三D打印技术在医学中应用专家讲座

3D打印在生物中应用定义技术前景应用发展方向8/29/2023三D打印技术在医学中应用专家讲座第1页

3D生物打印技术定义

3D生物打印是以计算机三维模型为基础，经过软件分层离散和数控成型方法，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3D打印技术，3D生物打印是当前3D打印技术研究最前沿领域。8/29/2023三D打印技术在医学中应用专家讲座第2页3D生物打印技术前景年，全球3D打印市场规模达28.2亿美元，~年进入快速发展期，三年复合增速达27%。WohlersAssociates预测，未来几年，该市场仍会保持近20%增加，到年，行业规模或达108亿美元，为当前5倍。8/29/2023三D打印技术在医学中应用专家讲座第3页3D生物打印技术前景

3D生物打印发展空间巨大源于三方面原因：全球医疗领域开支巨大，为3D打印技术提供了潜在发展空间；

现今社会存在一个健康危机，就是器官短缺。伴随医学不停进步，我们寿命较以前有了很大延长。问题是，我们活越久，我们身体器官就越轻易失灵，而当前，我们没有足够器官来替换。有数据表明，在过去十年里，需要移植器官病人增加了一倍，不过，器官移植手术并没有增加。

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3D打印技术以其快捷、准确性见长，以其个性化制造能力与病体需求差异性充分结合，在人工假体、人工组织器官制造方面产生巨大推进效应；

我们知道，“3D打印”是通俗叫法，学术名称为“快速原型制造”(RapidPrototyping&Manufacturing)。它利用当代计算机技术，采取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。因为人体器官存在很大差异性，不适合采取常规模具来制作人工假肢等器官。这时，3D打印技术就显现出它个性化能力了，我们只需要改变数据，就能够完成器官制造。。

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相对其它领域来说，3D打印在医疗行业应用更含有经济性。

3D生物打印器官是用来替换失效器官，对此我们毫无选择余地。尤其在现在这种情况下，需要移植器官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，那时我们移植器官代价应该不会像现在那么高昂。8/29/2023三D打印技术在医学中应用专家讲座第6页3D生物打印技术应用

3D细胞打印主要有三方面详细应用：

作为医学试验研究工具。细胞打印产品包含组织和器官两类，细胞准确定位和培养之后，形成结构具备生物特征，能够作为很好医学研究工具。

构建和修复组织器官。细胞打印成型组织和器官能够依据病体需要进行器官移植和修复。8/29/2023三D打印技术在医学中应用专家讲座第7页3D生物打印技术应用现阶段，一些皮肤、脂肪组织能够打印并用于修复。打印移植器官还在研究中，最有希望率先突破领域可能在人工肝脏方面。

做药品研发领域药品筛选模型。细胞打印成型组织和器官能够用来进行药品筛选试验，填补现阶段蛋白筛选直接到动物体筛选技术缺失，提升药品筛选效率和新药研发速度。8/29/2023三D打印技术在医学中应用专家讲座第8页3D生物打印技术应用

康奈尔大学机械工程与计算机科学技术教授胡迪•利普森在出版《3D打印：从想象到现实》一书中，提出了一个“3D打印生命阶梯”概念。胡迪•利普森认为：把身体各部位依据复杂性排列成一个很高阶梯。无生命假肢会位于阶梯底层；中层将是简单活性组织，如骨与软骨；简单组织之上将会是静脉和皮肤；最靠近阶梯顶层将是复杂且关键器官，如心脏、肝脏和大脑；生命阶梯顶层将是完整生命单位—可能有一天将会是具备完整功效人造生命形式。如今，3D打印技术已经实现所构想阶梯底层，我们正在探索中间级并梦想着有一天能够抵达最高级。

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当前，第一波3D打印身体部位商用浪潮已经出现，3D打印假肢、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体内。

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3D打印牙齿、助听器以及矫正器过程都很相同：先对身体出现问题部位进行扫描，再将扫描数据发送到一个特殊试验室，在那里这些数据被调整为可行性设计文件，最终，按照设计文件用软橡胶、坚硬而有光泽陶瓷或者柔软而有弹性透明塑料进行3D打印。

当前，3D打印身体部位采取单一材料，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打印完美对象。8/29/2023三D打印技术在医学中应用专家讲座第11页3D生物打印技术应用

伴随技术发展，组织工程支架和植入物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，经过3D技术处理：包含3D模型建立，然后对不一样材料、部位进行建模。最终指导3D打印设备喷射生物相容性材料，形成所需要结构。3D打印在构建植入物微观结构方面相对传统工艺有很显著优势。在美国，仅骨移植修复材料市场空间就达200亿美元。另外，一些血管支架等领域应用也在逐步发展。

