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生物3D打印在医疗领域的应用浅析

2015-09-22 15:08
华静一
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  近年来,3D打印技术及其相关产业发展得如火如荼,甚至影响到了全球制造业的产业布局和发展。与此同时,我国的3D打印业也开始进入了高度活跃的时期。生物3D打印是3D打印技术中独特的一个分支,是由3D打印技术与医学、生物材料、计算机技术相结合的新技术,可以针对患者特定的解剖结构、生理功能和治疗需求,制造人工植入物、组织器官和医疗器械等生物医学产品。生物3D打印技术所具有的快速性、准确性及擅长制作复杂形状实体的特性使它在医学领域有着广泛的应用前景。下面笔者将简要介绍一下目前生物3D打印技术在医学领域的几种应用形式:

  一、基于生物3D打印的人工组织器官制造

  人工组织器官的3D打印包括对组织器官解剖结构的重建和优化设计、细胞3D打印技术、打印组织器官的培养和功能诱导。其中是细胞3D打印技术是目前研究的核心。建立在离散制造和组织工程理论上的细胞3D打印,是在组织器官解剖学数字模型驱动下,定位装配活细胞单元,制造组织或器官前体的新技术。细胞3D打印是目前快速制造领域研究的最前沿之一,是目前制造人工器官最被看好的技术,已经在生命科学基础研究、临床医学和药物开发领域显示巨大的应用价值。

  图1:3D打印的耳软骨支架

  二、基于生物3D打印技术的药物开发

  在药物研发领域,高通量药物筛选技术(HTS)由于脱离体内的真实系统环境,成功率很低,业界迫切需要建立更仿真机体的3D组织模型来实现高内涵筛选(HCS)。细胞3D打印技术为解决这一问题提供了新的理论和技术。笔者的研究团队利用细胞3D打印技术,将脂肪干细胞、内皮和胰岛细胞在3D空间内精确组合,形成模拟体内代谢调控结构的模型,显示能高度仿真能量代谢调控和进行高内涵药物筛选。这一研究显示和证明了细胞3D打印技术在机制研究和药物开发领域巨大的应用价值,特别是和其他技术结合则其作用将进一步放大,如果构建具有功能性组织结构和体内更相似的3D系统,那么将进一步推动药物筛选技术的发展。

  图2基于生物3D打印的代谢综合症药物筛选

  三、基于生物3D打印的个性化医疗制造

  生物3D打印技术同时也可应用于制造个性化的医疗器械制造领域,根据患者实际情况定制个性化的医疗器械,以满足诊断和治疗的需求。病人的体型和疾病情况各不相同,目前标准形制的支架、手术导板、假体、钢板等植入或非植入性医疗器械只能契合标准型患者临床需求,其余患者则达不到最佳治疗效果。所以对患者需求的组织修复体及手术器械等进行个性化设计和加工就显得非常重要。传统的制造方式很难保证低成本获取与病人完全相符的生物医学用品。医学信息技术和生物三维打印技术结合可以围绕患者,短时间、低成本定制个性化医疗器械,达到最佳治疗效果。生物3D打印技术在个性化手术器械、基于器官模型的术前模拟、术中种植与切割导板等中可以广泛的应用,也能够制作各类对形状和功能有个性化需求的植入物,从而实现了诊断手术治疗流程的数字化、个性化、网络化,这是对传统生物医用零件产品产业链的根本性改变。

  图3手术模型、个性化植入物、康复辅具、医疗器械等

  徐铭恩,教授,博士生导师。杭州电子科技大学校学术委员会委员,杭州电子科技大学校生物制造工程研究中心主任,杭州电子科技大学生物医学工程与仪器研究所副所长,中国3D打印技术产业联盟副理事长,浙江省3D打印技术产业联盟副理事长,浙江省转化医学学会副理事长。从事生物3D打印、再生医学研究已超过十年,在国际期刊上发表论文40余篇,拥有发明专利6项,软件注册权7项。

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