3D打印技术在生物医学领域的应用及展望

1、3D打印技术在生物医学领域的应用及展望摘要介绍了 3D打印技术的现状及常见的3D打印方式，分析了 3D打印技术在生物医学领域的4个层次医 疗辅具、不可降解植入物、可降解植入物、载细胞打印中的应用现状，从国家层面支持、生物材料发展、打印技术革 新、多元交叉融合4个方面展望了 3D打印技术在生物医学领域的发展前景。指出了 3D打印技术将深入生物医学 领域的各个方面，开启生物医学个性化设计和促进医疗水平质的提高。关键词3D打印技术;生物医学；快速成型技术；医疗辅具；不可降解植入物；可降解植入物；载细胞Application and prospect of 3D printing technology

2、 in biomedical fieldAbstract The current status of 3D printing technology and common 3D printing methods were introduced, and the current application status of 3D printing technology in the four levels of biomedical field involving in medical accessories, non- degradable implants, degradable implant

3、s and cellular printing was analyzed. The prospects for the development of 3D printing technology in the biomedical field were discussed from four aspects of national level support, biomaterial development, printing technology innovation and multifaceted integration. Its pointed out 3D printing tech

4、nology would penetrate into all aspects of the biomedical field, facilitating personalized biomedical design and promoting medical treatment. Chinese Medical Equipment Journal,2021,42(1 )：91-96Key words 3D printing technology; biomedicine; rapid prototyping technology; medical appliance; non-degrada

5、ble implant; degradable implant; carrier cell0引言1990年,美国麻省理工学院的Sachs等首次提 出了 3D打印这一概念。20世纪90年代以来,3D打 印技术取得了蓬勃发展。2003年，美国南卡罗纳大学 的Mironov等提出生物组织器官3D打印的概念22：% 3D打印是相对于传统平面打印而言，打印出来的物 体是立体的。在立体成型方面,相对于传统加工的等 材制造、减材制造，3D打印是典型的增材制造，即逐 层叠加形成三维结构。3D打印作为决定未来经济和 人类生活的颠覆性技术之一243，有效地将材料、机械 制造、信息处理、电子设备及工程设计等学科深度

6、融 合，突破了传统制造工艺受限于结构复杂性难以进 行加工制造的困境。通过3D打印定制个性化产品， 将降低生产成本，引领一场新的工业革命奕目前, 3D打印广泛应用于生物医学、航空航天、建筑设计、 文化产业、工业制造和军事装备等领域，特别是在生 物医学领域,3D打印发挥着越来越重要的作用3D打印技术的前身即快速成型技术。其基本思 想是以数字化3D模型为基础，对物体进行数字化 分层，得到每层的二维加工路径等信息,利用合适的 材料和工艺,通过自动化控制技术，沿着设定路径逐层打印，最终累积成三维物体。经过几十年不断探索 和发展,3D打印根据打印原理大致可分为7类，分 别是：(1)薄材叠层，包括叠层实体制

7、造(laminated object manufacturing，LOM)；(2)立体光固化，包括光 固化成型(stereo lithography appearance，SLA)、数字 光处理(digital light processing，DLP)、连续液面提取 (continuous liquid interface production，CLIP)、双光子 聚合(two-photon polymerization，TPP)；(3)材料挤出， 包括熔融挤出成型(fused deposition modeling，FDM)、 直接墨水书写(direct ink writing，DIW)；

8、(4)材料喷 射，包括纳米颗粒喷射(nanoparticle jetting，NPJ)、聚 合物喷射(polymer jetting，PolyJet)、电喷印(electrohydrodynamic jet printing，E-Jet) ；(5)黏结剂喷射，包括 三维打印与胶粘(three dimensional printing and gluing， 3DP) ；粉末床熔融，包括激光选区烧结(selective laser sintering，SLS)、激光选区熔化(selective laser melting，SLM)、直接金属烧结(direct metal laser sinte-

9、 ring，DMLS)、电子束熔化(electron beam melting，EBM)； (7)定向能量沉积,包括激光立体成型(laser solid forming， LSF) 、电子束熔丝成型(electron beam freeform fabrication，EBFF)7-8O3D打印可以同时融合多种打印技术原理，如 PolyJet喷出的是光固化树脂，喷射完成后进行紫外 光固化。TPP、E-Jet等可实现微纳尺寸结构(一般 50 !m以下)3D打印叫受限于材料、工艺、技术水平 等方面因素，目前成熟并广泛应用的3D打印技术包 括 LOM、SLA、FDM、SLS、SLM、3DP、DIW

