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【盘点】3D打印技术助力生物医学快速发展

来源:网络 作者: 时间:2019-06-11

【盘点】3D打印技术助力生物医学快速发展

【盘点】3D打印技术助力生物医学快速发展

3D打印,即快速成型技术的一种,它是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

近年来,3D打印技术在生物医学领域的应用越来越广泛,本文盘点了3D打印技术在生物技术发展、临床应用及市场开发上的研究现状。

德科学家用明胶制生物墨水可3D打印人体组织
3D打印完整的人体器官是科学家一直以来的目标。近日,德国科学家朝这一目标前进了一大步,他们研制出了可3D打印人体组织的“墨水”。

德国弗劳恩霍夫界面工程和生物技术研究所日前发表公报称,他们对明胶进行化学处理后,使其成为适用于打印人体组织的“墨水”。明胶是从胶原质中提取的一种水溶性蛋白质,它是构成人体组织的主要成分。

由明胶制成的生物“墨水”在打印过程中可以保持液态,而非胶状。在紫外线照射后,这种生物“墨水”的分子会交叉融合,形成一种水凝胶。这种水凝胶聚合体含有大量的水分,与真正的人体组织一样。当温度升高至37摄氏度时,它可以在水相环境中保持稳定。
Nat Commun.:新技术有望实现3D打印组织
布莱汉姆女子医院的科学家开发出一种新型显微机器人技术,该技术能够组装符合材料,是3D打印和组织工程的基础。相关报道发表在近期的Nature Communications杂志上。

组织工程和3D打印无疑在未来医学中具有举足轻重的作用。由于缺少足够的器官供体,许多病人都不能恢复健康。用病人自身的细胞进行组织培养产生新器官不仅能够缓解器官供体的问题,还能解决排斥反应问题。

该新技术采用显微控制技术,能够在单细胞水平精确控制分隔细胞的水凝胶结构。该显微机器人由磁场控制,精确度高。这对组织工程有重要意义,因为人类组织结构非常复杂,组织不同层面,不同位置的细胞类型都有可能是有差异的。

Tasoglu博士称,该新技术较以往技术的优势在于,能够精确控制,达到组织工程需要的精度。

能直接在病人体内3D打印骨骼的生物笔
对3D打印最重要的期望之一是,我们终有一天能够打印所需的器官。要一个新肝脏吗?这就来,按下按钮就可以了。

我们期望的未来并不遥远,来自澳大利亚卧龙岗大学(UniversityofWollongong)的科学家已经研制出了生物笔(BioPen),它可以让外科医生在人体上3D打印出几乎全新的骨骼。生物笔使用所谓的“干细胞墨水”,一种可以形成新骨骼的人类细胞。所需的另一种物质是一种聚合物,它可以隔离受到手术的区域,以便干细胞不受打扰的工作。你可以想象这是多么的行之有效:如果有人在事故中失去了部分骨头,这种像笔一样的工具可以直接对受伤区域进行修补。
Stratasys 3D打印技术提高植牙手术精确度
Stratasys Ltd.是全球3D 打印的领先企业,引领3D打印的个人应用、原型制作、直接制造与3D打印材料的发展。Stratasys亚太区今日发布了最新的牙科客户成功案例,分享新加坡顶级牙科诊所 -- T32 牙科中心 (T32 Dental Centre) 对3D打印技术的应用经验。T32牙科中心在数码牙科工作流程中引进了3D打印技术,提升了植牙手术的精确度。

T32 牙科中心是东南亚首屈一指的牙科服务机构,引领数码牙科的应用和发展。为加快术前准备工作并省去由外包制作手术导板而产生的费用,T32牙科中心在数码牙科工作流程中引进3D打印技术 -- 选用Stratasys的Objet Eden260V 3D打印机,通过PolyJet 3D 打印技术制作出精细的植牙手术导板。3D打印技术的采用为该中心在短时间内迅速实现了投资回报。

