医用3D打印技术及发展.pdfVIP

一、医用3D打印基础前沿研究

3D打印技术是20世纪80年代后期开始兴起的一项制造技术，它以数字化、

网络化、个性化、定制化为特点，被认为是第三次工业革命的“核心技术”。医用

3D打印即生物3D打印，是3D打印技术中独特的一个分支，是目前3D打印技

术研究的最前沿领域，其快速性、准确性及个性化定制的特性使它在医学领域有

着广泛的应用前景。它是以计算机三维模型为基础，通过离散-堆积的方法，将

生物材料及细胞按仿生形态、生物体功能、细胞特定微环境等要求，打印出同时

具有复杂结构、功能和个性化外形的生物三维结构、再生医学模型等生物医学产

品的3D打印技术。

1.1生物3D打印技术的分类

目前生物3D打印技术主要包括直接喷墨、激光、声波和阀门控制挤压等四

种不同的介导方式。

直接喷墨式生物打印机是主要包括压电式和热发泡式两种，压电式喷墨打印

的原理是通过压电元件电极两端施压，产生局部压力差而将墨水挤出。热发泡式

喷墨打印机运行时依靠电加热打印喷头，产生压力脉冲而使墨水液滴离开喷嘴。

此类打印机的优点是打印速度快、成本低，适用于高通量的生物打印，但无法进

行单个细胞的控制，并且存在打印过程中会使细胞与生物材料承受热与机械力，

喷头易堵塞，液滴大小不均匀等问题。

激光辅助生物打印的原理是在玻璃板吸收层上用激光聚焦产生一个高压液

泡，将带有细胞的材料推到接受基体上，其优点是对细胞伤害小，细胞存活率高

达95%以上，缺点为价格较高，限制了其临床应用。

声波控制的细胞打印技术没有喷嘴存在，通过声波辐射的压力来喷射离散的

细胞液，它通过脉冲、持续性和振幅的调整可以进行单个细胞的控制，其优点是

避免了热与压力对细胞或生物材料的影响，同时可控制液滴的大小，但对材料的

粘度有一定限制。

阀门控制挤压喷墨技术是通过电动脉冲或气压脉冲控制细胞液滴的挤出，此

种技术打印出的细胞成活率较低，多适用于打印不含细胞或含少量细胞的生物活

性材料。

1.2生物3D打印技术的研究现状

1.2.1生物3D打印技术在国外的发展

自3D打印技术问世以来，生物3D打印一直处在整个3D打印产业中最前

沿的位置，得到了医药、生物科学等领域科研人员的重点关注。在组织器官打印

方面，美国西北大学的研究人员使用3D打印机打印出了一个生物支架来支持产

生激素的细胞和成熟的卵细胞。该支架是用卵泡接种以生成生物假体，并将其植

入一个原有卵巢已经被切除的小鼠，经过一段时间后，小鼠成功排卵，并产下健

康的幼崽。科学家们在2016年4月2日举办的内分泌学年会ENDO2016上公布

了此项研究成果。研究人员们希望能够利用该技术开发一个卵巢生物假体，并将

其植入女性体内以恢复其生育能力。哈佛大学的Lewis等可以用人类干细胞、细

胞外基质和内衬血管内皮细胞的循环通道3D打印出厚实的血管化组织构造。据

了解，Lewis教授所采用的3D生物打印方法主要使用一种可自定义的3D打印

硅胶模具来容纳和扶持的组织结构。研究人员首先打印出血管管路网格，然后再

在上面打印含有活体干细胞的墨水。欧莱雅美国与生物3D打印公司Organovo

共同研发了非常接近真实人体皮肤的皮肤组织，同时欧莱雅公司用所研发的人工

皮肤来测试其产品。该人工皮肤以特定的细胞作为“生物墨水”，将其打印在预建

立好的特定组织结构上面。近来，苏黎世联邦理工学院的MarcyZenobi-wong教

授和她的团队利用3D生物打印技术，并通过生物聚合物和软骨细胞打印出一只

耳朵和鼻子，所采用的打印机拥有一个支持8根注射器的转轮，仅需约16min

就可以打印出一个软骨鼻子。在3D打印药物方面，2015年，美国食品药品监督

管理局(FDA)己在全球批准首款完全用3D打印制作的药片。这款名为Spritam

的药物由美国Aprecia制药公司研制，用于治疗癫痫症患者。Aprecia使用的

Zipdose3D打印技术最重要的意义就是使药物能够在少量的水中迅速崩解高剂

量的药物，这种药物给发病时的患者带来了极大的方便。2016年，新加坡国立

大学的研究人员同样采用3D打印技术打印出了不仅剂量可控，而且释放速率可

控的药片。

1.2.2生物3D打印技术在国内的发展

从20世纪90年代初开始，在国家科技部和国家自然科学基金委等国家部门

的支持下，清华大学、华