3D打印技术的应用实例：生物领域的突破

1.3D打印皮肤

由于当前医疗技术的限制，许多烧伤受害者经过治疗后无法得到像正常人一样的皮肤。在大多数情况下，人体可以自行愈合得非常好，但是当皮肤受到像烧伤或皮肤疾病之类的极端损伤后，通常无法很好恢复。因此，改善人体皮肤再生能力成为当前的迫切需求。四名来自荷兰莱顿大学的学生最近提出了一个引人注目的概念：SkinPrint（皮肤打印）。皮肤打印是利用3D打印技术，通过一个可以生产人体皮肤的生物3D打印机来解决这个问题。SkinPrint通过先进技术利用生物3D打印机诱导多功能干细胞（iPS）再生，例如头发或皮肤细胞的干细胞，只需要获取一小块健康人体皮肤就可以做到。然后将这些细胞作为生物3D打印机的墨水来开发干细胞，最终利用生物3D打印机制作出皮肤。由于诱导再生的多功能干细胞来自患者自身，可有效避免免疫性反应。图7-45为利用3D打印技术打印皮肤的过程示意图，图7-46为打印出的人体皮肤。

图7-45 皮肤打印过程示意图

图7-46 利用3D打印技术打印出的人体皮肤

美国维克森林大学军事研究中心的科学家开发了一种新的皮肤修复方法，利用3D打印技术直接将皮肤细胞打印在烧伤创面上。这种方法远远优于传统的皮肤移植技术。因为传统皮肤移植技术需要患者正常的皮肤，而有些情况下，皮肤移植是痛苦的，并且对于全身烧伤的患者这种方法也不适用。对烧伤患者来说，不再需要进行皮肤移植而可以采用细胞打印技术直接修复烧伤。图7-47为采用该工艺技术对人体皮肤的烧伤进行修复治疗的示意图。

图7-47 皮肤细胞3D喷涂修复示意图

该生物3D打印机内置的激光器首先会对伤口的尺寸和形状进行测量，然后精确地将特定皮肤细胞应用在需要的部位。研究人员将来自皮肤的细胞进行溶解，然后将细胞分离成角质细胞、纤维细胞等各种类型，由此制成了皮肤细胞喷雾剂。纯化细胞在营养液中进行培养增殖后被放入无菌暗室，然后采用3D打印技术先喷一层纤维细胞，再喷一层角质细胞。由此，喷涂细胞就在伤口上形成了一层保护屏障。目前只在小鼠身上进行了试验，初步结果显示伤口可迅速、安全地得以愈合，与未经处理的伤口相比，愈合速度要快上3周。维克森林大学再生医学教授乔治·克里斯特表示，他们下一步准备在拥有和人类相似皮肤的猪身上进行试验，最终将向美国食品和药物管理局申请开展人体试验。他们计划制造出一台能在战场和灾区使用的便携式皮肤修复打印机。

儿童通常是深度烧伤的受害者，皮肤细胞喷雾剂是烧伤治疗技术的突破，使用生物3D打印机，喷涂的细胞中因含有尚未成熟的干细胞，皮肤细胞就会与周围的皮肤融为一体，如果烧伤能够在2～3周内治愈，就能够避免烧伤留下的伤疤，这样被烧伤的孩子就不会随着年龄的增长而背负伤疤所带来的心理负担，也不用在长大后接受植皮或其他外科手术。研究人员还表示，该方法对于治疗常见的糖尿病足部溃疡也将是适用的。

2.3D打印血管

德国弗劳恩霍夫研究所的一个研究小组，使用基于SLA的3D打印工艺和一种多光子聚合技术，成功地打印出人造血管。早在20世纪50年代，人造血管就已经被“织造”出来，并在临床上广泛用于大动脉血管的替换，但在直径6mm以下的静脉血管研究上，一直没有取得突破性进展。主要原因是：人造毛细血管不仅需要足够细小，而且还要有能和真实血管相媲美的弹性和生物相容性。德国最大的应用科学研究机构弗劳恩霍夫应用研究促进协会（Fraunhofer-Gesellschaft）的BioRap计划，使用3D打印技术“打印”具备生物相容性的毛细血管。图7-48为研究人员正用细胞介质冲洗人造血管。

图7-48 研究人员正用细胞介质冲洗人造血管

3D打印技术制造出的毛细血管，不但可以应用在更换坏死的血管上，还可以与人造器官技术结合，有力推动大型人体器官制造技术的发展。因此，即使在短期内还不能成功地根据需求制造出各种人造器官，但是由3D打印血管衍生出的3D人造组织也将会挽救千万患者的生命。

