李 慧，柯 漁，薛 巍

（暨南大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程系 生物材料廣東高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510632）

組織工程學(xué)是一門結(jié)合工程學(xué)和生命科學(xué)原理興起的新興交叉學(xué)科[1]，其主要目的是研究和開發(fā)人體各種組織或器官替代物，用于修復(fù)缺損的器官，恢復(fù)其基本形態(tài)和生理功能，達(dá)到治療疾病的目的。從1987年美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)提出這一概念距今已經(jīng)有30多年[2]，隨著生命科學(xué)、材料學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)和工程學(xué)等多學(xué)科的迅速發(fā)展和滲透交叉，組織工程學(xué)的發(fā)展也取得了令人矚目的成果。我國(guó)人口眾多，對(duì)器官移植或修復(fù)的需求越來越大，因此急需培養(yǎng)一批掌握組織工程先進(jìn)技術(shù)的復(fù)合型專業(yè)人才，推動(dòng)組織工程研究和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的全面發(fā)展。

3D打印又稱為“快速成型”（rapid prototyping,RP），最早由查爾斯赫爾于20世紀(jì)80年代提出[3]。3D打印技術(shù)基于計(jì)算機(jī)數(shù)控模型，結(jié)合光、機(jī)、電及新材料于一體，已廣泛應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，如體外器官仿生模型打印、個(gè)性化假肢假體設(shè)計(jì)、個(gè)性化植入體制造、組織工程支架的制造，以及活體細(xì)胞和組織的打印等[4]，具體應(yīng)用如圖1所示。3D打印技術(shù)作為一項(xiàng)先進(jìn)的制造技術(shù)，越來越多地應(yīng)用于組織工程領(lǐng)域，并有望突破傳統(tǒng)組織工程支架的障礙，因此，有必要在組織工程學(xué)實(shí)驗(yàn)課程引入 3D打印，使學(xué)生將理論與實(shí)踐相結(jié)合，更深入地掌握組織工程領(lǐng)域最先進(jìn)的技術(shù)。

圖1 3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的應(yīng)用

1 組織工程學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

我校生物醫(yī)學(xué)工程系是我國(guó)最早從事生物材料研究的單位之一，于1999年獲批廣東省高校生物材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，2011年獲批人工器官與材料教育部工程中心，2016年獲批廣東省生物醫(yī)學(xué)工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，具有良好的生物材料研究基礎(chǔ)。3D打印作為一種新興的材料加工成型方式，對(duì)生物材料學(xué)科的發(fā)展起到了重要的作用。組織工程學(xué)研究的內(nèi)容主要包括種子細(xì)胞、生物材料、構(gòu)建組織器官的方法和技術(shù)、組織工程的臨床應(yīng)用等4個(gè)方面。我校開設(shè)的組織工程學(xué)實(shí)驗(yàn)課，面向生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本科生，主要圍繞種子細(xì)胞培養(yǎng)和組織工程支架構(gòu)建兩方面，并從課程內(nèi)容、課程設(shè)置等方面不斷進(jìn)行改革。考慮到課程安排在三年級(jí)，學(xué)生已在低年級(jí)學(xué)習(xí)了基礎(chǔ)的生物學(xué)、生物材料學(xué)、生物材料加工工藝等課程。因此，2012年我們對(duì)實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，在組織工程支架制備上引入了先進(jìn)的靜電紡絲技術(shù)。通過采用該技術(shù)，制備PLA等聚合物組織工程支架，然后培養(yǎng)種子細(xì)胞，研究細(xì)胞在支架上的黏附、增殖及分化。

隨著近幾年組織工程技術(shù)的更新和實(shí)驗(yàn)室 3D打印設(shè)備的引進(jìn)，我們認(rèn)為很有必要再次對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行改革，在支架材料制備上引入 3D打印技術(shù)，使學(xué)生將課堂上學(xué)到的先進(jìn)技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)室，同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、教學(xué)方式和考核機(jī)制進(jìn)行調(diào)整，不僅有利于培養(yǎng)學(xué)生扎實(shí)的組織工程學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)和技能，掌握先進(jìn)技術(shù)，而且能激發(fā)學(xué)生開展組織工程學(xué)相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)研究的興趣與潛能。

2 3D打印實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

3D打印技術(shù)是近年來新興的一種快速成型技術(shù)，實(shí)驗(yàn)技術(shù)要求較高，面向?qū)W生開設(shè) 3D打印實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）提升學(xué)生創(chuàng)新思維和設(shè)計(jì)能力。3D打印技術(shù)能夠打破傳統(tǒng)材料加工技術(shù)的限制，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化、精細(xì)化打印。打印過程需要學(xué)生不斷調(diào)整參數(shù)對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，并可以把自己的創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)的功能化產(chǎn)品，能夠有效開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)作設(shè)計(jì)熱情，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性。

