3_D打印技術(shù)在血管外科的應(yīng)用

1、3-DD 打印印技技術(shù)術(shù)在在血血管管外外科科的的應(yīng)應(yīng)用用谷涌泉武欣【關(guān)鍵詞】3-D 打印技術(shù)血管外科電影十二生肖讓我們體驗(yàn)到了 3-D 打印技術(shù)的神奇，當(dāng)成龍戴上電子手套掃描獸首，電腦上便出現(xiàn) 了獸首的三維圖像，僅用了約 3 分鐘，3-D 打印機(jī)便直 接“打印”出一個(gè)一模一樣的“獸首”。誰(shuí)能想到，這 個(gè)具有神奇性、顛覆性的技術(shù)早已存在，而不是電影 杜撰！23-D 打印技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)3-D 打印技術(shù)最突出的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需機(jī)械加工或任 何模具，就能直接根據(jù)計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)生成任何形狀 的零件，從而極大縮短產(chǎn)品研制周期，提高生產(chǎn)效率和 降低生產(chǎn)成本。就傳統(tǒng)制造技術(shù)而言，物體形狀越復(fù) 雜，生產(chǎn)線(xiàn)也越復(fù)雜，制造成

2、本越高；對(duì) 3-D 打印技術(shù) 而言，制造形狀復(fù)雜的物品并不增加時(shí)間、技能或成 本。該特點(diǎn)將打破傳統(tǒng)的定價(jià)模式，并改變制造成本 的計(jì)算方式。3-D 打印技術(shù)還可按需打印，即時(shí)生產(chǎn)減 少了企業(yè)的實(shí)物庫(kù)存，企業(yè)可根據(jù)客戶(hù)訂單定制特別 或個(gè)性化產(chǎn)品。此外，3-D 打印技術(shù)還可明顯減少?gòu)U 棄副產(chǎn)品。傳統(tǒng)金屬加工中 90% 金屬原材料被丟棄， 而 3-D 打印技術(shù)制造金屬制品時(shí)浪費(fèi)量顯著減少，隨 著打印材料的進(jìn)步，“凈成型”制造可能成為更環(huán)保的 加工方式。更主要的是，3-D 打印技術(shù)還可制造出傳 統(tǒng)制造技術(shù)無(wú)法制備的外形，人們可更有效地設(shè)計(jì)出 所需產(chǎn)品 4。經(jīng)過(guò)近年的不斷發(fā)展，3-D 打印技術(shù)已基本形成

3、了一套技術(shù)體系，可應(yīng)用的行業(yè)也逐漸擴(kuò)大，從產(chǎn)品設(shè) 計(jì)到模具設(shè)計(jì)與制造、材料工程、醫(yī)學(xué)研究、文化藝術(shù)、 建筑工程等，具有廣闊應(yīng)用前景。1 什么是 3-D 打印技術(shù)3-D 打印技術(shù)源自 100 多年前美國(guó)研究的照相雕 塑和地貌成型技術(shù)，其學(xué)名為“快速成型技術(shù)”。它是 一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，應(yīng)用粉末狀金屬或塑料 等可黏合材料，通過(guò)逐層打印方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。 它綜合了數(shù)字建模、機(jī)電控制、信息技術(shù)、材料科學(xué)與 化學(xué)等多方面技術(shù)。3-D 打印機(jī)是核心設(shè)備，其可進(jìn)行 噴墨打印。每一層打印分為兩步，首先在需要成型的 區(qū)域噴灑一層特殊膠水，然后在膠水上均勻噴灑一層 粉末，粉末與膠水迅速固化黏結(jié)；這樣在一

4、層膠水及一 層粉末的交替下，實(shí)體模型被黏結(jié)起來(lái)?！按蛴　蓖瓿?后，需要對(duì)打印模型進(jìn)行后處理，如固化、剝離、模型修 整等，最終得到所需模型 1。該項(xiàng)技術(shù)最早于 20 世紀(jì) 80 年代末和 90 年代初在美國(guó)出現(xiàn)，之后很快擴(kuò)展到歐 洲和日本，現(xiàn)已取得較為廣泛的應(yīng)用 2。近年來(lái) 3-D 打印產(chǎn)業(yè)獲得飛速發(fā)展，目前已廣 泛用于多個(gè)領(lǐng)域，如珠寶首飾、鞋類(lèi)、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑、 汽車(chē)、航天、醫(yī)療等。據(jù)Wohlels Report 2011顯示， 1988 年 2010 年間全球 3-D 打印技術(shù)產(chǎn)值保持了 26% 的增值速度。2011 年 3-D 打印產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)規(guī)模 為 17 億美元，預(yù)計(jì)到 2016 年產(chǎn)業(yè)