通常的组织再造是基于外源性生物相容性的支架的使用而进行的。然而支架材料的选择、免疫性、降解速率等，会影响组织的长期性能并直接干涉其主要的生物功能。因此，借助3D打印技术的3DPG方法，出现了无支架组织的再造技术，并在皮肤、骨骼等方面取得了进展，成功再造了外径为0.9～2.5mm的血管组织。

在无支架血管组织再造之前，需经过前期的细胞培养、柱状多细胞体和琼脂糖棒的准备。图7-49a为血管再造模板，按照图7-49b中的顺序进行琼脂糖棒的逐层堆积。图7-49c为再造血管组织的生物3D打印机，堆积出图7-49d所示的含有琼脂糖棒的血管组织。去除琼脂糖棒后，得到图7-49e所示的外径分别为2.5mm和1.5mm的血管组织。生物3D打印机配备两个打印头，一个用来挤出琼脂糖棒，另一个用来进行多细胞体的沉积。

图7-49 无支架血管组织再造过程

图7-50为使用实体血管组织球微粒材料，采用生物3D打印技术制作肾脏内部枝芽状血管的过程。

图7-50 生物3D打印枝芽血管过程

图7-50 生物3D打印枝芽血管过程（续）

3.3D打印微型肝脏

美国加州Organovo公司使用3D打印机逐层打印了大约20层肝实质细胞和肝星状细胞两种主要的肝细胞，制作了微型肝脏器官。利用3D打印技术制作出的微型肝脏器官，虽然只有深0.5mm、宽4mm，但它却具有真实肝脏器官的多项主要功能，包括产生运输激素的蛋白质及将盐和药物送递至全身等功能。伴随着细胞从血管抵达微型肝脏器官，实现了为肝脏器官运送营养物质和氧气的功能，而且至关重要的是增加了血液细胞，这种微型肝脏器官的3D蜂窝状组织能够幸存5天以上。2D培养的细胞与此3D蜂窝组织差别很大，前者基于单层或者双层细胞构建，仅能幸存2天，且不具备后者的独特功能。

微型肝脏器官的真实结构和功能结合肝细胞层和肝星状细胞层，对于感染疾病的研究产生积极影响。它可以进行血液过滤、新陈代谢和输送药物，并生成白蛋白，以及胆固醇和细胞色素P450s（能在肝脏器官中新陈代谢药物，是一种具有解毒作用的酶）。这种微型肝脏的逼真结构和机能使之能准确预报药品等物质的毒性。突破性的新药从开发到面市需要10～15年以及超过10亿美元的投资，都需要进行对肝脏的毒性测试。3D打印人体器官能把这一时间缩短到10年以下，而成本仅仅是原来的一半。图7-51为Organovo公司采用3D打印技术制造的人工肝脏细胞。

图7-51 Organovo公司采用3D打印技术制作的人工肝脏细胞

肝脏包含了多种不同的细胞种类和复杂的血管结构，因此人造肝脏的制造相当困难。目前正在计划利用3D打印技术制造出构造相对简单的1mm迷你肝脏和各种干细胞，人造肝脏器官的诞生还需要一段时间。

4.3D打印肾脏

美国维克森林再生医疗研究所（Wake Forest Institute of Regenerative Medicine）的科学家正在研究各种项目，包括耳朵、肌肉打印，并长期致力于肾脏打印研究。打印“肾脏”时，研究人员首先从成年病人的骨髓和脂肪中提取出干细胞，通过采用不同的成长因子，这些细胞能够被分化成不同类型的其他细胞；然后将这些细胞转化成液滴，制成“生物墨水”；接着用注射器一层一层地将“生物墨水”喷涂到凝胶支架上，直到器官的三维结构完成，使用3D打印技术制作出概念肾模型。将此用细胞和生物材料制造的“微型”肾脏移植入小公牛体内，可以产生尿液样物质。图7-52为利用3D打印技术制作的人造肾脏。

图7-52 3D打印的肾脏

5.3D打印耳朵(www.xing528.com)

美国康奈尔大学研究团队采用3D打印机和活体细胞喷射成型方法成功制造了人体再生耳朵。其制造过程为：生物工程师对患者耳朵的3D扫描数据进行处理，在CAD系统上完成耳朵各部分结构造型及其型腔模具的设计，并采用3D打印机打印出耳朵型腔模具。随后，科学家们将一种高密度的凝胶灌入该模具型腔内，这些凝胶由2.5亿个牛的软骨细胞和从鼠尾提取的胶原蛋白（作为支架使用）制成。15min后，研究人员将得到的耳朵移出并在细胞培养皿中培育。3个月的时间内，软骨就可以取代胶原蛋白。与合成植入义耳不同的是，由人体细胞培育而成的耳朵能更好地同人体相结合。图7-53为美国康奈尔大学采用3D打印技术制作的耳朵。

