组织构成的能行使一定或特定功能的结构单位叫做器官。器官包括眼、耳、鼻、舌等感觉器官，心、肝、肺、肾等内脏器官(又称为实体器官)，气管、肠、膀胱等中空器官，以及

2、皮肤、骨骼、肌肉等结构(或支撑)器官。器官制造是千百年来人类的一大梦想。现如今，随着社会的进步，人类生活质量的提高，由于疾病、先天畸形和交通事故等原因造成的器官缺损修复成了巨大社会需求和人体器官3D打印或制造的强大推动力1-2。据统计，我国每年约有1.5百万名患者需要接受器官移植，但其中只有不到1%的患者能够获得合适的器官3。相比于传统的无生理活性的人造器官，应用生物材料制造的器官更容易被人体接受，并最终促进病损器官的修复和再生。近年来，随着3D打印技术的日渐成熟，人们获得有别于传统工艺的新型人工器官替代物逐渐成为可能4-7。本文从复杂器官制造的角度出发，简要介绍3D打印技术在大段骨修复材料、

3、血管与血管网、人工肝脏、血管化脂肪组织几方面的最新进展。1、国内外主要趋势3D打印(3D printing)，也叫快速成形(Rapid prototyping, RP)或加式/增材制造(Additive manufacturing, AM)是20世纪80年代末兴起的一门新技术，近年来发展十分迅猛，成为当今制造业的一个热门话题。与传统组织工程等方法不同，器官3D打印技术指在计算机的精确控制下，将细胞与凝胶材料混合在一起，进行层层堆积成形。其最大优势在于复杂外形与内部微细结构的一体化制造8，可以实现针对特定患者、特定需求的各种器官的个性化生产，是传统制造技术所不可企及的。如，美国哈佛大学医学院的V

4、ACANTI教授与麻省理工学院的LANGER教授合作，将生物可降解的多孔支架应用于人体重要器官肝脏的体外构建9。研究发现，细胞在支架表面生长良好，而在支架内部分布不均匀，中心区域的细胞成活困难易形成死核。这说明用传统组织工程的方法，在高空隙化生物材料支架上种植细胞，难以实现含血管网络的以多种细胞为基础的复杂器官制造。复杂器官制造，像建一座核电站，必须借助于先进制造技术10-12。 由于遗传基因和生长环境的不同，人体器官在组成、结构、形态等方面千变万化，不可一概而论。又由于材料性能和加工技术的限制，由传统批量生产的无生物活性人工器官一般个性化程度低、生物相容性差，植入人体后会产生免疫排斥反应、长

5、期后遗症等不良反应。器官3D打印技术的出现和发展正好弥补了这些缺陷。病体器官的数字信息可以将通过核磁共振图像，X射线分层摄影、X光扫描技术轻易获取并转变为可供3D打印的计算机辅助设计模型10-12。而且可以通过患者自体生物材料(如自体细胞)修复、逆向工程，手术模拟等过程，大大降低手术风险，将患者的痛苦减小到最低程度，在器官制造，尤其是个性化复杂器官制造方面具备很强的优势13。 对于简单器官(如骨、软骨、膀胱)制造，借助单双喷头生物材料打印设备即可实现。而对于复杂器官(如心脏、肝脏、肾脏)制造，其关键问题在于如何提高快成形设备制造能力，将含多种细胞的复杂血管网络与器官功能细胞借助多喷头生物材料打

6、印设备有机整合在一起10-12。因为由多种细胞组成的具有分支结构的复杂血管网络是进行复杂器官养分和代谢产物输运的重要通道，也是现有组织工程方法很难解决的技术瓶颈问题。作为清华大学器官制造中心(原清华大学生物制造中心，2004年更名为器官制造中心)创始人和负责人，王小红教授长期致力于人体器官的3D打印技术，已取得了一系列创新性科研成果。如，利用自主研发的国内首台生物材料低温打印设备，将合成高分子与天然高分子、生长因子等低温打印成形14-17，2004年自主研发出国内第一台细胞3D打印机，确定了几乎适合所有细胞组装的通用基质材料，如明胶/纤维蛋白原, 并通过了教育部组织的成果鉴定18-19。 网格

7、状三维结构体中细胞之间建立起联系并长时间表达生物学功能20-22。其中脂肪干细胞可以被诱导成血管内皮细胞23-24。利用受控组装的大鼠脂肪干细胞和胰岛建立了能量代谢模型，用于高通量药物筛选25。该中心在开发出第一代单喷头器官打印机(细胞组装仪)的基础上又自主研发了第二代双喷头3D打印机26-27。将两种细胞与水凝胶基质材料结合，打印在空间两个不同的分隔区域，其嵌入式的分叉网络管道结构可以使营养液或血液流过非常复杂的集合结构体，是用双喷头细胞打印机对两种细胞/基质材料的三维受控组装及组装后脉动培养。该中心还深入研究了细胞组装下的冻存技术 28-30。在细胞组装基质材料中复合细胞冻存液，组装后的三

