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3D打印在生物医学领域的征程

导读: 早期3D打印技术是一种快速原型技术,时至今日除塑料原型外,复杂发动机部件、房屋、食物甚至人体器官都可实现3D打印。医疗领域是3D打印的主要市场之一,广泛应用于定制假牙、助听器外壳、手术和医疗模型、矫形和修复部件以及人造髋关节和膝关节植入物等方面。

早期3D打印技术是一种快速原型技术,时至今日除塑料原型外,复杂发动机部件、房屋、食物甚至人体器官都可实现3D打印。医疗领域是3D打印的主要市场之一,广泛应用于定制假牙、助听器外壳、手术和医疗模型、矫形和修复部件以及人造髋关节和膝关节植入物等方面。

3D打印医学模具和结构

制作“模具”或身体部位模型是3D打印技术的一个独特用途。有了身体部位模型,医生在准备、规划或优化复杂的医疗操作或程序时可直观地观察到患者的身体器官。

更进一步技术发展是3D生物打印技术,是将活细胞层沉积到凝胶介质上以生产3D生物功能结构,其最终目标是将3D打印技术应用到组织工程(TE)方面以制造出器官和身体结构。

3D打印的数据处理流程

在获取到内脏的医学成像数据后,要进一步根据数据建立细分的数据体系,然后把医学数字图片和通信(DICOM,DigitalImagingandCommunicationinMedicine)文件转换成用于3D打印的立体成像或标准镶嵌语言格式(STL,StereolithographyorStandardTessellationLanguage)或者是其他文件格式。最后计算机辅助打印。

随着成像技术如多排螺旋CT(MD-CT)和磁共振成像(MRI)的发展,放射诊断的放射性已经变得越来越小,同时能够得到更大的信息量,其可在短时间内获取高分辨率的3D图像数据。图像处理在以高保真度呈现人体器官和结构方面扮演着越来越重要的角色,尤其是在3D打印中,更是起着基础作用。

3D打印模拟组织的医学模具

计算机辅助设计(CAD)、医学成像和3D打印技术方面的最新进展已经提供了一种快速且成本效益不错的方法,该方法根据个人的CT或MRI结果重建计算模型从而生成患者特定模拟组织的医学模型。

Biglino等利用Stratasys公司(位于美国明尼苏达州EdenPrairie市)的PolyJetTM技术制造柔性动脉模型。这是一种增材制造技术,PolyJetTM技术先使用孔口喷射逐层沉积的液体光敏聚合物,然后通过紫外线(UV)照射使其固化。在这项研究中使用了一种名为TangoPlus的类似橡胶的材料,因为它的机械性能接近于真实的组织。

这样的模型能够给医生以触觉反馈,可以直接在模具上操作并且能够帮助医生对患者的结构和潜在病理有一个全面的了解。在很多情况下,可以帮助和加快手术进程,缩短医疗程序的周期。

与放射学相关的医学模具

3D打印技术已被用于制造具有不同衰减区域的放射学真实模型。研究者采用多层印刷技术构建具有真实病理情况、解剖结构和异质性的肝脏和脑部模型。将患者肝脏和头部CT图像分割成组织、血管、肝脏病变、白质和灰质以及脑脊液。根据扫描数据,将不同的打印材料对应到这些物质上。

打印出的肝脏模具与患者的肝脏具有相似的纹理。大脑模型的CT图像,与患者真实大脑的CT图具有极高相似度。这些模具具有与真实组织类似的非均相和真实的病理,可被用于图像质量评估、辐射测试等。

生理医学模具

具有患者特异性和模拟组织的医学模具包含个体化信息,并在生物医学应用和临床领域具有重大潜力,3D打印技术已被证明是制造这种模型的有效方法。

但是现有的3D打印技术在模仿人体器官组织方面仍然存在不足,许多人体器官结构如心脏瓣膜,由于定向的组织结构而具有各向异性的力学性质;然而,常规的3D打印模具不具有各向异性力学性能。

因此,大多数3D打印的医学模具,甚至那些具有患者特异性和组织模仿特征的模具,仅在解剖学上而非生理学上接近人体器官的结构。

再生组织和器官的增材制造

由于对组织器官移植的需求日益增加及组织器官供体的不足,人们在TE领域已经做出了许多努力来开发真实人体组织和器官的生物替代品。TE使用具有高孔隙率和相互连接性的生物可降解支架来为细胞生长和重组提供形状、机械支撑和微结构以改善和加速修复过程。在这方面,TE支架的设计在治疗成功率方面起主导作用。

然而,要精确控制支架的孔隙率和内部微观结构,以控制氧气、营养物和可溶性生物分子来促进细胞生长和分化仍然十分困难。此外,指导不同类型TE支架细胞生长,以形成复杂结构的功能组仍然是工程设计的难题。

生物打印的三个最重要和最完善的技术是激光诱导向前转移(LIFT)、喷墨生物打印和机器人喷涂。激光诱导向前转移(LIFT)是一种可以将细胞沉积到接收基底上的技术。

通常,将激光脉冲束施加在包含源油墨(即水凝胶和细胞)的供体载玻片或带上,随后蒸发油墨使高压气泡朝向位于供体载玻片下方的接收基板喷射。通过控制供体载玻片或基底的移动,沉积的2D图案可以在逐层融合中形成3D结构。

喷墨打印也可以用来构建多种细胞类型的异质结构。已有研究者使用热喷墨打印机制作了由干细胞、平滑肌细胞和内皮细胞组成的饼状3D构建体。

与普通喷墨打印方法(通常将墨水喷射到固体基质上以获得3D构建体)相反,将细胞与氯化钙(CaCl2)组合以形成生物墨水,并将墨水喷射到藻酸盐-胶原溶液中。

由于形成了Ca2+-藻酸盐复合物的“蛋盒”螯合结构,聚合物溶液表面受墨滴影响的部分瞬间固化。体外实验的结果表明打印的细胞能够在3D构建体中存活、增殖并维持细胞功能。

用于生物打印的机器人喷涂允许通过气动或机械驱动的方式以逐层方式,分配生物聚合物或合成生物聚合物来制造毫米级的3D构建体。由多种细胞类型组成的微型组织(即球体和类器官)可以作为打印构件。

增材制造技术的最新进展使得几个新的TE路径成为可能,尤其是现在有了新的增材制造技术,以下三种方法得以快速发展:

开发混合支架材料以实现支架特性的可调性;

特殊微结构设计以实现支架的可转换性;

集成传感器以实现内置过程监控能力。

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