三D打印在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用課件

3D打印在生物中的應(yīng)用定義技術(shù)前景應(yīng)用發(fā)展方向6/28/2023

3D生物打印技術(shù)的定義

3D生物打印是以計(jì)算機(jī)三維模型為基礎(chǔ)，通過(guò)軟件分層離散和數(shù)控成型的方法，定位裝配生物材料或活細(xì)胞，制造醫(yī)療輔具、人工植入支架、組織器官等生物醫(yī)學(xué)產(chǎn)品的3D打印技術(shù)，3D生物打印是目前3D打印技術(shù)研究最前沿的領(lǐng)域。6/28/20233D生物打印技術(shù)的前景2012年，全球3D打印市場(chǎng)規(guī)模達(dá)28.2億美元，2010~2012年進(jìn)入快速發(fā)展期，三年復(fù)合增速達(dá)27%。WohlersAssociates預(yù)測(cè)，未來(lái)幾年，該市場(chǎng)仍會(huì)保持近20%的增長(zhǎng)，到2021年，行業(yè)規(guī)?；蜻_(dá)108億美元，為目前的5倍。6/28/20233D生物打印技術(shù)的前景

3D生物打印發(fā)展空間巨大源于三方面的原因：全球醫(yī)療領(lǐng)域的開(kāi)支巨大，為3D打印技術(shù)提供了潛在的發(fā)展空間；

現(xiàn)今社會(huì)的存在一種健康危機(jī)，就是器官短缺。隨著醫(yī)學(xué)的不斷進(jìn)步，我們的壽命較以前有了很大的延長(zhǎng)。問(wèn)題是，我們活的越久，我們身體器官就越容易失靈，而當(dāng)前，我們沒(méi)有足夠的器官來(lái)替換。有數(shù)據(jù)表明，在過(guò)去十年里，需要移植器官的病人增加了一倍，但是，器官移植手術(shù)并沒(méi)有增加。

6/28/20233D生物打印技術(shù)的前景

3D打印技術(shù)以其快捷、準(zhǔn)確性見(jiàn)長(zhǎng)，以其個(gè)性化制造能力與病體需求的差異性充分結(jié)合，在人工假體、人工組織器官的制造方面產(chǎn)生巨大的推動(dòng)效應(yīng)；

我們知道，“3D打印”是通俗的叫法，學(xué)術(shù)名稱為“快速原型制造”(RapidPrototyping&Manufacturing)。它利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，采用材料累加新成型原理，直接由CAD等數(shù)據(jù)打印自稱三維實(shí)體模型。由于人體器官存在很大的差異性，不適合采用常規(guī)的模具來(lái)制作人工假肢等器官。這時(shí)，3D打印技術(shù)就顯現(xiàn)出它的個(gè)性化能力了，我們只需要改變數(shù)據(jù)，就可以完成器官的制造。。

6/28/20233D生物打印技術(shù)的前景

相對(duì)其他領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，3D打印在醫(yī)療行業(yè)的應(yīng)用更具有經(jīng)濟(jì)性。

3D生物打印的器官是用來(lái)替換失效的器官的，對(duì)此我們毫無(wú)選擇的余地。特別在現(xiàn)在這種情況下，需要移植器官的病人遠(yuǎn)遠(yuǎn)比器官多時(shí)，其經(jīng)濟(jì)效益更是居高不下。當(dāng)然，當(dāng)3D生物打印技術(shù)成熟以后，那時(shí)我們移植器官的代價(jià)應(yīng)該不會(huì)像現(xiàn)在那么高昂。6/28/20233D生物打印技術(shù)的應(yīng)用

3D細(xì)胞打印主要有三方面的具體應(yīng)用：

作為醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)的研究工具。細(xì)胞打印的產(chǎn)品包括組織和器官兩類，細(xì)胞準(zhǔn)確定位和培養(yǎng)之后，形成的結(jié)構(gòu)具備生物特性，可以作為很好的醫(yī)學(xué)研究工具。