8、维结构可以在低温(80 )下长期保存。通过合成高分子材料与细胞 低温贮藏技术相结合，形成了特有的双喷头低温器官3D打印技术(Double-nozzle low-temperature deposition manufacturing, DLDM)31-33。目前，清华大学器官制造中心正致力三个以上喷头3D打印设备的开发，新系统可以将三种以上细胞同时复合到含血管系统的三维结构体中，极有益于三维结构体中各种物理、化学、生物功能的实现。这些研究在设备、工艺、材料、结构等方面对各种不同器官打印具有一定的普遍性。本文摘取其中的几个亮点，并将其和盘托出，希望能起到抛砖引玉、举一反三的作用。2、在几个主要器

9、官打印方面的进展2.1 在大段骨修复材料方面 早在1989年，ISERI等34就采用逆向工程获得了一名12岁女孩的头骨模型，将快速成形技术用于病人的诊断。由于疾病、整形等需求，有些大段骨组织修复非常棘手。临床上可以通过计算机断层扫描(Computed tomography, CT)、核磁共振成像(Magnetic resonance imaging, MRI)等技术获得缺损骨组织的三维数据模型，在计算机上重建三维图像，直观地对各种骨疾病作出正确的诊断和治疗。 采用3D打印技术制造人工骨与以往传统替代物或假肢相比有两个显著特点：一是采用可降解支架材料，使得人工骨可成为人体器官的一部分，参与代谢和

10、生长，随着支架材料在体内的自动降解，新骨生成与支架材料的降解速率相匹配35；二是所得到的人工骨不仅具有与人体骨一致的形状和力学性能，同时具有一致的功能梯度。近年来，3D打印技术在骨修复材料方面应用较多，综述性论文也较多，主要原因是骨组织结构相对比较简单36-38。如荷兰乌得勒支大学医学中心FEDOROVICH 等39利用德国Envisiontech 公司生产的生物材料打印机将高黏度海藻酸钠与骨髓基质打印成网格状三维结构并植入小鼠体中。新加坡国立大学ANG 等39用自制的3D打印设备将壳聚糖-羟基磷灰石打印成网格状骨修复材料。美国匹兹堡大学COOPER等40将骨形成蛋白2打印在无细胞DermaM

11、atrix上，用以控制颅盖骨的成形。德国SEITZ等41与Generis GmbH公司合作开发了一种3D机用于打印陶瓷类骨修复材料。F-33076法国大学和波尔多第二的GUILLEMOT等42用激光打印系统将细胞和生物材料直接打印在小鼠头颅骨缺损部位。澳大利亚斯威本科技大学KOUHI等43用熔融沉积法制备P400ABS塑料下颌骨。意大利大学间联盟(CINECA) QUADRANI等44模仿骨小梁结构打印多孔羟基磷灰石作为骨修复材料。美国佛罗里达州奥兰多nScrypt公司SMITH等45用自制的设备打印金属钛和聚己内酯(PCL)作为硬组织修复材料。 目前3D打印技术正朝着多种材料、多个维度的方向

12、发展。尤其是干细胞的参与，使3D打印技术在个性化人工骨的制造方面具备了更加突出的优势。如：国内清华大学机械系器官制造中心从2000年起就尝试了纳米羟基磷灰石(HA)-胶原-骨生长因子等生物材料3D打印技术并用于兔挠骨缺损的修复，取得了显著成绩46。其中吴任东教授等利用单喷头低温冰型快速成形技术制备出孔径为200500m的交错贯通的骨组织工程三维支架，能够成形传统工艺不能成形的200500m的可控空隙结构，实现空隙梯度结构和用户化的制造47。王小红教授与香港中文大学秦岭教授合作，利用双喷头低温成形设备打印出既含促进成骨细胞生长的磷酸化壳聚糖又含抑制骨巨瘤细胞生长的硫酸甲基化壳聚糖双功能大段骨修复

13、材料48。 临床实践方面，中山市人民医院已经对六名由于下颌骨肿瘤导致下颌骨损伤的患者进行了个性化治疗。他们利用计算机辅助建模技术获得下颌骨的三维立体模型后，再通过3D打印技术制作出植入体的树脂实体模型，继而用真空离心浇铸法完成三维钛网修复体，术后六名患者均恢复理想49。上海大学快速制造中心胡庆夕等50在骨修复材料迅速固定设计系统的主要夹点自动化程序方面做出了突出的贡献。由于力学性能限制，目前临床实践中大段骨缺损的修复仍以金属材料(或陶瓷)为主，存在诸多难以克服的缺陷49。如，上海交通大学机械与动力工程学院的王成焘教授等51采用电子束熔化成形技术将金属钛及其合金直接打印成多孔支架，作为非降解型骨

14、修复材料替代品，非降解型金属材料在体内易导电、产生炎症反应等，给患者生活带来不便。2.2 在血管和血管网构建方面 据世界卫生组织统计，心血管类疾病是全球发病率、死亡率最高的疾病之一，全球每年约有超过1700万人死于心脏疾病。在欧洲发达国家心血管类疾病已成为最大的致死原因，每年造成至少200万人死亡，约占总死亡人数的40%。仅美国每年的血管移植物就超过140万例。在我国，随着当代心脑血管疾病的增多，下肢静脉病发病率和冠状动脉搭桥手术也逐年增加，仅北京阜外医院每年手术 1000例左右，且以20%的速度递增。我国先天性心脏病的发病率是6.7，每年有数以万计的病人接受手术治疗，其中大多数需要人工血管和