“现在,我们可以更快、更准确地评估治疗方案。通过3D打印个性化定制的手术导板,医生能在手术前将其放置在患者的牙床,精准标出手术过程所需的角度和深度,从而确保种植体的准确植入,”T32 牙科中心创始人兼总经理黄敬文医生说,“自从中心引进了3D 打印机,我们最大限度地缩短了制造手术导板的时间。现在,仅需几个小时,我们就能在诊所内打印出手术导板。”

Biofabrication:3D打印肿瘤三维模型
近日,中国和美国一组研究人员使用3D打印技术成功地创造了肿瘤三维模型。该模型中,宫颈癌细胞覆盖“支架”纤维蛋白,肿瘤三维模型有助于新药的发现,有助更好阐述肿瘤如何发展,成长和扩散到整个体。

该研究结果发表在Biofabrication杂志。该三维模型包括一个网格结构,10mm宽度和长度,由明胶,藻酸盐和纤维素组成,其代表了纤维蛋白(肿瘤的细胞外基质)。

纤维蛋白网结构覆盖Hela细胞,Hela细胞是一种独特的“不朽”的细胞,最初来源于??1951年代宫颈癌患者。由于细胞在实验室条件下无限分裂的能力,在过去50年来细胞系已为科学研究作出巨大贡献。

虽然研究肿瘤的最有效的方法是进行临床试验,但伦理和安全限制,使得难以为进行广泛规模的临床研究。为了克服这一点,细胞单层的二维模型,模仿肿瘤的生理环境,使不同类型的药物能给得到测试。
Drug Discovery Today: 药物3D打印机?
Drug Discovery Today杂志在愚人节的前一天发表了一篇奇葩的论文(Drug Discovery Today.2014,doi:10.1016/j.drudis.2014.03.027.),一位台湾学者称将在5年内发明药物打印机(DrugPrinter)原型,20年内推出药物打印机,实现药物一步打印、100%收率、无副产物。

药物打印机的思想来自于传统的中国鸡蛋饼烤箱,这种机器可以做出不同形状的鸡蛋饼,因此做出不同结构的药物也是可行的。只要将药物结构输入计算机,药物打印机就可以自动将药物打印出来,用于后续研究。

药物打印机分成4个部分:Parta是一个元素库,就如激光打印机的颜料盒,分成金属、非金属、过渡金属三大块,当然最主要的是C、H、O这些药物常见元素;Partb是各种元素输送管路;Partc是药物打印的核心模块,抓取正确的原子放到正确的位置,并且形成化学键;Partd是产物储存库。

3D打印医疗应用市场将超百亿
数据显示,全世界每天共有18个人因为找不到合适的器官移植而导致死亡。但这种局面有望得到改变,今后我们或许将可以通过3D打印得到合适的器官。

记者采访了解到,目前美国Organovo公司已经用3D打印技术培养出人体肝脏组织,用于毒理预测学和疾病建模,并计划在今年年底正式商用。随着技术的日益成熟,3D打印将掀起医学界的产业革命。

上海交通大学医学院附属第九人民医院的骨科诊室,一个特别的手术正在进行。
这是一个骨盆肿瘤患者,经过诊治后大半个骨盆被切除,面临残废的风险,医生正在想办法让他重新站立行走。

中国工程院院士、该院骨科主任戴尅戎教授介绍,按照以前的办法,一般是使用制好的“通用型”金属制品或经过处理的异体骨头修复骨骼巨大缺损,但匹配度差,效果并不好。而如今,他们正在尝试用3D打印技术为患者重新“打印”一个新的骨盆。
Lab on a Chip:科学家利用3D打印技术成功制造出人工血管
血管在我们机体中迂回曲折,其承担着运输必要营养物质排出有毒废物的机能,为我们机体器官的正常工作保驾护航,长期以来开发新型人工血管一直是个难题,近日,来自布莱根妇女医院的科学家通过利用3D打印技术成功地构建出了人工血管,相关研究成果刊登于国际杂志Lab on a Chip上。

生物工程学家Ali Khademhosseini博士表示,近年来我们在制造复杂的人工组织,比如人工心脏、肝脏以及肺脏等上取得了难以置信的成绩,然而开发出人工血管依然是组织工程领域的一项关键挑战;研究者们尝试着通过结合3D打印技术开发特殊的血管水凝胶结构来进行深入研究。

