3D打印在面頜修復(fù)、心血管構(gòu)建與生物芯片中的應(yīng)用

長期以來，人們一直希望致力于研究能夠使損傷、病變組織或器官完美重現(xiàn)和再生的材料和裝置。隨著生物技術(shù)、醫(yī)藥技術(shù)、信息技術(shù)、制造技術(shù)、納米技術(shù)和材料科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展與交互融合，新型和新概念生物醫(yī)用材料層出不窮，譬如3D打印技術(shù)的出現(xiàn)。
3D 打印技術(shù)能夠根據(jù)患者需求，實現(xiàn)患者對生物高分子材料的快速而又精確的個性化定。生物醫(yī)學(xué)材料在組織再生工程、 人工器官和組織的制造、心血管構(gòu)建、藥物輸送系統(tǒng)以及醫(yī)學(xué)診斷等方面有了全新的應(yīng)用。

3D打印在面頜修復(fù)中的應(yīng)用
頜骨缺損多見于腫瘤切除、外傷、放射性骨壞死及炎癥等,這種缺損不僅嚴(yán)重影響患者咀嚼、語音、吞咽等生理功能，而且對患者的容貌以及心理造成很大影響。隨著組織工程技術(shù)的發(fā)展，骨組織工程在骨缺損修復(fù)方面起著非常重要的作用，可促進(jìn)骨組織生長、修復(fù)骨缺損，并呈遞生物活性物質(zhì)。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)開創(chuàng)了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域新天地，尤其在硬組織缺損修復(fù)重建中，直接或間接提高了手術(shù)精度，滿足了微創(chuàng)性和個性化要求。

3D打印技術(shù)利用相應(yīng)的材料，逐層創(chuàng)建出實體的一種組織工程學(xué)技術(shù)。通過處理CT數(shù)據(jù)建立患者骨組織三維數(shù)字模型，輸入快速成型機(jī)器，制成的1∶1快速成型模型與實際骨組織一致，有助于醫(yī)生準(zhǔn)確了解組織的細(xì)微解剖結(jié)構(gòu)及病變與周圍結(jié)構(gòu)的關(guān)系，討論并制定手術(shù)方案。

在對骨組織工程支架的構(gòu)建方面，3D打印技術(shù)以設(shè)計方便，構(gòu)建不需要模具，可以輕易制備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、孔隙均勻、幾何形態(tài)各異的骨組織工程支架。3D打印技術(shù)根據(jù)原理不同可分為熔融沉積技術(shù)、三維打印技術(shù)、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)、三維生物描繪技術(shù)、低溫沉積制造技術(shù)等，可以制備出包含骨骼內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維孔隙結(jié)構(gòu)，在組織工程支架材料制備和構(gòu)造方面有廣泛的應(yīng)用前景。3D打印技術(shù)具有高精度、構(gòu)建速度快、可按需制造實現(xiàn)個性化定制等優(yōu)勢。

3D打印在心血管構(gòu)建方面的應(yīng)用

3D打印技術(shù)已完成了在組織工程心肌、心臟瓣膜、大血管及血管網(wǎng)構(gòu)建上的探索階段，尤其在打印方法的多樣化及生物活性原材料的選取上具有重要的突破。3D生物打印通過使用一種可自定義的3D打印硅膠模具來容納和扶持打印的組織結(jié)構(gòu)。在這種模具里，研究人員首先打印出血管管路網(wǎng)格，然后再在上面打印含有活體干細(xì)胞的油墨。

在這個基礎(chǔ)性血管網(wǎng)格內(nèi)部的交叉路口，研究人員會打印血管立柱，這些血管網(wǎng)格相互連接，就在整個干細(xì)胞堆積的組織內(nèi)部形成了一個無所不在的微血管網(wǎng)絡(luò)。在打印之后，一種由成纖維細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)組成的液體會填進(jìn)3D打印組織周圍的開放區(qū)域，交聯(lián)其整個結(jié)構(gòu)。最終產(chǎn)生的軟組織充滿了血管，然后研究人員通過該硅膠模具兩端的出入口可以向該組織灌注營養(yǎng)物質(zhì)，以保證細(xì)胞存活。而無所不在的血管系統(tǒng)則通過將細(xì)胞生長因子運(yùn)送至整個組織的所有地方來促進(jìn)干細(xì)胞的分化。

目前，組織工程心臟瓣膜、工程大血管打印由于對原材料的要求不高，發(fā)展較為迅速和成熟，逐漸應(yīng)用于臨床；組織工程心肌以及血管網(wǎng)的打印相輔相成，對材料及打印方法的選擇較為苛刻，在兼顧生物活性的同時要保證組織生理功能的實現(xiàn)，還有很多的技術(shù)難題需要攻克。

3D打印技術(shù)以其耗時短、耗材量低、按需定制、可個體化制造精準(zhǔn)復(fù)雜的產(chǎn)品等優(yōu)點，在一定程度上解決了目前器官供體短缺、器官免疫排斥、生物組織工程難以仿生等重要問題。未來3D技術(shù)的發(fā)展將會攻克現(xiàn)有的難題，更加廣泛地應(yīng)用于臨床疾病的診療中。

3D打印在生物芯片中的應(yīng)用
器官生物芯片是指在微流控生物芯片上制造出微觀的人體組織，它們的作用是模仿人體組織的功能。器官生物芯片在進(jìn)行生物學(xué)研究和藥物篩選實驗時往往比二維的細(xì)胞培養(yǎng)方式更加有效。美國康涅狄格大學(xué)等機(jī)構(gòu)的科學(xué)家在Towards Single-Step Biofabrication of Organs on a Chip via 3D Printing（通過3D打印技術(shù)進(jìn)行器官生物芯片的一步制造）一文中描述到，傳統(tǒng)的微流控芯片制造技術(shù)是勞動密集型的產(chǎn)業(yè)，不利于實驗室進(jìn)行芯片設(shè)計的快速迭代和快速制造。

將3D打印技術(shù)用于制造微流控生物芯片則可以在幾個小時內(nèi)實現(xiàn)微型流體通道的快速制造，有利于設(shè)計的快速迭代，提高了基于微流控研究的跨學(xué)科性，并加速創(chuàng)新。未來，先進(jìn)的生物3D打印機(jī)不僅可以打印微流控平臺，還可以同時在微流控平臺中直接打印出定制化的微觀人體組織。

3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中已經(jīng)有了較為良好開端，并具有廣泛的應(yīng)用前景。隨著3D打印技術(shù)的不斷研發(fā)完善，隨著材料技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)的不斷優(yōu)化與提升， 3D 打印技術(shù)會日益完善與成熟，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域給更多的患者帶來希望。

來源：生物谷
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生物材料在3D打印中的應(yīng)用