5、總產(chǎn)值將達(dá)到 31 億 美元 3。33-D 打印技術(shù)在非醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用在國(guó)外，有關(guān) 3-D 打印技術(shù)的種種暢想令人心馳 神往。美國(guó)一名槍械師利用塑料材質(zhì)，通過(guò) 3-D 打印 技術(shù)制造了一支 AR-15 突擊步槍?zhuān)@支“打印步槍”原 材料僅需 30 美元，可速射 200 發(fā)子彈。意大利一位設(shè) 計(jì)師用沙子 3-D 打印出一立體建筑，并宣稱(chēng)未來(lái)可能 不需要工人和腳手架即可完成建筑修建。在日本，著 名游戲制造商任天堂已開(kāi)始通過(guò) 3-D 打印技術(shù)制造 wii 游戲機(jī)；知名的迪斯尼公司也已考慮用 3-D 打印方 式制造玩具。如今，這種前沿的制造方式正改變著傳 統(tǒng)制造方式，成為未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì) 5。DOI：1

6、0.7507/1002-1892.20140063基金項(xiàng)目：北京市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)“首都十大危險(xiǎn)疾病科技成果推 廣”項(xiàng)目（Z121100005512009）作者單位：首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院血管外科 首都醫(yī)科大學(xué)血管外 科研究所（北京，100053）通訊作者：谷涌泉，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：血管外科，E-mail: gu-yq網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2014-2-12 11:29:25；網(wǎng)絡(luò)出版地址：/kcms/detail/51.1372.R.20140212.1129.004.html43-D 打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用4.1在骨科及口腔科的應(yīng)用 由于打印材料的獨(dú)特性，3-D 打印技術(shù)率先

7、在骨 中國(guó)修復(fù)重建外科雜志2014年3月第28卷第3期 ·277·科、口腔科廣泛應(yīng)用。在骨外科中，由于骨病損形態(tài)各異，因此用于骨缺損修復(fù)的植入物只能“量體裁衣，量 身定制”。既往術(shù)前對(duì)患者骨骼進(jìn)行精確的在體三維 測(cè)量非常困難，而 3-D 打印模型使個(gè)體化成為可能， 真正實(shí)現(xiàn)了“私人定制”。在個(gè)體化人工關(guān)節(jié)置換、個(gè) 體化接骨板、個(gè)體化骨盆修復(fù)等臨床手術(shù)中，3-D 打印 技術(shù)得到廣泛應(yīng)用 6。2009 年，瑞士科學(xué)家 Christian Weinand 首次采用 3-D 骨骼打印機(jī)精確復(fù)制人拇指骨 骼，該項(xiàng)技術(shù)的突破為采用患者自體細(xì)胞組織培育替 換受損骨骼開(kāi)辟了新途徑。金屬 3

8、-D 打印將帶來(lái)口腔 修復(fù)技術(shù)的一場(chǎng)革命。目前全球約有 23 000 名牙科醫(yī) 生通過(guò) Cerec 軟件幫助患者更快得到牙套；Cerec 軟件 是德國(guó)西諾德牙科設(shè)備技術(shù)公司開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)三維系 統(tǒng)，它通過(guò)對(duì)牙齒進(jìn)行三維掃描，一次性自動(dòng)完成最終 牙套的制造。傳統(tǒng)口腔修復(fù)義齒（俗稱(chēng)假牙）的制作需 要先磨牙、印牙模，然后戴上臨時(shí)牙套 1 周才能裝上真 牙套，患者需多次試戴和修整，周期長(zhǎng)。而借助 Cerec 軟件，無(wú)需印模、戴臨時(shí)牙冠及復(fù)診，均通過(guò)電腦控制 設(shè)備，牙冠修復(fù)從漫長(zhǎng)的 7 d 縮短為 30 min7。4.2在血管外科的應(yīng)用 由于血管是相對(duì)于骨骼、牙齒較“柔軟”的器官，3-D 打印材料限制了其