这项研究中,研究者首先利用3D生物打印机开发出了一种琼脂糖纤维模板来作为人工血管的模板,随后用水凝胶覆盖模板,形成一种铸造模具,最后通过交联技术来进行加固;利用这种新型技术研究人员已经成功构建出了可以表现出建筑学特性的微通道网络,随后就可以用水凝胶来填满微通道,比如甲基丙烯酸酯明胶或者基于不同浓度水凝胶类的多聚物。

3D打印何时用于器官移植 专家回应至少需10-15年
3D打印要用于器官移植、细胞培育还要多久?在20日青岛举行的世界3D打印技术产业论坛上,这一问题最令人感兴趣。

所谓3D打印,又称三维打印,即通过专门打印机,采用分层加工、叠加成型的方式逐层增加材料,“打印”出实物。目前,该打印技术已在生物医药领域初显身手:打印牙齿、骨骼甚至肿瘤的立体模型用于辅助诊疗,都已有成功先例。

但美国Drexel大学教授Jack Zhou表示,虽然3D打印目前在生物医药领域“遍地开花”,但是,一旦运用该项打印技术制成的物体要植入人体,必须经过大量细胞培养和试验,来确保其能够在人体存活。但人体组织之复杂,远非现在的技术能够驾驭。
此外,3D打印使用的材料会否在长期使用中产生副作用,会否因与人体组织发生化学反应而产生毒素,都有待观察。
世界首例3D打印椎体植入术在京完成
患有枢椎恶性肿瘤的12岁小患者明浩,日前在北医三院换上了世界首例3D打印的枢椎椎体。前天,小明浩自己迈步走出了北医三院的大门。

今年5月初的一天,身高1.8米的明浩和同学踢足球,一个简单的顶球动作竟使他的枢椎受了伤。顶球后,明浩并没有太大感觉。第二天他的脖子才开始疼,家人以为他落枕了。一个多月过去了,落枕没好,明浩全身开始麻木。在山东老家的医院检查后发现,明浩枢椎出现骨折。因为部位特殊、病情较重,当地医生建议到北京就诊。7月中旬,一家人辗转来到北医三院,找到了国内脊柱肿瘤专家——骨科主任刘忠军教授。经影像学检查,骨折原因高度怀疑枢椎部位肿瘤;经穿刺活检,确定肿瘤的性质——尤文氏肉瘤!

乳腺癌患者的福音:用3D打印完成皮肤和脂肪移植
Laura Bosworth在她绝大多数时间里,谈的最多的是乳房,其中的重点是乳头。在过去的三年时间里,作为TeVido BioDevices的CEO,Bosworth一直在研究如何让自己的产品能够为乳腺癌患者提供帮助。对身患乳腺癌的女性来说,乳房肿瘤切除术和乳房外科切除术所留下来的精神创伤非常大,该公司一直致力于研发人体组织,希望利用3D打印技术进行皮肤和脂肪移植。

TeVido从接受者身上获取脂肪和皮肤细胞,通过3D打印完成皮肤和脂肪移植。该公司的第一款产品是为乳房再造的乳头,不过他们的最终目标是为医疗美容行业提供更多脂肪移植产品。

Bosworth在2010年开始3D打印乳头的,当时她刚刚从工作了20年的戴尔退休,幸运地遇到了“生物打印之父”Thomas Boland博士,从而激发了她进军这一领域的念头。2011年,她和Boland共同创建了TeVido,进一步开发3D打印技术,并开始深入研究人体组织打印市场。Bosworth保守估计,TeVido的产品至少会有60亿美元的市场。
3D打印肾肿瘤
大多数患者都依靠他们的医生破译CT扫描中的黑色,白色和灰色图像获取自己肾脏信息。但是,如果患者能有(由CT图像制作的)自己肾脏的3D模型?那么,他们获取的信息将更加全面清晰。

到目前为止,在杜兰大学泌尿外科部接受治疗的6例患者在手术前,已经看到了他们肾癌的3D模型。

紫外线激光器使用树脂材料(类似于塑料)打印肾脏模型。正常肾组织用清晰透明树脂打印,肿瘤用红色树脂打印。

泌尿系肿瘤的部分负责人Jonathan Silberstein博士说:我们可以展示给患者他们的肿瘤位置,以及肿瘤延伸到肾组织中有多深,以及我们打算如何手术移除肿瘤。

