打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的運用

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【摘要】3D打印技術(shù)能夠進(jìn)行個性化定制，給生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域帶來了新的技術(shù)突破。本文首先概述了3D打印技術(shù)，之后就其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展前景展開了論述。

【關(guān)鍵詞】3D打印技術(shù)；生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域；應(yīng)用；發(fā)展

1引言

19世紀(jì)末就已經(jīng)出現(xiàn)了3D打印思想，但真正將其付諸實踐是在20世紀(jì)80年代。經(jīng)過30多年的發(fā)展，3D打印技術(shù)已經(jīng)獲得了長足的進(jìn)步，并以其獨特的制造模式改變著傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式，且有望實現(xiàn)一體化、個性化、社會化、可視化的生產(chǎn)方式，為社會帶來新的經(jīng)濟(jì)增長點。當(dāng)前，3D打印技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用于制造業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、航空航天等社會各領(lǐng)域，極大地推動了第三次科技革命的發(fā)展。3D打印技術(shù)就是通過精確控制將原本虛擬的模型轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實的物品。如果將其應(yīng)用至生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，對組織再生工程、藥物傳輸、術(shù)前治療計劃確定等方面將會產(chǎn)生不可估量的影響。

23D打印技術(shù)概述

3D打印技術(shù)又被稱為3D快速成型技術(shù)、添加制造技術(shù)或者增材制造技術(shù)，主要是以物體的數(shù)字化信息為基礎(chǔ)，經(jīng)由計算機(jī)控制，將數(shù)字模型打印為用粉末狀金屬或者塑料等材料層層堆疊的三維實體。目前，依據(jù)沉積方法和使用材料的不同，3D打印技術(shù)可分為以下幾類。一是分層實體成型，簡稱LOM。該技術(shù)主要采用紙、金屬箔、塑料薄膜等材料，并將這些材料依次切割、膠合，如此反復(fù)直至成型。其特點是原材料價格較低，制作成本低。二是熔融沉積成型，簡稱FDM。該技術(shù)主要使用塑料纖維或者金屬絲等熱塑性材料，并將原材料加熱至熔融狀態(tài)，之后將其擠壓于工作臺上，待其冷卻就會形成一層截面，如此重復(fù)操作直至三維物體成型。其特點是污染較小、操作簡便、材料可重復(fù)利用。三是立體光固化成型，簡稱SLA。該技術(shù)主要采用液態(tài)光敏樹脂材料，將特定波長和強(qiáng)度的激光聚焦至材料表面，使其按照一定順序固化成型。因此，該技術(shù)的缺點是要求原材料是光敏材料，造價較高，且維護(hù)成本不菲。其優(yōu)點是速度較快，不需要切削工具和相關(guān)模具。四是選擇性激光燒結(jié)成型，簡稱SLS。該技術(shù)運用激光將固體粉末進(jìn)行分層燒結(jié)，并逐層疊加直至成型。五是電子束自由成型制造，簡稱EBF3。該技術(shù)主要采用電子束來溶化金屬絲，最終制成零件。其主要優(yōu)點為所需原材料較少且后續(xù)需要處理的事情較少。

33D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1組織再生工程

目前臨床的一大難題就是人體器官的移植。一方面是因為一時之間很難找到非常合適的捐獻(xiàn)器官，另一方面是因為捐獻(xiàn)器官與移植人之間可能會出現(xiàn)排斥反應(yīng)。而3D打印技術(shù)的出現(xiàn)為人造人體組織器官帶來了突破。不同于傳統(tǒng)的組織再生工程，3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)個性化定制，依據(jù)患者的實際情況進(jìn)行復(fù)雜、精密的組織再造，如耳廓、股骨頭等；運用計算機(jī)進(jìn)行精確操控，實現(xiàn)快速高效的標(biāo)準(zhǔn)化操作；為人體缺損的部位提供三維立體支架材料，使組織細(xì)胞能夠在支架材料上粘附生長，減少與機(jī)體的排斥性。在此方面，國內(nèi)外已經(jīng)出現(xiàn)了不少成功的案例。例如，以負(fù)載人體脂肪干細(xì)胞的水凝膠為材料制造出新型人耳支架；以負(fù)載成纖維細(xì)胞與角化細(xì)胞的膠原為材料，可促使皮膚組織再生；以3D打印技術(shù)制造的水凝膠管道模型可以誘導(dǎo)其周圍的毛細(xì)血管形成微血管床等。3D打印技術(shù)目前已經(jīng)可以使生物活性分子或者細(xì)胞附著在組織支架材料上實現(xiàn)組織再生，并在血管、皮膚組織工程方面有了較大突破，同時在個性化器官打印方面也有著廣闊的應(yīng)用前景。

3.2藥物傳輸系統(tǒng)

理想狀態(tài)下的藥物輸送系統(tǒng)能夠盡可能地減少副作用，并保持藥效的穩(wěn)定。若將3D打印技術(shù)引進(jìn)此系統(tǒng)，則不僅能夠根據(jù)實際要求進(jìn)行不同孔徑的三維立體藥物載體的制備，還能將其植入支架材料實現(xiàn)對藥物的直接負(fù)載，直接促進(jìn)組織再生。例如，在聚乳酸基材中混合呋喃妥因與羥基磷灰石材料，并利用3D打印技術(shù)制備出緩釋片劑，使其能夠有效地抑制金黃色葡萄球菌的生長，實現(xiàn)了給藥緩釋系統(tǒng)的個性化定制；復(fù)合負(fù)載血管內(nèi)皮生長因子VEGF的明膠微粒和3D打印支架材料，使VEGF能夠在植入部位起到緩釋的作用，并促進(jìn)植入部位的血管生成等。

3.3術(shù)前治療計劃確定

3D打印技術(shù)可以快速且精確地復(fù)制復(fù)雜模型，從而達(dá)到速度和質(zhì)量的統(tǒng)一。在外科手術(shù)之前，通過CT掃描和3D打印技術(shù)將缺損部位通過模型直觀、精確地展現(xiàn)出來，為醫(yī)患間的溝通交流提供了便利，同時也有助于醫(yī)生在模型上進(jìn)行術(shù)前設(shè)計和模擬，由此提升手術(shù)的精確性。將數(shù)字化設(shè)計和3D打印技術(shù)結(jié)合在一起，不僅有利于術(shù)前的精確模擬，還能提升術(shù)后療效判定的準(zhǔn)確率。

43D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展前景

3D打印技術(shù)目前已然成為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一大研究熱點，有著廣闊的發(fā)展前景。其一大優(yōu)勢就是制造出的支架可以與缺損部分實現(xiàn)個性化匹配，使原位修復(fù)成為可能。隨著科技的發(fā)展，多噴頭3D打印技術(shù)出現(xiàn)，為新一代生物仿生材料的制作提供了技術(shù)支持。但3D打印技術(shù)在打印構(gòu)建物成型、營養(yǎng)傳輸、血供和長期存活等方面同樣面臨著不小的挑戰(zhàn)，還需研究者進(jìn)一步攻堅克難。但是總體來看，3D打印技術(shù)會在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著更為廣泛的應(yīng)用，為人類醫(yī)學(xué)做出更大的貢獻(xiàn)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張健豪，王燮辭，武文芳.3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用[J].醫(yī)學(xué)教育管理，2017，3(04):323-326.

[2]馬瑞宏.3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用之我見[J].當(dāng)代化工研究，2019(01):198-199.

作者：陳明 張麗 盧萬鵬 楊雁 單位：安徽醫(yī)科大學(xué)