Advanced Healthcare Materials: 3D打印技术的临床应用

在医学领域,设计、制造和修复组织和器官的技术进步显著改善了人们的生活质量并延长了平均寿命。大规模生产是现代社会的工业发展的主流,但是因为存在个体差异,大规模生产制造出的相同规格的产品并不能实现个人需求定制,在医学领域更是如此。例如,传统的髋关节更换手术使用大批量生产的替换装置。然而这些髋关节植入假体的超敏反应和失败的例子屡见不鲜。这些假体因为形状不吻合,干扰了正常的髋关节运动,影响了病人的生活质量。因此,医生们正在考虑使用3D打印方法根据每位患者的独特骨骼结构定制关节假体。2011年,全球制造商通过3D打印制造了约30,000个假肢和超过50万个牙科植入物。虽然如此, 3D打印技术在临床上的设计和开发努力仍显不足。2012年,整个医疗和牙科假体制造仅有不到0.05%涉及3D打印技术。

3D打印是一种在计算机控制下连接或固化材料以创建三维物体的过程。与为大规模生产开发的制造技术形成鲜明对比的是,3D打印可以实现(1)通过数字设计创建高度定制和优化的三维物理结构,(2)不同类别材料的特性和功能的协同整合以创建新颖的混合装置,(3)促进生物构建体和系统协同整合的生物相容性的制作方法。这份进展报告描述了这些3D打印是如何有可能解决无数未满足临床需求的最新进展,例如在假体,药物输送,生物芯片组织,生物组织再生和生物电子学上的应用。

来自犹他大学的Yong Lin Kong教授在这篇综述中系统性地总结了3D打印的临床应用。文章首先描述了用3D打印出来的假体修复病人骨骼的支撑和负重作用。相比于传统技术制造的昂贵且不舒适的假体,3D打印可以通过生物相容性材料来创造针对每个患者的独特解剖结构和需求而定制的特异性假体。例如,图C所示3D 打印钛材料肋骨是根据患者胸腔内部构造设计出来的,通过手术移植,可修复患者胸部的支撑和负重能力。文章同样还提到了利用可生物吸收的新材料,通过3D打印出具有患者特异性管状结构来修复软管状组织的支撑能力。其次,利用3D打印还可以开发新型药物递送的方法。如图G所示,3D打印出来的不同结构的空心微针可用于无痛递送治疗剂,并实现定制的药物释放曲线。第三,文章描述了3D打印的器官芯片平台。 3D打印技术有助于重现微环境以更好地了解细胞和组织水平的细胞力学,这在2D细胞培养方法中是不可能实现的。图D所示Zhang等人通过在微纤维水凝胶支架内直接印刷内皮细胞制作出一种3D生物打印的内皮化心肌。他们进一步将其嵌入特殊设计的微流体灌注生物反应器中,以完成内皮化心肌芯片平台的心血管毒性评估。第四,文章强调了3D生物打印在组织再生研究上所做的贡献。 3D打印可以实现三维构造并且有很好的生物兼容性,可以促进组织和器官再生。如图1B所示3D打印用于心脏瓣膜和皮肤再生的研究。最后,文章预想未来将开发多材料结合的3D打印以生产生物电子产品,从而将人为设计的功能赋予生物结构。医疗仪器与电子设备的集成使得具有生物反馈的复杂生物电子设备的产生具有了可能性。这些生物电子器件或超过生物器官固有的复杂功能,如图F中的例子所示。3D打印出来的电子和生物结构的结合已经取得了进展,它们均表现出超出正常人类能力的特性来更好地解决目前的临床需求。相关文章在线发表在Advanced Healthcare Materials(DOI: 10.1002/adhm.201800417)上。

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