世界上首例由3D打印技术制作人工下颌骨移植手术于6月在荷兰进行，接收移植病人是名患有骨髓炎83岁女性。术后她恢复情况良好，新下颌骨并未影响她语言表示和进食能力。8/29/2023三D打印技术在医学中应用专家讲座第12页3D生物打印技术应用

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上六个月，普林斯顿大学研究人员成功打印出含有功效性仿生耳朵，造价1000美元（约合人民币6000元）。研究人员表示，他们所创造出仿生学耳朵在能力上要远远超出正常人听觉，甚至能够听到无线电频率，因为这个耳朵组织是与电子技术结合在培养皿中生长。

科学家们选择打印材料为水凝胶，接着用3D打印机打印出仿生耳朵，然后将从小牛身上获取细胞注入水凝胶中，接着加入一个含有纳米银粒子聚合物，这种聚合物能够传输无线射频信号。最终将小牛细胞成长为软骨组织，并围绕一个线圈天线变硬。这么，一个仿生学耳朵就诞生了。8/29/2023三D打印技术在医学中应用专家讲座第14页3D生物打印技术应用

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器官短缺已经成为一个全球性难题。长久以来，医疗行业投入了大量资源进行研究以期处理移植器官不足难题。而近期3D打印肝脏、3D打印肾脏等医疗领域取得突破，正让整个医疗行业兴奋不已。生物器官打印材料是组成器官细胞，从打印头里出来不是无生命物质，而是活细胞。3D细胞打印是利用一层层生物结构块，去制造真正活体组织。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”。所谓生物纸主要成份是水凝胶，可用作细胞生长支架。这种机器首先“打印”器官或动脉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。8/29/2023三D打印技术在医学中应用专家讲座第16页3D生物打印技术应用不停重复这一过程，直至打印完成新器官。随即，自然生成细胞开始重新组织、熔合，形成新血管。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。

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3D打印再造人体器官基本“生物墨”——人体细胞制备理论近年也有重大突破。英国科学家约翰•戈登和日本科学家山中伸弥取得诺贝尔生理和医学奖揭，获奖理由为“发觉成熟细胞可被重编程变为多能性”。1月30日，Nature杂志披露日本理化研究所小保方晴子团体将细胞暴露于弱酸性环境中，即可将其转化为干细胞。平都有25%细胞在酸性条件下存活，而其中30%则转化为多能细胞——较之前山中伸弥仅1%转化率高出许多。伴随干细胞诱导分化成特定功效细胞（比如肝细胞、胰岛细胞等）技术逐步完善，3D打印再造人体器官基本“生物墨”距离最终处理并不遥远。8/29/2023三D打印技术在医学中应用专家讲座第18页3D生物打印技术应用

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现阶段，一些皮肤、脂肪组织能够打印并用于修复。打印移植器官还在研究中，最有希望率先突破领域可能在人工肝脏方面。

当前

，3D细胞打印还处于试验室阶段，距离商用还有很长路要走。而且面临着形成组织强度不够、培育组织存活问题以及缺乏电脑化工具等一系列难题。

当前，3D生物打印领域先驱是美国Organovo企业。Organovo企业成立7年来，在3D生物打印领域取得了一系列引人瞩目标突破，包含：打印第一个全细胞工程人体动脉；使用来自脂肪组织干细胞制造动脉；首次将生物打印组织植入活体（动物）体内；3D打印含有全部生物活性和功效人体肝脏组织并保留了40天。8/29/2023三D打印技术在医学中应用专家讲座第20页3D生物打印技术应用

在Organovo企业打印3D迷你肝脏过程中，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，代谢肝脏内药品。迷你肝脏结合了肝实质细胞和星状细胞层，所拥有结构和功效对医学研究含有主要意义。迷你肝脏能够被疾病侵袭，允许研究人员观察整个病变过程，也能够施以药品，用以了解药品疗效。8/29/2023三D打印技术在医学中应用专家讲座第21页3D生物打印技术应用

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Organovo企业科学家利用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功效8/29/2023三D打印技术在医学中应用专家讲座第23页3D生物打印技术应用

心脏3D生物打印也取得了很大进展，它首先培育心脏活细胞，然后经过打印头按照设计好模型逐层打印。即使打印出来心脏只具备一部分心脏功效，但对我们来说是一个很大进步。

在网易公开课中，有一个名叫“怎样'打印'出人类肾脏”演讲，是外科医生安东尼·阿特拉展示怎样用三维细胞打印机打印出人类肾脏视频。因为视频较长，有兴趣同学能够自己上网搜索。下面是视频一个截屏：8/29/2023三D打印技术在医学中应用专家讲座第24页3D生物打印技术应用

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现今，3D打印还处于初级阶段，应用最多是