图7-53 3D打印的人体再生耳朵

据报道，研究人员在新一期英国《自然·生物技术》杂志上说，他们利用新开发的生物3D打印系统打印出的人造耳朵、骨头和肌肉组织，移植到动物身上后都能保持活性。这项技术未来发展成熟后，可能解决人造器官移植难题。图7-54为采用生物3D打印机打印出的另一耳朵实例。

图7-54 生物3D打印机打印出的另一耳朵

6.3D打印生物支架

生物支架是细胞黏附的基本框架，是细胞增殖分化的基本场所，是构建仿生组织和器官的基本支架。生物支架必须具备以下条件：

（1）良好的生物相容性 无毒，利于细胞黏附增殖，不会引起机体免疫排斥，安全用于人体。

（2）良好的生物降解性 支架的降解速率与细胞的增殖速率保持一致，降解物对人体无害。

（3）具有三维多孔结构 合适的孔径，高孔隙率，具有较大比表面积，利于营养物质与废物运输，以及利于细胞的黏附增殖和细胞外基质的沉淀。

（4）适当的机械强度 为细胞的生长提供支撑。

（5）易于杀菌消毒和储存 组织材料具有一定的稳定性。

常用的生物支架材料分为非生物降解型和生物降解型。

非生物降解型材料包括：高聚物（碳素纤维、涤纶、特氟隆），金属材料（不锈钢、钴基合金、钛合金），生物惰性陶瓷（氧化铝、氧化锌、碳化硅）等。这些材料的特点是强度高（耐磨、耐疲劳、不变形等），生物惰性（耐酸碱、耐老化、不降解），但存在二次手术问题。

生物降解型材料包括：生物活性陶瓷（生物玻璃、羟基磷灰石、磷酸钙），纤维蛋白凝胶、胶原凝胶、聚乳酸、聚醇酸及其共聚体、聚羟基酸类、琼脂糖、壳聚糖和透明质酸等多糖类。

PCL是一种生物可消融聚合物，在骨与软骨修复方面具有潜在的应用价值。PCL支架可由多种3D打印技术制得，包括熔融沉积技术、光固化成型技术、精密挤压沉积、三维打印等，而采用SLS技术制作能够容易实现具有多种内部结构与孔隙率的PCL支架。

图7-55a为在UG三维造型软件上设计的圆柱形多孔支架（直径12.7mm、高度25.4mm），图7-55b为Sinterstation 2000设备上使用PCL粉末制作的SLS支架模型。图7-56为猪颚关节的三维构形及多孔支架设计与SLS模型。

图7-55 PCL多孔支架的设计与制造

图7-56 PCL多孔支架在猪颚关节制造中的应用

对于微小区域的骨缺损，其修复植入体可采用骨细胞利用上述类似的生物3D打印机直接打印成型。图7-57为该方法进行骨组织制作的流程示意图，该方法的成功应用如图7-58所示。

图7-57 移植骨组织生物打印过程

图7-58 细胞打印移植骨在活体内的组织变化

7.3D打印用于医学实验

由于能够为医疗健康领域带来极大的好处，目前生物3D打印正在以极快的速度发展着，其实际应用也在不断增加。近日，全球知名的健康医疗公司罗氏（Roche）就与生物3D打印的领先企业Organovo联手，使用Organovo的3D打印活性人类肝脏组织（图7-59）对药物性肝损伤进行了建模，然后借此鉴定出了曲伐沙星的毒性。方法是通过将其与另一种结构相似的无毒的药物——左氧氟沙星进行对比。

这对于罗氏这样的制药公司来说十分有意义，因为有了这种在各种属性上都已经十分接近天然组织的3D打印组织，他们就能在无须人类志愿者提供天然组织样本的情况下确定某些化学物质的毒性，从而避免药物对人体可能造成的伤害。

曲伐沙星是一种第三代抗感染药物，虽然具有较强的抗菌作用，但对肝脏的毒性较强，所以已经逐渐退出市场了。它的毒性使用常规化学方法很难鉴定，此次却由罗氏与Organovo使用3D打印的肝脏组织轻松确定，可见这种人工组织的性质的确已经与天然组织十分接近了。

Organovo的3D打印肝组织是由真正的肝细胞与非实质性（内皮细胞和肝星状细胞）细胞群组成的，具有真正的三维结构，所以也就具有如同天然肝组织一样的性质，这正是研究者们可以利用它鉴定出曲伐沙星毒性的重要原因。

Organovo表示，希望这个成功的案例能为这种3D打印肝组织的实际应用铺平道路，与其他方法（如动物测试和2D细胞建模）一起成为未来药物测试的常规手段。

图7-59 生物3D打印的肝脏组织