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浅析3D打印技术在生物医学领域的应用

2016-01-02 04:46
蓝林笑生
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  3D打印起源于20世纪80年代,近年来发展迅猛,被誉为“第三次工业革命的重要标志之一”。生物3D打印是3D打印的一个分支,目前正在国内外掀起新一轮研究热潮。

  一、什么是生物3D打印

  生物3D打印是基于“增材制造”的原理,以特制生物“打印机”为手段,以加工活性材料包括细胞、生长因子、生物材料等为主要内容,以重建人体组织和器官为目标的跨学科跨领域的新型再生医学工程技术。它代表了目前3D打印技术的最高水平之一。

  二、生物3D打印技术的发展历程

  从1995年出现以来,生物3D打印技术的发展经历了四个层次。第一层次:打印出的产品不进入人体,主要包括一些体外使用的医学模型、医疗器械,对使用的材料没有生物相容性的要求;第二层次:使用的材料具有良好的生物相容性但是不能被降解,产品植入人体后成为永久性植入物;第三层次:使用的材料具有良好的生物相容性,而且能被降解。产品植入人体后,可以与人体组织发生相互关系,促进组织的再生;第四层次:使用活细胞、蛋白及其他细胞外基质作为材料,打印出具有生物活性的产品,最终目标是制造出组织、器官。这是生物3D打印的最高层次。

  在现阶段,第一到第三层次的技术发展已比较成熟,已经进入到实际应用层面。第一层次的应用有神经外科及脊柱外科的个性化手术模型、假肢等。第二层次的应用有个体化的永久植入物,如假耳移植物、下颌骨移植物等。2014年北医三院通过3D技术打印出的椎体移植物,也属于这一类。第三层次采用可降解的生物相容性材料,制作出仿生的组织工程支架。清华大学团队采用低温沉积成形技术,制造出具有分级孔隙结构的骨支架,最多可以做到4级孔隙,有利于各种细胞的生长进入,处于世界领先水平。

  第四层次也被称为“细胞打印”或“器官打印”,是现代意义的生物3D打印,相比较而言前三个层次可以被称为“快速成型”。细胞打印概念于2000年由美国Clemson大学的ThomasBoland教授首先提出,并于2003年首次成功实现。2004年该团队获得一项细胞打印的专利,并授权给在纳斯达克上市的Organovo公司,该公司是目前国际上生物3D打印领域的领头羊。由于笔者的博士导师就是Boland教授,笔者参与了其中的工作,发表的论文受到广泛的关注。

  三、生物3D打印的临床需求和科学意义

  在美国,每1.5小时就有1例病人因为等不到合适的器官移植而死亡,每年有超过800万例组织修复相关的手术。生物3D打印技术的目标就是解决组织、器官短缺的问题。

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