構(gòu)建和修復(fù)組織器官。細(xì)胞打印成型組織和器官可以根據(jù)病體的需要進(jìn)行器官移植和修復(fù)。6/28/20233D生物打印技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)階段，一些皮膚、脂肪組織可以打印并用于修復(fù)。打印移植器官還在研究中，最有希望率先突破的領(lǐng)域可能在人工肝臟方面。

做藥物研發(fā)領(lǐng)域的藥物篩選的模型。細(xì)胞打印成型組織和器官可以用來(lái)進(jìn)行藥物篩選的試驗(yàn)，彌補(bǔ)現(xiàn)階段蛋白篩選直接到動(dòng)物體篩選的技術(shù)缺失，提高藥物篩選的效率和新藥的研發(fā)速度。6/28/20233D生物打印技術(shù)的應(yīng)用

康奈爾大學(xué)機(jī)械工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)教授胡迪?利普森在2013年出版的《3D打?。簭南胂蟮浆F(xiàn)實(shí)》一書(shū)中，提出了一個(gè)“3D打印生命階梯”的概念。胡迪?利普森認(rèn)為：把身體各部位根據(jù)復(fù)雜性排列成一個(gè)很高的階梯。無(wú)生命的假肢會(huì)位于階梯的底層；中層將是簡(jiǎn)單的活性組織，如骨與軟骨；簡(jiǎn)單組織之上將會(huì)是靜脈和皮膚；最靠近階梯頂層的將是復(fù)雜且關(guān)鍵的器官，如心臟、肝臟和大腦；生命階梯的頂層將是完整的生命單位—也許有一天將會(huì)是具備完整功能的人造生命形式。如今，3D打印技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)所構(gòu)想的階梯的底層，我們正在探索中間級(jí)并夢(mèng)想著有一天可以到達(dá)最高級(jí)。

6/28/20233D生物打印技術(shù)的應(yīng)用

當(dāng)前，第一波3D打印身體部位的商用浪潮已經(jīng)出現(xiàn)，3D打印的假肢、牙冠、隱形眼鏡與助聽(tīng)器等無(wú)生命修復(fù)形式已經(jīng)存在于世界各地成千上萬(wàn)人的體內(nèi)。

6/28/20233D生物打印技術(shù)的應(yīng)用

3D打印牙齒、助聽(tīng)器以及矯正器的過(guò)程都很相似：先對(duì)身體出現(xiàn)問(wèn)題的部位進(jìn)行掃描，再將掃描數(shù)據(jù)發(fā)送到一個(gè)特殊實(shí)驗(yàn)室，在那里這些數(shù)據(jù)被調(diào)整為可行性設(shè)計(jì)文件，最后，按照設(shè)計(jì)文件用軟橡膠、堅(jiān)硬而有光澤的陶瓷或者柔軟而有彈性的透明塑料進(jìn)行3D打印。

目前，3D打印身體部位采用單一的材料，如金屬、陶瓷或塑料。它們可自定義形狀、可小批量生產(chǎn)，這些特征使它們成為3D打印的完美對(duì)象。6/28/20233D生物打印技術(shù)的應(yīng)用

隨著技術(shù)的發(fā)展，組織工程支架和植入物的3D打印也日趨成熟。首先借助CT、ECT技術(shù)獲取人體模型器官模型，通過(guò)3D技術(shù)處理：包括3D模型的建立，然后對(duì)不同材料、部位進(jìn)行建模。最后指導(dǎo)3D打印設(shè)備噴射生物相容性材料，形成所需要的結(jié)構(gòu)。3D打印在構(gòu)建植入物的微觀結(jié)構(gòu)方面相對(duì)傳統(tǒng)工藝有很明顯的優(yōu)勢(shì)。在美國(guó)，僅骨移植修復(fù)材料的市場(chǎng)空間就達(dá)200億美元。此外，一些血管支架等領(lǐng)域的應(yīng)用也在逐漸發(fā)展。