我国生物3D打印技术获突破
我国生物3D打印技术获得突破——杭州电子科技大学徐铭恩教授团队研发的生物3D打印机成功打印出人类肝脏单元、脂肪组织等。通过3D打印机打印出的细胞存活率高达百分之九十,能够存活长达四个月之久。国际期刊《Biomaterials》称该团队的工作处于生物3D打印领域的最先进水平。

徐铭恩教授认为,生物医学领域的产品附加值高,是各类新技术应用推广应用的重点。生物医学领域的市场规模巨大,而每个人的身体构造和病理状况均存在差异,3D打印在生物医学领域有巨大的应用价值,在个性化定制人工假体、组织工程支架、组织器官的制造等方面有独特优势。这是3D打印技术未来重要的应用方向。据介绍,3D打印技术在这一领域主要还处于基础研究阶段,部分研究成果正向应用转化。
生物3D打印已有盈利模式 器官打印仍存障碍
据了解,国内相关上市公司并不打算进入纯粹的生物3D打印技术领域近期,一股3D打印概念新热潮席卷整个资本市场,赋予了人类对技术的无限想象。

有了3D打印技术,汽车可以打印出来了,房子可以打印出来,甚至连人体的各项器官也可以打印出来,并运用到临床医学当中。

但这些美好愿望的实现确实还需要一定的时间,特别是与人体息息相关的生物医疗3D打印技术,实际的应用壁垒仍较高。据了解,目前国内诸多医疗行业上市公司还并没有生物3D打印技术的研究,而对于是否进入这一领域,一些公司负责人也给出了否定的回答。

上海证券医药行业研究员赵冰在接受《证券日报》记者采访时表示,3D打印技术的发展对医药器械行业是一个突破性的技术革命,从长远来看非常有利。但目前还处于非常早期的阶段。

用3D打印来辅助心脏手术
3D打印技术救人性命的事情已经发生过,但是佛罗里达州这件更惊险。

迈阿密儿童医院心血管外科的医生用3D打印技术打印出了一个4岁小女孩Adanelie Gonzalez的心脏,这样就能在模型上预演,准备为Gonzalez做一个复杂的心脏手术来拯救她的生命。
Gonzalez患有先天的完全性静脉异位连接(TAPVC),通俗点说就是她的静脉接错了,把血液引向心脏里错误位置,造成呼吸困难、嗜睡和免疫系统减弱的病症。
在经过一些手术之后,医生发现这些办法都是治标不治本,只有短暂的疗效。因为形势严峻,如果不尽早做永久性修复的手术,Gonzalez将只剩下最后几周的生命。

利用3D打印的心脏模型,医生们可以计划手术,在用宝贵的捐赠的心脏上做实验之前先确定好方案。1月16日,Gonzalez的血管已经重新接到正常轨道,正在医院里术后恢复。
医用3D打印:人类另一个登月计划
2012年2月,密歇根大学附属C.S.莫特儿童医院的医疗队接收了一名患有极端罕见的先天性气管支气管软化症的小男孩Kaiba Gionfiddo。密歇根大学医学院根据CT影像利用3D打印机打印了一个气管支架植入其体内,7天后撤离呼吸机自主呼吸。这是全世界首个3D打印技术应用于临床的案例。

2013年2月,英国爱丁堡赫瑞瓦特大学研究人员使用3D打印出了世界上第一个3D打印人类胚胎干细胞。该团队使用了一种经特殊设计的"医瓣膜为基础"的打印机。这种打印机装有的"生物墨水"内含有实验室培养出的人类胚胎干细胞。

2014年12月,英国的一群科学家开发出了3D打印应用于医学的一项新功能,将其用于创建身体癌变部位的个性化复制模型,借此帮助医生更加精准地定位肿瘤。

在医疗界,3D 打印仿佛成为了一种流行,学校、实验室、初创公司纷纷亲睐这项技术。3D 打印之所以在医疗界大放异彩,是因为它能因人制宜、就地制作、不限数量、节约成本,正好能满足个体化、精准化医疗的需求。

