盘点：医疗界的新希望：医用3D打印
2016-11-26 MedSci MedSci原创
从上世纪90年代开始到现在的30年里，3D打印从开始运用于汽车和航天等制造业，到近几年应用于医疗行业，打印出组织器官，并且协助完成手术，3D打印可谓改变了生产观念。在医疗行业，3D打印人造肝脏组织、3D打印人造耳、3D打印牙冠等出现在人们的视野里，3D打印为器官移植提供了多一种可能，给医疗行业带来了新的希望。本文中梅斯医学小编就3D打印的现状及进展做以整理，与大家分享交流。【1】3D打印肾脏，
从上世纪90年代开始到现在的30年里，3D打印从开始运用于汽车和航天等制造业，到近几年应用于医疗行业，打印出组织器官，并且协助完成手术，3D打印可谓改变了生产观念。在医疗行业，3D打印人造肝脏组织、3D打印人造耳、3D打印牙冠等出现在人们的视野里，3D打印为器官移植提供了多一种可能，给医疗行业带来了新的希望。
本文中梅斯医学小编就3D打印的现状及进展做以整理，与大家分享交流。
【1】3D打印肾脏，重要结构已经接近真实功能
据麻省理工学院《技术评论》网站19日报道，哈佛大学材料科学家和生物工程教授詹妮弗·路易斯的实验室利用3D打印技术制造出人体肾脏中近端小管，这是组成肾脏基本功能单位的最重要结构，其功能几乎与健康肾脏中的近端小管完全一致。新人工组织可用来从体外帮助肾脏功能受损的患者，以及在药物研发中测试新药毒性，向获得可移植人工肾脏迈出了重要一步。
研究人员一直在试图制造人工肾脏，但20多年过去，仍无法攻克人体肾脏复杂的三维结构和内部蜂窝状构造带来的巨大挑战。近端小管是肾小管中最长最粗的一段，是原尿中几乎全部葡萄糖、氨基酸和蛋白质以及大部分水、离子和尿素等物质的“重吸收”场所。（文章详见--3D打印肾脏，重要结构已经接近真实功能）
【2】我国全球首例应用3D打印技术治疗功能泌尿疾病获成功
日前，上海交通大学医学院附属仁济医院南院泌尿科在全球首次应用3D打印技术治疗功能泌尿疾病获成功。这不仅意味该院在功能性泌尿疾病的外科治疗领域获得了重要进步，也为未来此类疾病诊疗的“高度精准化”奠定了坚实的基础。
3D打印是快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的，常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些对精度要求高的产品的直接制造。该技术目前在工业设计、建筑、工程和施工等多个领域都有广泛应用。据首次使用此项技术的泌尿科副主任医师吕坚伟介绍，该技术能够精确模拟实物形态，在骶神经刺激器植入术前能帮助医疗团队充分了解患者的骶神经和骶孔的解剖特点，从而让团队能够更好地设计穿刺植入方案。以往，因为人的骶孔只有2mm大小，术中穿刺植入电极的难度非常高，往往需要数小时才能成功完成穿刺，患者和医护人员都不得不面临着长时间暴露在放射线下危险。而采用此项技术后，在术中只需把为患者量身定做的3D模型放在手术部位，根据预先留好的“穿刺点”即可进行穿刺，一般2-5分钟即可完成，极大地缩短了手术时间，降低了术后并发症，提高了骶神经调控手术的质量，为患者的治疗效果提供了有效保障。
仁济医院泌尿科主任薛蔚表示，这是全球首次将3D打印技术应用于治疗功能泌尿疾病领域中，医院目前正在为该技术申请国家发明专利。该技术的成功不仅标志着功能泌尿疾病治疗开始进入了精准医疗时代，更为将来更多泌尿系统疾病的精准化、微创化治疗打下了良好的基础。随着人们对精准医学和快速康复医学的要求，3D打印技术应用必将越来越广泛，成为医疗领域发展的热点之一。（文章详见--我国全球首例应用3D打印技术治疗功能泌尿疾病获成功）
【3】Cell子刊：快速获得人类神经干细胞构建3D大脑
来自美国塔夫茨大学的研究人员开发了一种获得具有快速分化能力的人类神经干细胞的新技术，获得的神经干细胞可以用于包括人类大脑三维模型构建在内的多种组织工程学研究，相关研究结果发表在国际学术期刊Stem Cell Reports上。
根据文章介绍，研究人员可以把人类成纤维细胞和脂肪来源干细胞转变成稳定的人类诱导神经干细胞系，这些干细胞可以在最短四天内就获得活跃神经元的特征，通常这一分化过程需要大约四个星期。获得的神经干细胞可以被冻存，无限传代，同时还具有一些独特属性让它们能够在体外与其他细胞类型一起生长。研究人员在鸡胚胎早期阶段注入人类诱导神经干细胞，发现这些细胞可以融入中枢神经系统和外周神经系统。
这项工作以塔夫茨大学生物医学工程系Kaplan教授之前的一项组织工程学研究为基础。在2014年，Kaplan教授领导的研究团队曾首次报道了他们用类似脑皮层的组织构建了复杂的三维模型，并且可以产生生化和电生理应答，可以在实验室中保持功能达数月。最近这项研究让研究人员能够利用人类细胞来源的神经元，使其生长在蛋白支架上，构建出一个人脑的三维模型。通过对神经网络进行图像观察，能够看到神经元的放电过程，表明具有功能性。“更快地获得细胞可以帮助开发出更大的持续性更好的三维模型。”文章第一作者Dana M. Cairns这样说道。（文章详见--Cell子刊：快速获得人类神经干细胞构建3D大脑）