世界上首例由3D打印技術(shù)制作的人工下頜骨移植手術(shù)于2011年6月在荷蘭進(jìn)行，接受移植的病人是名患有骨髓炎的83歲女性。術(shù)后她的恢復(fù)狀況良好，新的下頜骨并未影響她的語(yǔ)言表達(dá)和進(jìn)食能力。6/28/20233D生物打印技術(shù)的應(yīng)用

6/28/20233D生物打印技術(shù)的應(yīng)用

2013年上半年，普林斯頓大學(xué)的研究人員成功的打印出具有功能性的仿生耳朵，造價(jià)1000美元（約合人民幣6000元）。研究人員表示，他們所創(chuàng)造出的仿生學(xué)耳朵在能力上要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)正常人的聽(tīng)覺(jué)，甚至可以聽(tīng)到無(wú)線電的頻率，因?yàn)檫@個(gè)耳朵的組織是與電子技術(shù)結(jié)合在培養(yǎng)皿中生長(zhǎng)。

科學(xué)家們選擇的打印材料為水凝膠，接著用3D打印機(jī)打印出仿生耳朵，然后將從小牛身上獲取的細(xì)胞注入水凝膠中，接著加入一種含有納米銀粒子的聚合物，這種聚合物可以傳播無(wú)線射頻信號(hào)。最后將小牛細(xì)胞成長(zhǎng)為軟骨組織，并圍繞一個(gè)線圈天線變硬。這樣，一個(gè)仿生學(xué)耳朵就誕生了。6/28/20233D生物打印技術(shù)的應(yīng)用

6/28/20233D生物打印技術(shù)的應(yīng)用

器官短缺已經(jīng)成為一個(gè)全球性的難題。長(zhǎng)久以來(lái)，醫(yī)療行業(yè)投入了大量的資源進(jìn)行研究以期解決移植器官不足的難題。而近期3D打印肝臟、3D打印腎臟等醫(yī)療領(lǐng)域取得的突破，正讓整個(gè)醫(yī)療行業(yè)興奮不已。生物器官的打印材料是組成器官的細(xì)胞，從打印頭里出來(lái)的不是無(wú)生命的物質(zhì)，而是活細(xì)胞。3D細(xì)胞打印是利用一層層的生物構(gòu)造塊，去制造真正的活體組織。這種3D生物打印機(jī)有兩個(gè)打印頭，一個(gè)放置最多達(dá)8萬(wàn)個(gè)人體細(xì)胞，被稱為“生物墨”；另一個(gè)可打印“生物紙”。所謂生物紙的主要成分是水凝膠，可用作細(xì)胞生長(zhǎng)的支架。這種機(jī)器首先“打印”器官或動(dòng)脈的3D模型，接著將一層細(xì)胞置于另一層細(xì)胞之上。打印完一圈“生物墨”細(xì)胞以后，接著打印一張“生物紙”凝膠。6/28/20233D生物打印技術(shù)的應(yīng)用不斷重復(fù)這一過(guò)程，直至打印完成新器官。隨后，自然生成的細(xì)胞開(kāi)始重新組織、熔合，形成新的血管。每個(gè)血管大約需要一小時(shí)形成，而熔合在一起需要數(shù)天時(shí)間。

6/28/20233D生物打印技術(shù)的應(yīng)用

3D打印再造人體器官的基本“生物墨”——人體細(xì)胞制備的理論近年也有重大突破。2012年英國(guó)科學(xué)家約翰?戈登和日本科學(xué)家山中伸彌獲得諾貝爾生理和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)揭，獲獎(jiǎng)理由為“發(fā)現(xiàn)成熟細(xì)胞可被重編程變?yōu)槎嗄苄浴薄?014年1月30日，Nature雜志披露日本理化研究所小保方晴子團(tuán)隊(duì)將細(xì)胞暴露于弱酸性環(huán)境中，即可將其轉(zhuǎn)化為干細(xì)胞。平均有25%的細(xì)胞在酸性條件下存活，而其中的30%則轉(zhuǎn)化為多能細(xì)胞——較之前山中伸彌僅1%的轉(zhuǎn)化率高出許多。隨著干細(xì)胞誘導(dǎo)分化成特定功能細(xì)胞（例如肝細(xì)胞、胰島細(xì)胞等）技術(shù)的逐漸完善，3D打印再造人體器官的基本“生物墨”距離最終解決并不遙遠(yuǎn)。6/28/20233D生物打印技術(shù)的應(yīng)用

