关于3D打印与人体器官的论文..docxVIP

3D打印——人体器官三维(3D)打印是当今科研界乃至商业界的一大热点，被认为是第三次工业革命或制造业的新突破点。人体器官打印已被当做概念股炒作上市，吸引了无数人的注意。但器官3D打印还处于刚刚起步阶段，需要做的工作很多。尤其是复杂器官打印面临着巨大的困难和挑战。其中最主要的一个挑战就是分支血管和神经系统的快速构建。近年来已经有大批优秀的科研工作者投入其中，内容涉及人体中各个器官，如骨骼、肾脏、肝脏、心脏、大脑，并取得了一定的成绩。人体中由多种组织构成的能行使一定或特定功能的结构单位叫做器官。器官包括眼、耳、鼻、舌等感觉器官，心、肝、肺、肾等内脏器官(又称为实体器官)，气管、肠、膀胱等中空器官，以及皮肤、骨骼、肌肉等结构(或支撑)器官。器官制造是千百年来人类的一大梦想。现如今，随着社会的进步，人类生活质量的提高，由于疾病、先天畸形和交通事故等原因造成的器官缺损修复成了巨大社会需求和人体器官3D打印或制造的强大推动力[1-2]。据统计，我国每年约有1.5百万名患者需要接受器官移植，但其中只有不到1%的患者能够获得合适的器官[3]。相比于传统的无生理活性的人造器官，应用生物材料制造的器官更容易被人体接受，并最终促进病损器官的修复和再生。近年来，随着3D打印技术的日渐成熟，人们获得有别于传统工艺的新型人工器官替代物逐渐成为可能[4-7]。本文从复杂器官制造的角度出发，简要介绍3D打印技术在大段骨修复材料、血管与血管网、人工肝脏、血管化脂肪组织几方面的必威体育精装版进展。1、国内外主要趋势3D打印(3D printing)，也叫快速成形(Rapid prototyping, RP)或加式/增材制造(Additive manufacturing, AM)是20世纪80年代末兴起的一门新技术，近年来发展十分迅猛，成为当今制造业的一个热门话题。与传统组织工程等方法不同，器官3D打印技术指在计算机的精确控制下，将细胞与凝胶材料混合在一起，进行层层堆积成形。其最大优势在于复杂外形与内部微细结构的一体化制造[8]，可以实现针对特定患者、特定需求的各种器官的个性化生产，是传统制造技术所不可企及的。如，美国哈佛大学医学院的VACANTI教授与麻省理工学院的LANGER教授合作，将生物可降解的多孔支架应用于人体重要器官肝脏的体外构建[9]。研究发现，细胞在支架表面生长良好，而在支架内部分布不均匀，中心区域的细胞成活困难易形成死核。这说明用传统组织工程的方法，在高空隙化生物材料支架上种植细胞，难以实现含血管网络的以多种细胞为基础的复杂器官制造。复杂器官制造，像建一座核电站，必须借助于先进制造技术[10-12]。 由于遗传基因和生长环境的不同，人体器官在组成、结构、形态等方面千变万化，不可一概而论。又由于材料性能和加工技术的限制，由传统批量生产的无生物活性人工器官一般个性化程度低、生物相容性差，植入人体后会产生免疫排斥反应、长期后遗症等不良反应。器官3D打印技术的出现和发展正好弥补了这些缺陷。病体器官的数字信息可以将通过核磁共振图像，X射线分层摄影、X光扫描技术轻易获取并转变为可供3D打印的计算机辅助设计模型[10-12]。而且可以通过患者自体生物材料(如自体细胞)修复、逆向工程，手术模拟等过程，大大降低手术风险，将患者的痛苦减小到最低程度，在器官制造，尤其是个性化复杂器官制造方面具备很强的优势[13]。 对于简单器官(如骨、软骨、膀胱)制造，借助单双喷头生物材料打印设备即可实现。而对于复杂器官(如心脏、肝脏、肾脏)制造，其关键问题在于如何提高快成形设备制造能力，将含多种细胞的复杂血管网络与器官功能细胞借助多喷头生物材料打印设备有机整合在一起[10-12]。因为由多种细胞组成的具有分支结构的复杂血管网络是进行复杂器官养分和代谢产物输运的重要通道，也是现有组织工程方法很难解决的技术瓶颈问题。作为清华大学器官制造中心(原清华大学生物制造中心，2004年更名为器官制造中心)创始人和负责人，王小红教授长期致力于人体器官的3D打印技术，已取得了一系列创新性科研成果。如，利用自主研发的国内首台生物材料低温打印设备，将合成高分子与天然高分子、生长因子等低温打印成形[14-17]，2004年自主研发出国内第一台细胞3D打印机，确定了几乎适合所有细胞组装的通用基质材料，如明胶/纤维蛋白原, 并通过了教育部组织的成果鉴定[18-19]。 网格状三维结构体中细胞之间建立起联系并长时间表达生物学功能[20-22]。其中脂肪干细胞可以被诱导成血管内皮细胞[23-24]。利用受控组装的大鼠脂肪干细胞和胰岛建立了能量代谢模型，用于高通量药物筛选[25]。该中心在开发出第一代单喷头器官打印机(细胞组装仪)的基础上又自主研发了第二代双喷头3D打印机[26-27]。将两种细胞与水凝胶基质材料结合，打印在