【4】可食用3D打印电池打开医疗装置大门
卡内基·梅隆大学的研究人员们正在开发一种创新的生物相容性的电池，从而为未来可摄入体内的医疗装置开发打开了大门，有可能彻底改变癌症等疾病的治疗方法。正在开发的这种生物相容性好、无毒、可食用电池是用自然生成的黑色素（在我们的皮肤、眼睛和头发中都可以找到这种黑色素）制成的，并可以被放置在3D打印的胶囊里。该项目的负责人Bettinger博士最近在美国化学学会（ACS）第252次全国会议与博览会上披露了他们的研究。
这种创新的可吸收电池是是医学领域正在朝着更有效、更有针对性的治疗方式迈进的一个最好例子。Bettinger解释说：“几十年来，人们一直在设想有一天我们会有可食用的电子设备来进行诊断或治疗疾病。但是如果你要每天服用一种‘装置’的话，就必须考虑毒性问题。我们因此在寻找那些生物衍生材料来取代当前电子产品中的这些材料。”（文章详见--可食用3D打印电池打开医疗装置大门）
【5】美国西北大学开发出3D打印可定制血管支架
近日，来自美国西北大学的两位科学家Guillermo Ameer和孙成共同合作，使用3D打印技术开发出了能够根据患者身体情况进行定制的可生物降解弹性支架。
“当下绝大多数的支架都是用金属支撑的，只有现成的几种尺寸可供选择。”Ameer说，他是美国西北大学McCormick工程学院的生物工程教授兼Feinberg医学院外科教授。“医生们只能去猜哪种支架的尺寸正好适合保持血管开放。但是我们每个人都是不同的，最终的效果完全依赖于每个医生的经验，所以这不是最佳的解决方案。”
为了创建这些定制的支架，Ameer与孙成助理教授合作，使用了一种被称为投影微立体光刻（projection micro-stereo-lithography）的3D打印技术，结合Ameer实验室之前开发的一种聚合物，打印出了支架。据悉，该3D打印技术主要用光来固化液体树脂或聚合物来打印对象。当一种光的图案照射到聚合物上时，它会将其转化成固体，如此逐层操作形成3D对象。
孙成教授的3D打印技术，被称为微连续液相界面制造（microCLIP）。它有几个优点。首先，它的分辨率极高，可以打印出小至7微米的细部特征，这就使它很适合打印血管支架，因为这种支架具有很细的网格尺寸，直径不足3毫米；第二，它能够同时打印多达100个支架，这样就比传统制造方式更快更便宜；第三，它也很快速，4厘米长的支架只需短短几分钟即可完成。
除此之外，这种支架使用的是Ameer的实验室之前开发的一种基于柠檬酸的聚合物，而非当下常见的金属丝网。由此制造出来的支架是有弹性、可生物讲解的，并且具有抗氧化作用。另外医生也可以将药物加载到聚合物上，使其在植入点慢慢释放，从而加快血管壁的愈合过程。Ameer教授在以前的研究中已经证明了，这种聚合物可以用来制造血管植入物以抑制血栓的形成。而且，这种支架兼具的高强度和可生物降解功能，使其能够在血管开始扩张的时候充分发挥其机械功能，而在血管重开后的恢复过程中慢慢溶解。（文章详见--美国西北大学开发出3D打印可定制血管支架）
【6】可被人体吸收的3D打印聚合物颅骨植入物
据了解，一群来自莫斯科国立科技大学（National University of Science and Technology，MISIS）的研究人员刚刚推出了一种新的3D打印骨植入物。该植入物是专门针对颅骨损伤而研发的，可慢慢地被人体吸收并被天然骨组织取代。
这项突破是在由Fyodor Senatov领导的莫斯科团队和来自N.N布洛欣俄罗斯癌症研究中心（N.N. Blokhin Russian Cancer Research Center）的专家们的共同努力之下实现的。在颅骨手术领域，这是一个重大的进步。最重要的是，由于一种巧妙的形状记忆收缩和增长工艺，植入物能与患者的颅骨实现完美的吻合。在根据特定的患者参数进行3D打印后，植入物收缩至其原始尺寸的一半左右。手术期间，它被加热并再次获得其原始形状和尺寸，这样就确保了植入物能完全贴合患者的颅骨或下颌。
该俄罗斯团队估计，平均每位病人只用花400美元就能得到这种促进细胞生长的植入物系统。虽然传统的脑部植入物在初次手术后通常还需要另外的手术，该俄罗斯团队认为，这种新的3D打印系统将大大改善外科手术，这些外科手术往往会造成明显的头部和面部损伤。植入物本身是用一些常规的金属植入物螺钉固定的，不要求另外的手术。
虽然研究团队还没有披露具体的临床试验计划，但俄罗斯研究人员正在计划将此技术应用到口腔和上颌面外科手术中，以取代5立方厘米大的颅骨。（文章详见--可被人体吸收的3D打印聚合物颅骨植入物）
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