中国首例3D打印技术导航TAVI手术完成
2月1日,复旦大学附属中山医院心外科课题组在国内首次将3D打印技术应用于经导管主动脉瓣置换手术(TAVI),成功为一位77岁高龄的主动脉瓣重度狭窄合并关闭不全患者实施了TAVI手术规划与导航。

据课题组负责人王春生介绍,3D打印技术目前已在骨科、牙科等专业开始临床使用,但在心脏外科的应用刚刚起步。

TAVI手术与常规开胸手术有很大的区别,医生在手术中无法直视心脏全貌,更无法切开心脏观察其内部细微结构,因此术前影像学评估与术中导航至关重要。但目前无论CT、MRI、心超等检查都只能在屏幕上提供二维视野,而3D打印技术则将患者二维影像数据转化成栩栩如生且实物大小的心脏模型呈现在医生眼前,提供了更多传统影像学检查难以显示的丰富信息,使手术更准确安全。
3D打印技术打造新低成本头骨置换植入物
总部设在悉尼大学的生物医学工程师团队已经开发出一种新的低成本制造针对严重受损头骨的骨置换植入物的方法。

与悉尼神经外科集团合作开发出新的3D打印技术,使医生在几天之内的得到与患者相匹配的植入物,而非以往的几周的耗时。
菲利普博士-实验室和项目主管表示,严重头部创伤可导致显著颅骨的确实,当前的治疗过程需要外科医生伸展和缝合伤口周围多余的皮肤,并等待产生一个合适的植入物。而他们的应用模版的快速制作方法使得制作与患者匹配,安全,无菌颅骨植入物成为可能。只需要拿到病人头部扫描图片,使用以聚合物为基础的“骨水泥”进行制造,几天之内就能完成。

三部委印发国家3D打印产业发展推进计划

为落实国务院关于发展战略性新兴产业的决策部署,抢抓新一轮科技革命和产业变革的重大机遇,加快推进我国增材制造(又称“3D打印”)产业健康有序发展,工业和信息化部、发展改革委、财政部研究制定了《国家增材制造产业发展推进计划(2015-2016年)》。

根据计划提出的目标,到2016年,初步建立较为完善的增材制造产业体系,整体技术水平保持与国际同步,在航空航天等直接制造领域达到国际先进水平,在国际市场上占有较大的市场份额。

1.产业化取得重大进展。增材制造产业销售收入实现快速增长,年均增长速度30%以上。进一步夯实技术基础,形成2-3家具有较强国际竞争力的增材制造企业。

2.技术水平明显提高。部分增材制造工艺装备达到国际先进水平,初步掌握增材制造专用材料、工艺软件及关键零部件等重要环节关键核心技术。研发一批自主装备、核心器件及成形材料。

3.行业应用显著深化。增材制造成为航空航天等高端装备制造及修复领域的重要技术手段,初步成为产品研发设计、创新创意及个性化产品的实现手段以及新药研发、临床诊断与治疗的工具。在全国形成一批应用示范中心或基地。
DNA水凝胶3D打印研究获新成果
是否有一天,生命体的器官可以实现3D打印并替代“原装”的器官?清华大学化学系刘冬生课题组合作的研究成果“DNA水凝胶”从材料上又向这一梦想迈进了一步。

最近,刘冬生课题组与英国瓦特大学Will Shu(舒文淼)等合作的DNA水凝胶材料成功地应用于活细胞的3D打印,该论文在《德国应用化学》(Angew. Chem., Int. Ed.DOI: 10.1002/anie.201411383)发表并配以“媒体推介”(Press Release)重点报道。该项成果被2月26日出版的《自然》(Nature)的研究亮点报道关注,Nature评价该材料是“一种非常有前景的打印三维组织和人工器官的材料”。