15、带有血管通道的瓣膜。临床上对血管移植物的需求日益突出。随之而来的问题便是血管的制作工艺和移植物的选取。临床上血管移植物一般应具备以下几个特性： 良好的血液相容性，无血栓形成； 足够的力学性能和抗缝合强度； 良好的生物可降解性和组织再生能力； 溶出物、渗出物及降解物无毒、无免疫排异反应； 制备方法简单、材料来源广泛、价格低廉52。 目前临床上血管移植主要采取自体移植或同种异体移植，供体来源受到很大的限制。利用3D打印技术可以方便快速地制造出可供移植的血管和血管网修复材料。如，美国哥伦比亚大学的NOROTTE教授等53开发出了一种基于三维自动电脑辅助沉积的生物凝胶球体3D打印技术，应用于无支架的小

16、直径血管成形，体现出了快速成形技术的快速、可重复和可量化等优势。美国Clemson 大学MIRONOV等54利用改装的喷墨打印机将一层基质材料上打印一层血管内皮细胞，形成了类似面包圈的准三维立体结构。日本一学者对此工艺进行了模仿和改造55。喷墨打印机的特点是响应速度较快，成形精度高、成形速度快，成形材料黏度低。但由于存在力学性能、抗凝血性能、降解性能、可加工性能等诸多方面的原因，此技术仍然处于起步阶段。新加坡南洋理工大学的LEONG等56试图利用选择性激光烧结(Selective laser sintering, SLS)制造血管支架结构，研究适合于SLS技术的聚合物以及其成形结构的特性，提出

17、了制造条件、制造精度、材料生物相容性和可重复性是3D打印技术的关键要素。又如，美国犹他大学SKARDAL 等57利用Fabhome 公司购进的仪器打印透明质酸水凝胶并用四面体聚乙二醇四丙烯酸酯交联制备血管修复材料。美国南卡罗来纳医科大学KASYANOV 等58利用同类设备FabCTI打印硅滴和组织块，模拟肾中分支血管部分。美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校WU 等59用自制的3D打印设备先直写有机石蜡，然后用环氧树脂浸泡形成有分支结构的液体可以进出的血管网络结构。德国亚琛工业大学医院BLAESER 等60在液体碳氟化合物中打印琼脂糖凝胶，得到像分支血管样的中空3D结构。美国宾夕法尼亚大学MILL

18、ER 等61首先将碳水化合物玻璃打印成网格状模板，用浇注法复合载细胞水凝胶形成管道状血液通路。美国华盛顿大学ZHANG等62用类似的石刻技术在天然胶原基质中形成内皮化微流通道。 国内武汉大学中南医院血管外科借助3DMAX软件三维建模，利用液态光敏树脂选择性固化(Stereolithography, SLA)技术原理制作出以光敏树脂为材料的组织工程带瓣静脉支架模型63。LI等64利用三维纤维沉积提出了Ti6Al4V三维纤维沉积过程，并对其生产工艺参数进行了优化，直接生产具有可控孔隙率和孔尺寸的三维多孔性Ti6Al4V管状支架。 在血管与血管网的打印过程中血管支架材料的重要程度已经不言而喻，支架材

19、料的选取和制作工艺一直是一个重大难题。也有学者试图避开支架的使用，进行无支架血管组织工程方面的研究54。但对于血管和血管网的构建而言，材料的抗凝血性、抗缝合强度和生长能力是目前制约含多层细胞的单管道和分支血管系统快速制造的重要屏障，也是未来发展的主要方向。3、应用与结论通过3D打印设备将生物相容性细胞、支架材料、生长因子、信号分子等在计算机指令下层层打印，形成有生理功能的活体器官，达到修复或替代的目的，在生物医学领域有着极其广泛的用途和前景。近年来3D打印技术发展迅速，已在骨骼、血管、肝脏、乳房构建等方面取得了一些成绩，但离复杂器官的功能实现还有很长一段距离。目前已有的3D打印技术存在着一个严

20、重的缺陷，即如何将不同种类和功能的细胞排列在一个特定的三维结构中，制备出具有复杂结构的器官基体来，从而实现复杂器官的基本功能。由于人体复杂器官结构和功能的多样性，细胞与生物材料的特殊性，多学科交叉及多喷头3D打印设备的应用必将成为未来学科发展的趋势和主流，也是实现复杂器官制造的关键所在。相信在不远的将来随着研究的不断深入、诸多科学问题的逐渐突破，人体各种器官，尤其是个性化复杂器官的3D打印将会成为一种非常简单、容易、迅速、方便的医疗技术，也将成为临床上最普遍、准确、快捷、有效的修复手段。参 考 文 献 1 YENOG W Y，CHUA C K，LEONG K，et al. Rapid prot

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