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3D打印技术在医学中的应用进展
作者:杨新宇(综述)、詹成、李明、代曦煌、冯明祥(审校) 来源:《复旦学报》 发表时间:2018-06-14 14:50:13 点击率:
    人工骨骼和支架 3D打印骨骼符合患者需求的形状,形态拟合性较高,能有效减少局部创伤和缩短手术时间,同时可为患者本身骨细胞生长提供孔隙,有效地与患者自身骨组织建立联系甚至与患者本身骨骼融合,有助于患者的康复。比利时Hasseh大学BIOMED研究所运用3D技术打印出与患者原下领骨外形完全一致的人工下领骨并成功植入,该患者不久便恢复了咀嚼和吞咽功能。Sun等利用3D打印技术分别对骨盆肿瘤患者设计个体化人工半骨盆假体,在保证假体固定效果的同时,可保证髓臼部件位置与方向的准确,有利于手术的顺利进行。Benum等应用3D打印技术制备个体化股骨假体和股骨髓腔导向器,成功为2例患者施行人工全髓关节置换术。
  3D支架在临床主要发挥支撑、引导作用。Meseguer等将3D打印技术制备的轻基磷灰石/聚己内醋/脱钙骨基质植入兔子体内,不仅在该支架周围成功诱导骨生成,同时能够引导产生新生骨,并在一定程度上降低了免疫排斥反应。Zhang等构建了一个双关节垫片,此装置主体是一个3D打印出的具有特定几何形状的磷酸钙鞘和一个能提供抗生素的骨轴向水泥柱。从理论上已经证明其具有控制全髓关节置换术后感染的作用。刘阳等利用3D技术制造出了3D多孔性支架,并且能够人为地控制其孔隙率和孔尺寸。Xu利用3D打印技术在体外成功构建了三维曲折蜂窝管支架,为人造血管的制造打下了基础。美国密歇根大学医学院利用3D打印技术成功给1名先天性支气管软化症患儿移植了支气管支架山。2013年,Zopf等利用3D打印技术设计的夹板用于支撑呼吸道以满足患有支气管软化症儿童的生长需要。Mohanty等以聚二甲基硅氧烷和生物可降解的聚已内醋为原料,利用3D打印技术打印出的双孔支架具有结构化的毛孔,利于营养和氧气的有效运输,使细胞分布均匀,提高了细胞活性和增殖能力,适合应用于大型器官和组织的制造过程。
    组织和器官 人造器官面临的关键问题是如何制造出能够保证营养供给和废物排出的血管系统以及如何保证细胞在材料中的存活力。Boland等应用喷墨打印技术将牛血管内皮细胞与藻酸盐水凝胶同步打印,形成内皮细胞冰凝胶三维复合物,扫描电镜观察发现内皮细胞保持了良好的细胞活性。Mironov等将一层血管内皮细胞打印在基质材料上,形成了形似管状的三维结构。Wu等利用3D打印设备成功打印了可进出的血管网络。清华大学利用自主研发的3D打印技术成功打印出血管化的脂肪组织,并与动物体的血管系统相连接,为临床上修复女性乳房组织提供了方法。美国宾夕法尼亚大学Miller等以碳水化合物材质制成的模板,利用浇灌法等技术制成管道状血液通路。同年华盛顿大学Zhang等利用类似技术制备出内皮化的微流通路。东京大学的Huang等,在将肝癌细胞种植在打印出的带分支的血管系统上。Pinnock等设置了独特的3D打印系统,通过改变3D打印插入板可控制打印出的人工血管的细胞组成及壁厚,并有望用于血管修复。清华大学器官制造中心最早组装成具有分支血管系统的肝脏前体模型。2014年初,爱丁堡赫瑞瓦特大学的研究人员率先研制出利用人体细胞打印人造肝脏组织的技术。美国Organov公司打印出了微型肝脏,该微型肝脏具有真正肝脏的大多数功能。
    药物 Wu等首先提出用3D打印技术制造可控释放药物的想法后,Katst等和Rowe等从材料、结构和剂型设计、制造工艺等方面,对用3D打印技术制造可控释放药物的可行性和实用性进行了研究,并成功制造出具有单药和多药复合释药特征的口服可控释放药片。弗吉尼亚州雷斯顿Parabon纳米实验室利用纳米级3D打印技术制造能对抗脑癌胶质母系脑瘤的药物。Khaled等利用3D打印技术成功地制成复合多释片,内含卡托普利、格列毗、硝苯地平缓释片3种药物,并为其提供了2种释放机制。这种药物有望用于患有高血压的糖尿病患者。我国华中科技大学的余灯广等口利用3D打印技术也成功地制备出了药物梯度控释给药系统。药物转运和释放方面的研究也十分深入。Uoyanes等通过实验证实不同形状的3D打印载药几何体在药物释放方面的不同作用。Song等研发出能够局部缓释免疫抑制剂环孢素A(CsA)的3D药物载体,在一定程度上解决了CsA全身给药导致的不良反应。
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