6/28/20233D生物打印技術(shù)的應(yīng)用

現(xiàn)階段，一些皮膚、脂肪組織可以打印并用于修復(fù)。打印移植器官還在研究中，最有希望率先突破的領(lǐng)域可能在人工肝臟方面。

目前

，3D細(xì)胞打印還處于實(shí)驗(yàn)室階段，距離商用還有很長(zhǎng)的路要走。而且面臨著形成組織的強(qiáng)度不夠、培育組織的存活問(wèn)題以及缺乏電腦化的工具等一系列難題。

當(dāng)前，3D生物打印領(lǐng)域的先驅(qū)是美國(guó)的Organovo公司。Organovo公司成立7年來(lái)，在3D生物打印領(lǐng)域取得了一系列引人矚目的突破，包括：打印第一個(gè)全細(xì)胞工程人體動(dòng)脈；使用來(lái)自脂肪組織的干細(xì)胞制造動(dòng)脈；首次將生物打印的組織植入活體（動(dòng)物）體內(nèi)；3D打印具有全部生物活性和功能的人體肝臟組織并保存了40天。6/28/20233D生物打印技術(shù)的應(yīng)用

在Organovo公司打印3D迷你肝臟的過(guò)程中，3D打印機(jī)逐層打印肝臟細(xì)胞和血管內(nèi)壁細(xì)胞，一共打印了大約20層。血管內(nèi)壁細(xì)胞負(fù)責(zé)為肝細(xì)胞提供營(yíng)養(yǎng)和氧。他們打印的迷你肝臟能夠產(chǎn)生清蛋白、膽固醇和解毒酶——細(xì)胞色素P450，代謝肝臟內(nèi)的藥物。迷你肝臟結(jié)合了肝實(shí)質(zhì)細(xì)胞和星狀細(xì)胞層，所擁有的結(jié)構(gòu)和功能對(duì)醫(yī)學(xué)研究具有重要意義。迷你肝臟可以被疾病侵襲，允許研究人員觀察整個(gè)病變過(guò)程，也可以施以藥物，用以了解藥物療效。6/28/20233D生物打印技術(shù)的應(yīng)用

6/28/20233D生物打印技術(shù)的應(yīng)用

Organovo公司的科學(xué)家利用3D打印機(jī)打印出迷你肝臟，深0.5毫米，寬4毫米，擁有很多與真正肝臟一樣的功能6/28/20233D生物打印技術(shù)的應(yīng)用

心臟的3D生物打印也取得了很大的進(jìn)展，它首先培育心臟的活細(xì)胞，然后通過(guò)打印頭按照設(shè)計(jì)好的模型逐層打印。雖然打印出來(lái)的心臟只具備一部分心臟的功能，但對(duì)我們來(lái)說(shuō)是一個(gè)很大的進(jìn)步。

在網(wǎng)易公開(kāi)課中，有一個(gè)名叫“如何'打印'出人類的腎臟”的演講，是外科醫(yī)生安東尼·阿特拉展示如何用三維細(xì)胞打印機(jī)打印出人類腎臟的視頻。由于視頻較長(zhǎng)，有興趣的同學(xué)可以自己上網(wǎng)搜索。下面是視頻的一個(gè)截屏：6/28/20233D生物打印技術(shù)的應(yīng)用

6/28/20233D生物打印技術(shù)的發(fā)展

現(xiàn)今，3D打印還