想要换个心脏?未来我们有望用上3D打印机
尽管听起来有些科幻,但科学家们正在考虑用当前的3D打印技术,辅以患者的细胞来制作出全新的器官。这项研究将耗费至少20年的时间,但是相关工作已经在有条不紊地进行中,因此我们还是有很大的希望用上“打印”出的小型肝脏或心脏等人体器官的。当前,外科医生们会先通过CAT或MRI来扫描出受影响的区域,然后在通过3D打印出来。

然后,医生会对打印出来的塑料器官模型进行修饰,以便为实际操作做充足的准备。此外,3D打印也适用于人造软骨、鼻子、以及肌腱的“重建”过程。

不过所谓的“生物打印”(bioprinting)技术,则是通过患者自身的细胞来生产出来的。除了传统的挤压式3D打印机之外,更常见的方法是采用修改后的喷墨打印机,然后用三维悬浮凝胶来固定细胞。

不过,医生们遇到的最大挑战,还是如何将3D打印出来的器官连接到血管系统,以确保有足够的血液让其存活——这需要同时打印出器官内的毛细血管网络,然后身体就能够做到与它“自动连接”。
Science封面故事: 快速3D打印技术
最近著名的《科学》杂志以封面文章的形式报道了革命性的3D打印技术。

这种技术在连续的液态界面上利用可调控的光化学反应将3D模型变成一个实物模型,比如封面图片中的埃菲尔铁塔。紫外光可以触发液态树脂发生光聚合反应,然而氧气的存在却会抑制这样的反应。通过在这两者之间寻找一个平衡,研究人员可以从一个液态树脂中生长出一个物件来,相比于传统一层一层的3D打印技术,该打印的速度可以提高25到100倍。

用3D打印,给你做个超级英雄的假肢
医疗卫生是当今引发持续讨论的话题,但医疗卫生并不都和政策有关。治疗和技术的创新正在改革人们的医疗关怀方式,尽管某些方法要么是难以跟上时代,要么是与改善生活或拯救生命的目标相去甚远。现在,随着辅助制造行业的快速发展(这些越来越受欢迎的技术经常指3D打印机),医疗卫生行业的未来正以熟悉同时又引人注目的方式进步着。

在专业3D打印设备的制造商正特意为牙科使用者研制推广3D打印技术的同时,其在非牙科医疗领域的应用也正进入全新的快速发展时期。

在制造业背景下,相比于与其他热门产业例如航天、汽车等,3D打印的医疗应用是相当独特的。为什么呢?答案显而易见,在所有的医疗卫生应用中都体现着人类元素,与拯救人类生命或者显着提高人类生活质量这样的成功结果相比,花费成了次要的顾虑。

但根据我们最近对这个领域的十年预估,在数字3D设计,医学成像和3D打印领域有异常强烈的协同作用,三者相互促进是解决医疗问题的力量,医生们可以通过病人自身的数据而捕获(结果),进行操作,并最终借助3D打印技术运用任何形状和大小的物理解决方案。没有这样的技术,个性化医疗很难实现,因为病人们需要能够简单快速制造的独一无二的元件。
3D打印,打印一个未来
3D打印的出现简直是令人震惊的,小到机械零件大到房子飞机都能打印出来。

这种以数字模型数据为基础,运用可粘合材料,通过逐层打印的方式来制造物体模型的技术正在席卷世界各行各业。

通过3D打印人骨,医生可以1:1地将患者的受伤部位"打印"成仿真模型,通过模型,医生可以清晰直观地看到患者的手术部位,在此基础上制定最科学合理的手术方案。

粉碎性骨折患者手术前,通常需要接受CT或核磁共振检查,医生就是根据这些检查呈现出的二维图像来判断患者病情的,现在,将患者受伤部位的影像数据传入电脑并进行处理,随后连接到专用3D打印机上,短短几小时,1:1的仿真模型就可以打印出来。

或者,以前患者骨折后要接的钢板都是'均码'的,医生在手术台上,只能根据术中看到的骨折情况对均码钢板进行校正,现在术前进行3D打印模拟后,可以定制钢板。哪个地方弯曲、弯多少度,都是可以定制的。通过这种"私人定制"就能与患者受伤的骨头达到最大程度的服帖,也避免了传统手术切口大等风险,患者的恢复速度也会快得多。

(来源:生物谷)

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