9、在血管外科領(lǐng)域的應(yīng)用；但 3-D 打印技術(shù)在血管外科領(lǐng)域也取得了一些令人驚喜的發(fā) 展。德國(guó)弗勞恩霍夫研究所的一個(gè)小組，使用 3-D 打 印技術(shù)和“多光子聚合”技術(shù)，成功打印出“人造血管”。 打印時(shí)，打印機(jī)發(fā)出 2 束強(qiáng)激光，焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)同一分子； 該分子同時(shí)吸收 2 個(gè)光子（即“多光子聚合”），之后變 成一有彈性的固體，可用其制造高精度的彈性結(jié)構(gòu)，即 血管；打印使用的“墨水”是生物分子與人造聚合體。 研究人員預(yù)想通過(guò)該過(guò)程打印的血管可與人體組織相 互“溝通”，不會(huì)產(chǎn)生器官排斥反應(yīng)。但能否真正做到 無(wú)免疫排斥反應(yīng)，還有待更深入研究。無(wú)論如何，這項(xiàng) 技術(shù)將為血管外科發(fā)展帶來(lái)巨大變化，甚至是革命性 變化

10、。此外在血管組織工程技術(shù)上，3-D 打印技術(shù)在打 印細(xì)胞、生物支架材料和細(xì)胞活性因子等方面取得了 很大進(jìn)步。1987 年美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)正式提出和確 定“組織工程”這一概念 8，其核心是利用細(xì)胞生物學(xué) 和工程學(xué)原理，在體外培養(yǎng)、擴(kuò)增種子細(xì)胞，種植于生 物相容性好、并可降解的生物材料上，形成細(xì)胞 - 生物 材料復(fù)合物，植入體內(nèi)與宿主組織融合生長(zhǎng)，以達(dá)到對(duì) 宿主組織結(jié)構(gòu)的修復(fù)和功能重建。組織工程技術(shù)包含 三大基本要素：種子細(xì)胞、細(xì)胞外基質(zhì)替代物、細(xì)胞活 性因子。雖然這種方法在構(gòu)建結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的空腔組織和 器官方面取得巨大成功，但仍存在許多不足，特別是在構(gòu)建內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的組織和器官時(shí)，細(xì)胞無(wú)法精確種植

11、至支架內(nèi)部，只能隨機(jī)吸附于表面，細(xì)胞活性因子只 能影響支架表面細(xì)胞的生長(zhǎng)分化，很難對(duì)支架內(nèi)部細(xì) 胞活性進(jìn)行控制。然而，我們應(yīng)當(dāng)看到其潛力，可采用 3-D 打印技術(shù)制造組織工程血管骨架，再在體外或體內(nèi) 構(gòu)建成有活力的生物血管，也是可考慮的思路之一。越來(lái)越多研究發(fā)現(xiàn)，3-D 噴墨打印技術(shù)適用于打 印細(xì)胞、生物支架材料、細(xì)胞活性因子和構(gòu)建三維細(xì) 胞 - 生物支架材料復(fù)合物，有望克服傳統(tǒng)組織工程方法 的不足 9。Zhao 等 10 采用脂肪來(lái)源干細(xì)胞和纖維、膠 原，利用體外低溫 3-D 噴墨打印技術(shù)與聚乙醇酸構(gòu)建 了可降解支架，且體外完成了向內(nèi)皮細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞 的誘導(dǎo)分化。Ovsianikov 等

12、11 應(yīng)用激光 3-D 噴墨打 印技術(shù)，將由丙烯酸酯化的聚乙二醇雙光子聚合技術(shù) 構(gòu)造而成的組織工程皮膚，通過(guò)激光誘導(dǎo)正向傳輸方 式接種細(xì)胞，這樣可在細(xì)胞生存的溫和環(huán)境中構(gòu)建三 維水凝膠支架，減小細(xì)胞毒性。此外，Xu 等 12 還利用 3-D 噴墨打印技術(shù)，體外用成纖維細(xì)胞和凝膠成功構(gòu)建 了三維曲折蜂窩管支架。Boland 等 13 應(yīng)用噴墨打印 技術(shù)將牛血管內(nèi)皮細(xì)胞與藻酸鹽水凝膠同步打印，形 成內(nèi)皮細(xì)胞 - 水凝膠三維復(fù)合物，掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)內(nèi) 皮細(xì)胞黏附于水凝膠支架內(nèi)部，且保持了良好的細(xì)胞 活性。Lees 等 14 應(yīng)用 3-D 噴墨打印技術(shù)體外構(gòu)建了 三維聚乙醇酸支架，并將人胚胎干細(xì)胞種植

