符鋒 張賽

3D打印技術(shù)在神經(jīng)外科中的應(yīng)用

符鋒 張賽

神經(jīng)系統(tǒng)損傷因其高死亡率和高致殘率，是所有年齡階段人群共同面臨的一個(gè)嚴(yán)峻的公共健康問(wèn)題。神經(jīng)再生成為了醫(yī)學(xué)界在理論研究和臨床實(shí)踐上的關(guān)注點(diǎn)。隨著組織工程學(xué)的發(fā)展，三維（threedimensional，3D）打印技術(shù)已被逐漸用于神經(jīng)外科中，如制造術(shù)前模型、組織工程支架、制造個(gè)性化植入物等[1]。今天主要簡(jiǎn)析3D打印技術(shù)發(fā)展歷史、技術(shù)原理及分類(lèi)、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀、神經(jīng)修復(fù)中的應(yīng)用及其未來(lái)發(fā)展方向等五個(gè)方面。

一、3D打印技術(shù)的定義及其發(fā)展歷史

首先，我們先來(lái)了解下3D打印技術(shù)的定義及其發(fā)展歷史。3D打印即原型制造，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。

問(wèn)世30年以來(lái)，3D打印技術(shù)經(jīng)歷了突飛猛進(jìn)的發(fā)展：（1）1986年，Charles Hull開(kāi)發(fā)了第一臺(tái)商業(yè)3D打印機(jī)；（2）20世紀(jì)九十年代廣泛應(yīng)用于航空航天、工業(yè)設(shè)計(jì)、汽車(chē)制造和土木工程等領(lǐng)域；（3）21世紀(jì)初，該技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于組織工程學(xué)；（4）近年，3D打印廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域：包括模擬教學(xué)、術(shù)前規(guī)劃、手術(shù)模板、假體制造和生物打印等；（5）2014年被時(shí)代周刊評(píng)為最佳發(fā)明，2015年被納入我國(guó)先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展項(xiàng)目。

二、3D打印技術(shù)原理及分類(lèi)

原理：不同種類(lèi)的3D打印系統(tǒng)因所用成形材料不同，成形原理也有所不同，但都是基于離散堆積原理，也就是分層制造、逐層疊加的方法。一般3D打印涉及以下4個(gè)過(guò)程：（1）創(chuàng)建一個(gè)三維模型；（2）將該模型分割成一系列有序的二維層面；（3）在計(jì)算機(jī)控制下逐層打印制造；（4）根據(jù)需求，進(jìn)行相應(yīng)的后期處理（如去除支撐結(jié)構(gòu)、納米水平的表面改性）。這樣一來(lái)，像內(nèi)部空隙、懸臂、狹窄的彎曲結(jié)構(gòu)的復(fù)雜三維形狀都被簡(jiǎn)化為點(diǎn)、線、圓等打印途徑。

分類(lèi)：自3D打印技術(shù)問(wèn)世以來(lái)，已經(jīng)發(fā)展多種類(lèi)型成型技術(shù)，今天主要簡(jiǎn)單介紹4種較為流行的3D打印技術(shù)，它們分別是：（1）熔融沉積技術(shù)：絲狀材料在噴嘴內(nèi)加熱融化，從擠出噴頭后固化形成截面；（2）液相結(jié)合噴墨技術(shù)：噴嘴擠壓出液體粘合劑使載物臺(tái)的粉末材料粘接形成截面；（3）選擇性激光固化技術(shù)：激光器對(duì)粉末材料或光敏材料進(jìn)行選擇性固化形成截面；（4）生物打印技術(shù)：噴頭將細(xì)胞和液體材料復(fù)合物高壓擠出形成截面。

三、3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

3D打印技術(shù)所具有的快速性、準(zhǔn)確性，及擅長(zhǎng)制作復(fù)雜形狀實(shí)體的特性使它在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)界的應(yīng)用，是從制備術(shù)前可視化模型和工具模型開(kāi)始的?，F(xiàn)主要用于：個(gè)性化醫(yī)療、基于細(xì)胞的生物打印及制造提供細(xì)胞三維環(huán)境的支架。

（一）基于3D打印支架的體外三維培養(yǎng)細(xì)胞

體內(nèi)細(xì)胞是在三維空間中生長(zhǎng)、繁殖、分化并發(fā)揮其特定生物學(xué)功能的。體外細(xì)胞培養(yǎng)的一個(gè)重要原則是要最大程度地模擬體內(nèi)細(xì)胞生長(zhǎng)環(huán)境。3D打印技術(shù)可以設(shè)計(jì)制造出模擬細(xì)胞外基質(zhì)的三維支架，進(jìn)一步促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)、增殖和分化。