10、及DLP。这 些打印方式各有优缺点，适用于不同的打印场景。本 文将重点介绍3D打印技术在生物医学领域的应用 及发展前景展望。1 3D打印在生物医学领域的应用由于适用于小批量、高度定制等场合,3D打印 迅速与生物医学结合，形成生物3D打印。生物3D 打印有广义和狭义之分。广义生物3D打印是指直 接为生物医学领域服务的3D打印。狭义生物3D打 印是指操作含有细胞的生物墨水构建活体组织结 构,是生物3D打印的高级阶段和终极目标。从发展 进程来看，广义生物3D打印可大致分为4个层次， 分别是医疗辅具、不可降解植入物、可降解植入物和 载细胞打印回。1.1第一层次：医疗辅具1.1.1适用范围医疗辅具是3D

11、打印技术在生物医学领域的初 级应用，主要产品包括医学模型和体外医疗器械等， 一般不要求生物相容性。在医疗辅具制备方面,3D 打印技术通常与医学影像技术结合，模拟构建人体 结构模型，有助于患者和医务人员更好地了解病情 并拟定手术方案。1.1.2相关研究Stoker等闽于1992年首次将SLA技术用于颅颌 面外科整形手术的术前模拟，开启了 3D打印对外 科手术指导的大门。张涛等四报道在156例高血压 性脑出血血肿穿刺术中,78例使用了利用患者颅脑 CT数据进行3D打印的手术导板确定穿刺导管的角 度、深度及位置。相对于传统穿刺术,手术导板提高 了定位准确性，更有效地清除了血肿，如图1所示。 Rais

12、ian等四在10例单侧眶底骨折修复术中,5例根 据患者未受影响的对侧眼眶CT数据采用聚乳酸 (polylactic acid,PLA)进行3D打印眼眶模型,由于 PLA具有良好的生物相容性,在模型标识点附近,可 安全地个性化弯曲用于修复骨面的钛网。与另外5 例常规弯曲钛网对比，在眼球内陷及其他并发症等 方面，植入个性化钛网重建眶骨骨折具有更好的效 果。顾飞等问在18例初次单侧膝关节单髁置换术 中，利用患者膝关节CT及MRI数据,在计算机软件 上测量及模拟截骨，利用3D打印技术打印个性化 截骨导板并指导手术，术后下肢力线满意,早期膝关 节功能得到明显改善。周路球等网利用30例颅内动 脉瘤患者的三

13、维CT血管造影数据将动脉瘤及毗邻 重要组织等比例打印出来,进行术前模拟手术训练, 为提高手术准备质量、改善患者预后效果提供了保 障。3D打印将实现传统医学模型向拟人化医学模型 发展,通过硅胶材质、多色彩材质、多X射线吸光度 材质、嵌入式系统及传感器技术等,实现医学模型材 质拟人化、色彩拟人化、影像学拟人化、功能拟人化 及智能化，大大提高医务人员技能培训水平及手术 规划能力等U1%(a)手术导板置于面部(b)手术导板辅助穿刺图1 3D打印手术导板辅助血肿穿刺术&111.1.3评价将3D打印医疗辅具用于教学、培训、手术辅助、手术模拟及术前规划等，可促进医学知识的传播,有效减 少手术时间和出血量，提

14、高手术精度和成功率5。相 对于传统医学模式,3D打印医疗辅具能大大提高医 务工作者的医学认知和手术水平。1.2第二层次：不可降解植入物1.2.1适用范围不可降解植入物主要是使用钛、钛合金、钽等不 可降解生物惰性金属材料进行3D打印，这些材料 具有优异的生物相容性、强耐腐蚀性、高强度等优 点闽。钛和钛合金是目前牙齿、骨植入物的主要金属 原材料，钽等金属材料仍处于研究阶段，临床应用刚 起步。根据金属材料的结构和特性，金属3D打印方 式主要包括SLS、SLM及EBM。1.2.2相关研究游嘉等叫利用3D打印技术打印出连通多孔结 构的钛金属多根牙种植体，孔隙300-400，通过动物实验及对照，骨组织长入

15、种植体表面孔隙内，且 具有高骨组织致密性，表明3D打印牙种植体具有 良好的骨结合能力。张豪等对13例患者使用3D 打印钛合金胸肋骨植入物进行胸壁缺损重建手术， 随访观察1 a,未发生植入物断裂、移位、排斥、过敏 等情况，临床效果良好，可满足个性化胸壁重建修复 需求。郭宇等刖根据8名患者骨盆CT数据,根据髓 臼骨缺损形态设计并打印钛合金骨小梁金属臼杯 (如图2所示)，结合植骨等技术，重建髓臼骨缺损。 临床结果显示，术后患者大大改善了髓关节功能，可 恢复关节旋转中心,早期临床疗效满意。裴延军等四 行6例患者下肢骨肿瘤切除术，骨缺损长度(18.19士 3.74)cm,利用3D打印技术打印钛合金假体并

