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3D打印在面颌修复、心血管构建与生物芯片中的应用

长期以来,人们一直希望致力于研究能够使损伤、病变组织或器官完美重现和再生的材料和装置。随着生物技术、医药技术、信息技术、制造技术、纳米技术和材料科学技术的迅猛发展与交互融合,新型和新概念生物医用材料层出不穷,譬如3D打印技术的出现。3D 打印技术能够根据患者需求,实现患者对生物高分子材料的快速而又精确的个性化定。特别是对于全器官和大型组织的构建,其所采用的细胞逐层累积方法使得支架的构建以及细胞和生物材料的置入具有了高度的可控性、精确性和高效性。使得生物医学材料在组织再生工程、 人工器官和组织的制造、心血管构建、药物输送系统以及医学诊断等方面有了全新的应用。

3D打印在面颌修复、心血管构建与生物芯片中的应用

3D打印在面颌修复中的应用

颌骨缺损多见于肿瘤切除、外伤、放射性骨坏死及炎症等,这种缺损不仅严重影响患者咀嚼、语音、吞咽等生理功能,而且对患者的容貌以及心理造成很大影响。因此,如何修复和重建颌骨缺损,恢复其功能以及改善颌面部畸形是外科的重要课题。骨骼的病变以及创伤,是无法自我修复的。随着组织工程技术的发展,骨组织工程在骨缺损修复方面起着非常重要的作用,可促进骨组织生长、修复骨缺损,并呈递生物活性物质。3D打印技术的出现开创了医学领域新天地,尤其在硬组织缺损修复重建中,直接或间接提高了手术精度,满足了微创性和个性化要求。

3D打印技术利用相应的材料,逐层创建出实体的一种组织工程学技术。通过处理CT数据建立患者骨组织三维数字模型,输入快速成型机器,制成的1∶1快速成型模型与实际骨组织一致,有助于医生准确了解组织的细微解剖结构及病变与周围结构的关系,讨论并制定手术方案。在对骨组织工程支架的构建方面,3D打印技术以设计方便,构建不需要模具,可以轻易制备结构复杂、孔隙均匀、几何形态各异的骨组织工程支架。3D打印技术根据原理不同可分为熔融沉积技术、三维打印技术、选择性激光烧结技术、三维生物描绘技术、低温沉积制造技术等,可以制备出包含骨骼内部结构的三维孔隙结构,在组织工程支架材料制备和构造方面有广泛的应用前景。3D打印技术具有高精度、构建速度快、可按需制造实现个性化定制等优势。

3D打印在面颌修复中的应用

3D打印在心血管构建方面的应用

3D打印技术已完成了在组织工程心肌、心脏瓣膜、大血管及血管网构建上的探索阶段,尤其在打印方法的多样化及生物活性原材料的选取上具有重要的突破。3D生物打印通过使用一种可自定义的3D打印硅胶模具来容纳和扶持打印的组织结构。在这种模具里,研究人员首先打印出血管管路网格,然后再在上面打印含有活体干细胞的油墨。在这个基础性血管网格内部的交叉路口,研究人员会打印血管立柱,这些血管网格相互连接,就在整个干细胞堆积的组织内部形成了一个无所不在的微血管网络。在打印之后,一种由成纤维细胞和细胞外基质组成的液体会填进3D打印组织周围的开放区域,交联其整个结构。最终产生的软组织充满了血管,然后研究人员通过该硅胶模具两端的出入口可以向该组织灌注营养物质,以保证细胞存活。而无所不在的血管系统则通过将细胞生长因子运送至整个组织的所有地方来促进干细胞的分化。

目前,组织工程心脏瓣膜、工程大血管打印由于对原材料的要求不高,发展较为迅速和成熟,逐渐应用于临床;组织工程心肌以及血管网的打印相辅相成,对材料及打印方法的选择较为苛刻,在兼顾生物活性的同时要保证组织生理功能的实现,还有很多的技术难题需要攻克。 3D打印技术以其耗时短、耗材量低、按需定制、可个体化制造精准复杂的产品等优点,在一定程度上解决了目前器官供体短缺、器官免疫排斥、生物组织工程难以仿生等重要问题。未来3D技术的发展将会攻克现有的难题,更加广泛地应用于临床疾病的诊疗中。

3D打印在心血管构建方面的应用

3D打印在生物芯片中的应用

器官生物芯片是指在微流控生物芯片上制造出微观的人体组织,它们的作用是模仿人体组织的功能。器官生物芯片在进行生物学研究和药物筛选实验时往往比二维的细胞培养方式更加有效。美国康涅狄格大学等机构的科学家在Towards Single-Step Biofabrication of Organs on a Chip via 3D Printing(通过3D打印技术进行器官生物芯片的一步制造)一文中描述到,传统的微流控芯片制造技术是劳动密集型的产业,不利于实验室进行芯片设计的快速迭代和快速制造。将3D打印技术用于制造微流控生物芯片则可以在几个小时内实现微型流体通道的快速制造,有利于设计的快速迭代,提高了基于微流控研究的跨学科性,并加速创新。未来,先进的生物3D打印机不仅可以打印微流控平台,还可以同时在微流控平台中直接打印出定制化的微观人体组织

3D打印在生物芯片中的应用

3D打印技术在医学领域中已经有了较为良好开端,并具有广泛的应用前景。随着3D打印技术的不断研发完善,随着材料技术、信息技术、控制技术的不断优化与提升, 3D 打印技术会日益完善与成熟,在医学领域给更多的患者带来希望。

原始出处:

1】周启荣,陈晓,苏佳灿等.3D打印技术及其在生物材料领域应用研究进展[J].世界复合医学,2016,2(1):1-7.

2】陈鹏, 刘冰, 魏博,等. 3D打印技术在颌骨缺损修复重建教学中的应用[J]. 口腔颌面修复学杂志, 2015(3):166-168.

3】党莹, 李月, 李瑞玉,等. 骨组织工程支架材料在骨缺损修复及3D打印技术中的应用[J]. 中国组织工程研究, 2017, 21(14):2266-2273.

4】王璐, 胡为杰, 聂昊,等. 3D打印与组织工程心肌、心脏瓣膜、大血管及血管网的构建[J]. 中国组织工程研究, 2015, 19(43):7029-7034.

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