（二）基于3D打印的個(gè)性化醫(yī)療制造

每個(gè)人的身體構(gòu)造、病理狀況都存在特殊性和差異化，當(dāng)3D打印與醫(yī)學(xué)影像建模、與仿真技術(shù)結(jié)合之后，就能夠通過(guò)個(gè)性化術(shù)前規(guī)劃、人工假體、植入體制造等實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)治療。

1.個(gè)性化醫(yī)療基本原理為：獲取患者個(gè)性化影像學(xué)數(shù)據(jù)（CT/MRI/CTA/X線等），重建目標(biāo)器官或部位，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)建模，最后經(jīng)3D打印獲得成品。

2.術(shù)前規(guī)劃經(jīng)歷了二維圖像分析、三維可視化，到如今，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化模型的術(shù)前仿真操作。臨床應(yīng)用中，我們根據(jù)患者影像學(xué)數(shù)據(jù)而為特別定制3D打印模型，可以清楚直觀地顯示病變位置、有助于設(shè)計(jì)手術(shù)方式。可以說(shuō)，一個(gè)3D模型就勝過(guò)了千言萬(wàn)語(yǔ)。

3.兩個(gè)最新的案例展現(xiàn)出了此項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。（1）日本筑波大學(xué)2015年7月宣布已研發(fā)出3D打印個(gè)性化肝臟模型的方法。該模型外部為肝臟形狀，內(nèi)部詳細(xì)地再現(xiàn)其血管和病變位置，這將有助于術(shù)前確認(rèn)手術(shù)順序并向患者說(shuō)明治療方法。（2）2015年8月，美國(guó)邁阿密兒童醫(yī)院有1例“完全型肺靜脈畸形引流”的4歲女孩，醫(yī)生借助3D打印技術(shù)，復(fù)制了女孩心臟的3D模型，復(fù)制出女孩的心臟模型，成功地制定出了1個(gè)復(fù)雜的矯正手術(shù)方案并為小女孩實(shí)施了永久手術(shù)，拯救了其生命。

（三）基于患者的個(gè)性化3D打印植入物

近來(lái)，科學(xué)家們通過(guò)定制個(gè)性化植入物，一次又一次地證實(shí)了3D打印這項(xiàng)技術(shù)的價(jià)值。2013年，美國(guó)工程師在獲得食品和藥物管理局批準(zhǔn)后，利用CT掃描數(shù)據(jù)，成功打印出鈦金屬網(wǎng)用于重建缺損顱骨，并首次成功植入人體；2014年，北京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)成功地為1名12歲男孩植入了3D打印脊椎，這種植入物可以跟現(xiàn)有骨骼非常好地結(jié)合起來(lái)，而且還能縮短病人的康復(fù)時(shí)間。此外，研究人員還在上面設(shè)計(jì)了微孔洞，它能幫助骨骼在合金之間生長(zhǎng)，換言之，植入進(jìn)去的3D打印脊椎將跟原脊柱牢牢地生長(zhǎng)在一起而不會(huì)松動(dòng)；澳大利亞的CSIRO公司創(chuàng)造了一種鈦制的胸骨和肋骨，該制品與1例胸壁肉瘤術(shù)后患者的胸骨及肋骨的幾何學(xué)結(jié)構(gòu)完全吻合。

（四）基于細(xì)胞的生物3D打印叩響器官打印大門(mén)

基于細(xì)胞的生物3D打印是3D打印技術(shù)研究的最前沿領(lǐng)域。2013年，杭州捷諾公司首創(chuàng)了3D打印肝單元技術(shù)：3D生物打印機(jī)接受控制指令，將肝細(xì)胞精確定位于組織器官三維模型上，制造出的肝單元現(xiàn)已被用于藥物測(cè)試；2015年8月，首個(gè)3D生物打印的全細(xì)胞人體腎臟組織模型問(wèn)世，該模型將用于藥物療效和毒性測(cè)試，也可對(duì)疾病在活組織內(nèi)部的活動(dòng)進(jìn)行建模；2015年10月，世界首創(chuàng)的3D生物血管打印機(jī)由四川藍(lán)光英諾公司成功研制問(wèn)世。該款血管打印機(jī)能在短時(shí)間內(nèi)打印出含有獨(dú)特中空結(jié)構(gòu)、多層不同種類(lèi)細(xì)胞的血管。