16、植入， 与缺损部位匹配良好。至末次随访，无肿瘤复发及转 移，假体稳定，未发生假体周围感染等,5例患者能 正常活动,获得良好的短期临床疗效。Wauthle等 通过SLM制备多孔钽植入物,具有高孔隙率、高弹 性模量、无细胞毒性等特点，满足骨植入材料要求。 动物实验表明，植入体内后有明显骨组织长入，与骨 证明3D打印多孔钽植入物 具有优良的力学性能、生物 相容性和骨传导性等，可以 用来修复治疗骨缺损。1.2.3评价界面形成较好的结合,图2 3D打印钛合金骨小梁 金属臼杯钛等金属植入物在临 床应用中被广泛使用，并在 今后相当长一段时间内仍 是临床使用主流，但因其射 线不可透、界面形成较好的结合,图2

17、3D打印钛合金骨小梁 金属臼杯1.3 第三层次：可降解植入物适用范围可降解植入物主要用于骨组织工程支架、神经 支架等。根据材料属性可分为3类,分别是：(1)金属， 包括铁合金、镁合金;(2)生物陶瓷无机材料,包括羟 基磷灰石(hydroxyapatite, HA)、-磷酸三钙(beta- tricalcium phosphate, -TCP)、硅酸钙(CaSiO3)、硅酸 二钙(2CaO-SiO2)；(3)聚合物，包括聚己内酯(polycaprolactone ,PCL)、聚乳酸-羟基乙酸共聚物(poly (lactic-co-glycolic acid) ,PLGA)网。植入物可定制合 适的

18、刚度和孔隙度，最大限度促进组织融合及自身 降解。金属材料力学性能好，生物相容性较差;生物 陶瓷无机材料力学性能差，生物相容性好;聚合物力 学性能和生物相容性均较好。为了平衡力学性能及 生物相容性等方面因素，多采用复合材料进行可降 解植入物的生物3D打印。相关研究Chou等四通过黏结剂喷射打印、烧结等过程形 成铁锰合金可生物降解骨支架，支架表现出与天然 骨相似的拉伸力学性能、良好的生物相容性,是一种 较为理想的生物应用材料。Bose等将氧化铁和二 氧化硅混入-TCP中，利用3D打印形成支架，动物 实验表明，掺杂Fe3w、S之能促进早期新骨和血管的形 成，加速骨缺损愈合。Lai等四以镁(Mg)粉、

19、PLGA、 -TCP为原料，采用低温3D打印技术制备了新型 多孔PLGA/TCP/Mg(PTM)支架。在兔类固醇相关性 骨坏死实验中表明,PTM能显著促进新骨形成及血 管生长，表现出较好的力学性能，是一种很有前途 的复合生物材料。Zhang等采用3D凝胶打印多孔 硅酸钙骨组织工程支架,通过调整配比、固化成型、 自然干燥、脱脂、烧结等过程，得到的支架具有均匀 的孔隙和微孔，支架的孔隙率和抗压强度与人体松 质骨相当，如图3所示。Williams等使用SLS制备 多孔PCL支架用于骨组织工程，研究表明，支架抗 压强度和模量均在松质骨范围内，支持骨组织入内 生长。Vijayavenkataraman等

20、以PCL和还原氧化石 墨烯(reduced graphene oxide,rGO)采用 E-Jet 打印出 PCL/ rGO支架,实验表明,PCL/rGO支架比PCL支架 更能促进PC 12细胞的神经分化,为解决周围神经损 伤、制作神经引导导管提供了可选方案。评价在特定情况下，具有安全降解产物的可降解植(a)固化后(b)烧结后图3 (a)固化后(b)烧结后图3 3D打印CaSiO3支架(b)3D打印第7天(a)3D打印第0天(。)人工沉积第0天(d)人工沉积第7天图4 3D打印与人工沉积制备皮肤组织的对比网入物比不可降解植入物对人体影响更小，更有利于 人体组织生长及功能恢复。部分可降解植入物已

21、在 临床上初步使用，但需要突破的技术瓶颈还有很多， 如降解周期的优化、降解产物对患者的长期影响及 生产成本等，还需要科研人员不断研究探索。1.4 第四层次：载细胞打印1.4.1适用范围载细胞打印是指活体细胞包裹在水凝胶等生物 材料中形成生物墨水，以3D打印的方式构建器官 或器官原型，可广泛应用于组织修复、组织发育机制 及药物筛选等场合31o水凝胶是由分散在水介质的 亲水聚合物链通过各种交联机制形成的，常用的亲 水聚合物包括海藻酸盐、明胶、甲基丙烯酸酐化明胶 (methacrylate gelatin，GelMA)。交联是指液态转变为 锁水网络状固态的过程,交联机制包括热诱导纠缠、 分子自组装、

