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3D打印医疗技术的发展

时间:2018-11-15

3D生物打印技术是3D打印技术的重要分支,是指按照增材制造原理,实现生物材料和“生物墨水”受控累积组装,从而制造医疗器械或辅助器具、组织工程支架、组织器官甚至生命体等的快速成型技术。下面我们一起去了解一下3D打印医疗技术的发展现状与展望。

  一、3D生物打印的主要技术种类

  3D打印根据不同的打印材料性质、不同的累积方式存在数十种不同的技术和相应设备,主要包括以高分子化学或光敏聚合、以粘合剂粘合、以激光、电子束、微波等提供热源烧结或熔化、挤出或喷射、平面平铺或层压、及以凝血等生化机制等技术路线,但至今尚无统一分类标准。目前,生物医用领域应用较多的主要包括光固化立体印刷(SLA)、熔融沉积成型(FDM)、选择性激光烧结(SLS)、三维喷印(3DP)、细胞打印技术等。

  二、3D生物打印技应用发展

  1.体外器官模型、仿生模型制造

  用于术前诊断、手术策划和预演,为诊断和治疗提供立体直观、可触摸的信息,便于医、工、患之间沟通,缩短手术时间、降低手术费用,有效提高诊疗水平。

  2.手术导板、假肢设计

  根据采集的个体数据,为患者量身订制手术导板和个性化假肢等器具,可提高手术效率和精确度;提升假肢设计和制作水平。

  3.个性化植入体制造

  患者受损组织器官有大量个性定制需求,如颅骨、颌骨、鼻骨、下肢骨、脊椎、髋骨等,特别是整容塑形领。3D 打印可实现精确复制受损部位形状并恢复其功能。作为全球临床首例3D打印移植物,2011年荷兰医生为83岁妇女安装了3D打印技术打印金属下颌骨。

  4.组织工程支架制造

  利用3D 打印可设计和制备具有同天然组织类似的材料组成和显微结构,赋予高度的生物活性和增殖、修复能力的组织工程支架。

  5.药物筛选生物模型和药物打印

  药物筛选需要对不同化合物的生理活性、药物毒性做大规模横向比较,生物打印技术制造药物病理模型、人造器官、以及人体器官芯片(甚至人体芯片)可避免大规模动物实验和人体实验带来的伦理、时间和费用问题,在短时间内大规模、高通量筛选新型高效药物。通过3D打印技术实现多种材料精确成型和局部微细结构,从而实现一种或多种药物同时精确控制释放。2016年Aprecia宣布第一个利用3D打印技术平台“Zipdose”制造的治疗癫痫病药物SPRITAM上市。

  6.活性组织及器官打印

  通过细胞三维控制组装及后期的处理和培养,实现对于微环境、微结构和功能的模拟,逐渐融入全身循环系统并具备感知功能,最终实现组织与器官的原位打印和构建完整的生命体。

  三、3D生物打印用材料

  3D生物打印材料分为细胞(cell)和非细胞(non-cell)打印材料。打印材料严重影响和制约3D生物打印技术的发展与应用,主要包括材料的生物相容性、生物响应性、降解性能、力学性质等。打印前准备策划、打印中及打印后处理过程中要最低限度的损伤表面或内部细胞、保持成型材料的生物相容性并保证其活性和存活率。目前3D打印产品尚不能实现理想供血并融合入人体血液循环系统,而未来打印具有感知能力的组织和器官还有较长的路要走。

  1.医用金属材料

  3D打印金属材料主要包括纯钛及钛合金、钴铬合金、不锈钢和铝合金等。金属熔融温度较高,打印难度较大,常采用SLA和SLS方式。郭征等打印出锁骨和肩胛骨钛合金植入假体并成功植入骨肿瘤患者体内。刘静等利用低熔点液态金属Ga67In20.5Sn12.5结合微创手术直接在目标组织处注射成型电子器件。

  2.医用无机非金属材料

  3D打印技术解决了形状或内部结构复杂部件需用精密模具成型的难题,生物陶瓷、生物玻璃、氧化物、石墨烯等在3D打印骨替代品、美容整形,口腔、矫形假体、康复器具等领域有着广泛应用前景。

  3.医用高分子材料

  目前,生物医用高分子材料的开发从在分子水平上设计合成具有特殊功能的高聚物,向合成具有主动刺激诱导损伤组织再生修复的生物活性材料方向发展。医用高分子可适用于多种打印模式,应用最多的是FDM和SLA。

  4.复合生物材料

  3D打印技术可将多种材料复合、共混、杂化,各组分间取长补短。复合生物材料性能具有广谱的可调性,弥补了单一材料应用中的不足。但将理化性质差异较大的材料进行融合、将组合优势最大化是目前研究的热点之一。

  5.细胞打印材料

  生物3D打印所需的“生物墨水”由医用水凝胶、生物交联剂、活细胞共同组成。多能干细胞、软骨细胞、表皮细胞、纤维原细胞、肝细胞、角质细胞、间充质干细胞、平滑肌细胞、上皮细胞、心肌祖细胞等见于报道。

随着个性化医疗、远程医疗、精准医疗、原位打印、大数据应用等技术发展与融合,3D打印将进一步与广阔的医疗市场应用深入契合,设计制造出更为完善的产品,为广大患者造福。


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