四、3D打印在神經(jīng)修復(fù)中的應(yīng)用

（一）基于患者的個(gè)性化神經(jīng)外科術(shù)前規(guī)劃及手術(shù)模板

神經(jīng)系統(tǒng)尤為復(fù)雜，神經(jīng)外科手術(shù)領(lǐng)域的術(shù)前規(guī)劃顯得十分迫切和必要。為此，3D打印技術(shù)在神經(jīng)外科手術(shù)領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用[2]。（1）日本東京大學(xué)在CTA數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，3D打印出頭顱及未破裂腦動(dòng)脈瘤模型；（2）美國(guó)學(xué)者Jason等分別利用MRI、 CT數(shù)據(jù)重建并打印出大腦、顱骨模型，輔助術(shù)前確定合適的電極覆蓋范圍。這些模型都是神經(jīng)外科手術(shù)仿真和規(guī)劃的有用工具，有助于和患者及家屬溝通，也能為醫(yī)師提供提前實(shí)踐的機(jī)會(huì)，提高手術(shù)成功率。

（二）基于3D打印支架的神經(jīng)修復(fù)

應(yīng)用于神經(jīng)修復(fù)的3D打印技術(shù)有兩大核心內(nèi)容：支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生物“墨”的選擇?，F(xiàn)階段，學(xué)者主要從形狀、方向和孔徑大小等方面研究了支架結(jié)構(gòu)對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)的影響[3]。（1）幾何形狀：仿生支架材料內(nèi)部的幾何形狀設(shè)計(jì)是模擬細(xì)胞外基質(zhì)三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。如研究發(fā)現(xiàn)含V形和螺旋孔結(jié)構(gòu)的支架能影響施旺細(xì)胞的形態(tài)和排列；（2）支架通道方向：內(nèi)部通道和凹槽在空間方向上的差異可構(gòu)成橫截面積不同的支架，進(jìn)而影響附著在上的細(xì)胞遷移和增殖。例如Darice實(shí)驗(yàn)小組總結(jié)了幾點(diǎn)關(guān)于支架修復(fù)大腦皮層時(shí)的設(shè)計(jì)原則：通道方向朝向皮層時(shí)有利于星形細(xì)胞滲透；微溝方向取決于細(xì)胞遷移和神經(jīng)元排列的方向；使支架內(nèi)通道充分交叉可利于細(xì)胞遷移和組織形成；（3）內(nèi)部通道孔徑和孔隙：支架內(nèi)部適宜的孔徑大小和密度可以為細(xì)胞運(yùn)送足夠的營(yíng)養(yǎng)和氧氣， 從而提高細(xì)胞生存率。 例如Domingos等發(fā)現(xiàn)大的四邊形孔徑能增強(qiáng)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞生存力和增殖力。

3D打印修復(fù)神經(jīng)創(chuàng)傷的另一項(xiàng)核心內(nèi)容是生物“墨”（即支架材料）的選擇。研究發(fā)現(xiàn)支架材料的理化性質(zhì)能對(duì)細(xì)胞的信號(hào)表達(dá)和分化產(chǎn)生顯著影響。現(xiàn)應(yīng)用神經(jīng)修復(fù)的材料主要分為天然材料、合成材料及復(fù)合材料，它們都有各自的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍[4]。（1）天然材料主要有：膠原蛋白、殼聚糖、彈力蛋白、透明質(zhì)酸等。特點(diǎn)是具有優(yōu)良的生物相容性，且原料來(lái)源廣泛，但生物力學(xué)功能欠佳；（2）合成材料主要有：有機(jī)硅、聚丙烯、聚己內(nèi)酯等。特點(diǎn)是可以根據(jù)所處不同的溫度、pH值、離子強(qiáng)度、電場(chǎng)和光而發(fā)生變化；但生物相容性欠佳；（3）復(fù)合材料：可以通過(guò)不同的材料組合設(shè)計(jì)復(fù)合材料，由此獲得排斥反應(yīng)小、降解速度可控的材料。

人體腦皮層組織模擬及構(gòu)建：大腦仍是我們身體中最重要卻最不了解的器官，主要是因?yàn)樗膹?fù)雜性及體內(nèi)研究的局限性。美國(guó)塔弗斯大學(xué)的生物工程師以絲素蛋白為基礎(chǔ)，復(fù)合細(xì)胞外基質(zhì)材料和原代皮質(zhì)神經(jīng)元，3D打印構(gòu)建了一個(gè)模塊化的三維腦皮質(zhì)組織。這種組織可用于體外評(píng)估大腦對(duì)機(jī)械損傷的反應(yīng)。