22、静电相互作用、离子交联和化学交联四。 水凝胶等生物材料的作用是打印时保护细胞不受损 坏，使细胞分布均匀、防止沉降，打印后为细胞生长 模拟体内环境。常见的载细胞打印方式有DIW、SLA 和E-Jet等0331，前2种打印方式使用最为广泛。目前 载细胞打印的研究主要集中在皮肤、血管、软骨、组 织器官及肿瘤模型等方面。142相关研究Lee等网运用挤出式生物打印技术以角质形成 细胞和成纤维细胞作为表皮和真皮的组成细胞、胶 原作为真皮基质，分层对皮肤进行模拟打印，组织学 和免疫荧光表征表明,3D打印的皮肤组织在形态学 和生物学上可代表人类活体皮肤组织。对比传统皮 肤工程方法(人工沉积)，3D生物打印皮肤

23、具有灵活 性、重复性、形状保持和培养能力等方面的优势，可 作为进一步研究皮肤病模型的基础，如图4所示o Kolesky等0351利用人骨髓间充质干细胞(human mesenchymal stem cells，HMSCs)、新生儿真皮成纤维细 胞(human neonatal dermal fibroblasts，HNDFs)、脐静 脉内皮细胞(human umbilical vein endothelial cells， HUVECs)组成的多种生物墨水打印血管,将实质、基 质和内皮整合到血管厚组织中，形成可灌注、内皮化 的血管网络组织，为人体组织制作和研究开辟了新 的路径。Nguyen等0

24、3Q利用人诱导多能干细胞(human induced pluripotent stem cells，hiPSCs)、受辐射的人软 骨细胞、纳米纤维素(nanofibrillated cellulose，NFC) 和海藻酸盐组成生物墨水进行3D打印，有明显的软 骨生成，可作为未来关节软骨修复的一种治疗手段。 Lee等0371使用悬浮水凝胶自由形式可逆嵌入(freeform reversible embedding of suspended hydrogels，FRESH) 方法，用胶原蛋白进行3D打印，形成具有一定功能 的心脏“零件”，这项突破性研究向全尺寸打印心脏 及人体其他器官迈近了一步。M

25、a等0381通过DLP利 用 hiPSCs 来源的肝祖细胞(hepatic progenitor cells， HPCs)和支持细胞嵌入到三维微观六边形水凝胶结 构,促进细胞成长，形成肝小叶结构,该模型具有天 然肝脏结构，可用于肝病药物筛选和建模等。Yi等03X1 利用生物墨水直写构建高度仿生的体外胶质母细胞 瘤模型,根据不同患者产生特异性的肿瘤类似物，观 察体外环境放、化疗对患者肿瘤的细胞学影响及特 异性反应，帮助评估方案的治疗效果，为临床精准用 药提供依据。1.4.3评价目前,载细胞打印仍处于实验室研究阶段，需要 解决能不能造、能不能活、能不能用等问题,具体包 括水凝胶等生物材料成型精度能

26、否达到组织要求、 营养素输送能否满足细胞需求、堆叠细胞能否发挥 整体生物组织功能。尽管载细胞打印取得一些成绩, 但依然任重而道远。2 3D打印在生物医学领域的前景展望2.1国家层面支持近年来，国家有关部门对3D打印产业发展高 度重视，分别在标准化发展、规章制度保障等方面给 予支持，大力推进3D打印技术在生物医学领域标 准化、规范化发展，先后出台了 GB/T 353512017 增材制造术语、GB/T 350212018（增材制造工 艺分类及原材料等十余项关于增材制造的国家或 行业标准。根据国家药品监督管理局2019年第53 号公告和第70号通告，发布了定制式医疗器械监 督管理规定（试行）无源植入性骨、关节及口腔硬 组织个性化增材制造医疗器械注册技术审查指导原 则。随着生物3D打印技术进一步发展成熟以及应 用场景的拓展，国家将出台更多标准、规范和制度， 进一步规范定制式医疗器械监督管理，保障定制式 医疗器械的安全性、有效性。2.2生物材料发展生物材料是用于人体修复、治疗等作用的特殊 类型材料，生物3D打印对生物材料有较高的要求。 对于体外接触人体的生物材料，一般要求具有生物 相容性，如壳聚糖、琼脂糖、纤维素、纤维蛋白、胶原 蛋白、明胶、海藻酸盐等。对于植入体内的生物材料, 一般要求具有生物活性或生物可降解性，如镁合金、 羟基磷灰石、硅酸钙、磷酸钙和生物活性玻璃等。近 年来，细胞作为