13、于支架上， 進(jìn)行了大鼠肝臟小葉間移植，定期分化染色可見(jiàn)胰島 淀粉樣多肽和肝細(xì)胞系蛋白質(zhì)表達(dá)。因此，3-D 噴墨 打印技術(shù)在人類(lèi)微血管組織工程中有巨大應(yīng)用前景。在國(guó)外，目前已有可吸收冠狀動(dòng)脈支架應(yīng)用于人 體的報(bào)道 15-16，外周血管可吸收支架在歐盟和美國(guó)已 均在臨床試驗(yàn)中。我們研究團(tuán)隊(duì)也對(duì)該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了 研究，并取得一些好的結(jié)果（圖 1 4）。目前我們正在 對(duì) 3-D 打印技術(shù)打印可吸收支架進(jìn)行研究，希望能在 這方面取得突破。3-D 打印技術(shù)可將支架材料與藥物 混合打印，最終直接打印出所需的可吸收支架。3-D 打印技術(shù)在組織工程的應(yīng)用仍處于起步階段， 還有許多問(wèn)題亟待解決，如噴墨打印過(guò)程中熱能

14、與流 體力學(xué)對(duì)細(xì)胞生物活性的影響 17。但我們相信，隨著 3-D 打印技術(shù)的完善以及打印材料的發(fā)展，在不遠(yuǎn)的 將來(lái)利用 3-D 打印技術(shù)構(gòu)建的組織工程血管會(huì)應(yīng)用于 臨床。此外，復(fù)雜腹主動(dòng)脈 瘤（瘤 頸過(guò)短、累及腎動(dòng)脈 等）、夾層動(dòng)脈瘤（累及主動(dòng)脈弓三分叉等）是血管外科 面臨的巨大挑戰(zhàn)。術(shù)中往往要選用分支型或開(kāi)窗型支 架以保證主要?jiǎng)用}的供血，要求術(shù)前準(zhǔn)確測(cè)量、術(shù)中準(zhǔn) 確釋放。而采用 3-D 打印技術(shù)，術(shù)前可精確制備動(dòng)脈 Chinese Journal of Reparative and Reconstructive Surgery, March 2014, Vol. 28, No.3·

15、278·1234圖 1 可吸收支架 圖 2 可吸收支架動(dòng)物體內(nèi)植入實(shí)驗(yàn)圖 3 可吸收支架植入左髂動(dòng)脈過(guò)程（球囊充盈中） 圖 4 可吸收支架植入豬髂動(dòng)脈內(nèi)，OCT 顯示支架充盈充分，無(wú)支架斷裂瘤模型，使治療更“專(zhuān)業(yè)化、個(gè)體化”，同時(shí)保證術(shù)中支架準(zhǔn)確釋放，醫(yī)生不僅可進(jìn)行更為細(xì)致的手術(shù)規(guī)劃，甚 至可進(jìn)行手術(shù)操作演練。武欣, 谷涌泉, 張建, 等. 生物血管異種移植的初步研究. 中國(guó)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物學(xué)報(bào), 2007, 15(1): 39-42.Miller ED, Fisher GW, Weiss LE, et al. Dose-dependent cell growth in response t

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19、al. First-in-human evaluation of a bioabsorbable polymer-coated sirolimus-eluting stent: imaging and clinical results of the DESSOLVE I Trial (DES with sirolimus and a bioabsorbable polymer for the treatment of patients with de novo le- sion in the native coronary arteries). JACC Cardiovasc Interv,

20、2013, 6(10): 1026-1034.Attizzani GF, Bezerra HG, Ormiston J, et al. Serial assessment by opti- cal coherence tomography of early and late vascular responses after implantation of an absorbable-coating Sirolimus-Eluting stent (from the first-in-human DESSOLVE I trial). Am J Cardiol, 2013, 112(10): 15

21、57-1564.付明福, 楊影, 陳偉才, 等. 噴墨打印技術(shù)同步打印細(xì)胞和生物支架材料及在組織工程中的應(yīng)用. 中國(guó)組織工程研究與臨床康復(fù), 2011,15(42): 7892-7896.（收稿：2014-01-15）（本文編輯：王雁）895展望3-D 打印技術(shù)是一項(xiàng)具有工業(yè)革命意義的高新制 造技術(shù)，代表了世界制造業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)，目前受到越 來(lái)越多的關(guān)注。隨著國(guó)內(nèi)外 3-D 打印技術(shù)的迅猛發(fā)展， 該項(xiàng)技術(shù)已應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。但當(dāng)前 3-D 打印技術(shù)也 面臨多方面挑戰(zhàn)，如成本、材料、精度和速度等，還需要 進(jìn)一步發(fā)展與完善。我們相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，3-D 打 印技術(shù)可在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域獲得突破性發(fā)展，在血管外科領(lǐng) 域得到廣泛應(yīng)用。101112131461參考文獻(xiàn)Campbell PG, Weiss LE. Tissue engineering with the aid of inkjet printers. Expert Opin Biol Ther, 2007, 7(8): 1123-11