基于細(xì)胞的神經(jīng)組織生物3D打?。荷窠?jīng)斷裂是一種使人生活質(zhì)量受到嚴(yán)重影響的疾病。當(dāng)前的修復(fù)金標(biāo)準(zhǔn)是感覺(jué)神經(jīng)和靜脈組織的自體移植。然而，這種需要二次手術(shù)的修補(bǔ)術(shù)可能會(huì)導(dǎo)致繼發(fā)感染等并發(fā)癥。美國(guó)密蘇里大學(xué)Owens等[5]報(bào)告了一種生物3D打印神經(jīng)管的方法，該小組以瓊脂糖為支撐結(jié)構(gòu)，逐層將骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞和施旺細(xì)胞與膠原的復(fù)合物打印成神經(jīng)管，并在植入該神經(jīng)管的大鼠坐骨神經(jīng)損傷模型中檢測(cè)到了運(yùn)動(dòng)和感覺(jué)功能的變化。此項(xiàng)技術(shù)為神經(jīng)再生研究奠定了基礎(chǔ)。

3D打印支架修復(fù)神經(jīng)組織：為了促進(jìn)組織愈合和再生，橋接組織空腔和限制膠質(zhì)瘢痕形成是十分必要的。研究發(fā)現(xiàn)，宏觀與微觀均被精確控制的3D打印仿生支架可通過(guò)調(diào)節(jié)損傷周?chē)仔苑磻?yīng)，減少瘢痕組織的形成。支架還可通過(guò)橋接組織空腔，促進(jìn)軸突再生并延伸至損傷側(cè)。

五、3D打印修復(fù)神經(jīng)損傷研究的未來(lái)發(fā)展方向

就目前的發(fā)展來(lái)看，3D打印技術(shù)在神經(jīng)修復(fù)領(lǐng)域已有所發(fā)展，但其整體水平仍處于研究開(kāi)發(fā)階段[6]。要實(shí)現(xiàn)3D打印技術(shù)與神經(jīng)修復(fù)的融合及臨床轉(zhuǎn)化，我們還需要在以下幾方面努力。

提高分辨率：也就是在不改變形狀、強(qiáng)度和操作性的前提下，提高支架打印的精度。比如，可以通過(guò)增加粘合劑對(duì)激光的敏感度達(dá)到創(chuàng)建更加小型化和復(fù)雜化的結(jié)構(gòu)。此外，需要探索去除支撐結(jié)構(gòu)更容易的方法。

探索更加適合生物材料：當(dāng)前，雖已有許多天然材料和合成材料應(yīng)用于神經(jīng)修復(fù)。但是，仍需要進(jìn)一步探索能同時(shí)滿足3D打印儀器要求和具有神經(jīng)修復(fù)功能的材料。

打印過(guò)程中完成納米水平的材料表面改性：盡管在過(guò)去5年時(shí)間里，宏觀和微觀水平的制造技術(shù)闊步向前。但是由于當(dāng)前3D打印技術(shù)苛刻的加工條件（加熱、有機(jī)溶劑），生化分子一般不直接加入到支架中，而是在后期處理中添加。因此，研究在支架制造過(guò)程中直接加入促進(jìn)神經(jīng)生長(zhǎng)和分化的生化分子的方法變得很必要。

材料的降解動(dòng)力學(xué)和副產(chǎn)品研究：支架降解時(shí)間必須與組織修復(fù)時(shí)間相適應(yīng)，否則長(zhǎng)期存在體內(nèi)的支架會(huì)使物質(zhì)傳輸受阻，繼發(fā)性缺氧和酸性降解物也將惡化組織環(huán)境，由此損害種子細(xì)胞和周?chē)?xì)胞。因此，材料的降解動(dòng)力學(xué)和副產(chǎn)品也是神經(jīng)修復(fù)中需要考慮的重要問(wèn)題。

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2016-06-03）

（本文編輯：張麗）

10.3877/cma.j.issn.2095-9141.2016.05.014

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張賽，Email：zhangsai718@vip.126.com

符鋒,張賽.3D打印技術(shù)在神經(jīng)外科中的應(yīng)用[J/CD].中華神經(jīng)創(chuàng)傷外科電子雜志,2016,2(5):318-320.