（2）促進(jìn)學(xué)科間的交叉融合。3D打印技術(shù)集先進(jìn)材料技術(shù)、三維建模技術(shù)、加工制造技術(shù)等多門專業(yè)知識(shí)于一體，是多門課程和學(xué)科的融合，要求學(xué)生具有材料學(xué)、加工工藝學(xué)、機(jī)械制圖、計(jì)算機(jī)等專業(yè)知識(shí)，還要求有生物學(xué)知識(shí)背景，因此有助于實(shí)現(xiàn)學(xué)科間實(shí)驗(yàn)的有機(jī)整合，促進(jìn)學(xué)科間的交叉滲透，為培養(yǎng)復(fù)合型人才奠定有力的基礎(chǔ)。

（3）豐富教學(xué)模式。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不斷融入新的技術(shù)能夠有效豐富教學(xué)模式，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣。3D打印技術(shù)作為一種新型實(shí)驗(yàn)技術(shù)和教學(xué)方式，在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入數(shù)字化、智能化的概念，使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和教學(xué)手段多樣化，能調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和參與度，使課堂氣氛更為活躍，教學(xué)效果更為突出。

3 3D打印技術(shù)融入組織工程學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容探討

在組織工程學(xué)原有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容基礎(chǔ)上，引入 3D打印技術(shù)，不僅要讓學(xué)生了解 3D打印的原理、構(gòu)造、操作流程等基礎(chǔ)知識(shí)，還要讓學(xué)生掌握可用于 3D打印的生物材料，同時(shí)結(jié)合原有的靜電紡絲增材制造技術(shù)，比較幾種組織工程支架制造先進(jìn)技術(shù)之間的差異，拓寬學(xué)生的知識(shí)面，讓其知識(shí)更成體系。為此，設(shè)計(jì)了幾種實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。

3.1 綜合實(shí)驗(yàn)——3D打印與靜電紡絲對(duì)比

組織工程研究的關(guān)鍵是盡可能模擬人體細(xì)胞外基質(zhì)，作為細(xì)胞支架保持細(xì)胞存活并行使正常功能。最近的發(fā)展趨勢(shì)包括使用靜電紡絲技術(shù)制造纖維網(wǎng)絡(luò)支架。靜電紡絲技術(shù)利用高壓電場(chǎng)力連續(xù)制備纖維，形成的支架比表面積大、孔隙率高。這種微納結(jié)構(gòu)接近天然細(xì)胞外基質(zhì)環(huán)境，利于細(xì)胞粘附、生長(zhǎng)、遷移以及組織再生，在組織工程中顯示出較大的應(yīng)用潛力[5]。靜電紡絲制作的纖維材料常為二維膜，存在孔徑尺寸不足和厚度低于“塊狀支架”的問題，在臨床應(yīng)用中存在一些挑戰(zhàn)。3D打印技術(shù)基于電腦控制和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）或計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)（CT），運(yùn)用粉末狀材料逐層打印[6]。3D打印精度較高，可打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)并可快速成型，但機(jī)械強(qiáng)度較低。

單純從理論上為學(xué)生講解上述兩種技術(shù)的原理、特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)，較為抽象，容易導(dǎo)致學(xué)生機(jī)械式記憶，不能深刻領(lǐng)悟先進(jìn)技術(shù)的精髓。因此，在組織工程實(shí)驗(yàn)課程的原有靜電紡絲制備支架基礎(chǔ)上加入 3D打印技術(shù)，將其設(shè)計(jì)成綜合性實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生對(duì)同一種生物材料（如可降解性脂肪族聚酯PLA、PCL等）采取不同的加工制造技術(shù)，之后再對(duì)不同技術(shù)制備的支架材料從形貌、力學(xué)性能、生物學(xué)功能等方面進(jìn)行對(duì)比，讓學(xué)生親自操作儀器。通過查閱文獻(xiàn)資料，調(diào)整參數(shù)，不僅可以使學(xué)生掌握先進(jìn)儀器的操作技能，還能使學(xué)生更直觀、更深刻地理解兩種技術(shù)的原理、制備材料的設(shè)計(jì)思路，以及不同技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生的認(rèn)知能力和實(shí)踐能力。

3.2 開放實(shí)驗(yàn)——3D打印與靜電紡絲結(jié)合

基于非纖維結(jié)構(gòu)的 3D打印支架機(jī)械強(qiáng)度很低，不適合組織再生，因此最近組織工程領(lǐng)域許多研究集中在將靜電紡絲技術(shù)與 3D打印技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)兩種先進(jìn)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。費(fèi)城天普大學(xué)Gerstenhabe教授團(tuán)隊(duì)使用 3D打印機(jī)，結(jié)合靜電紡絲技術(shù)，發(fā)明了一種直接打印到患者皮膚上的生物基個(gè)性化繃帶，實(shí)現(xiàn)了提高舒適度和促進(jìn)傷口愈合的完美契合。上海大學(xué)劉媛媛等將 3D生物打印和靜電紡絲技術(shù)結(jié)合，制備了復(fù)合生物可吸收血管支架用于血管狹窄的治療[7]。東華大學(xué)莫秀梅教授（通信作者）等將靜電紡絲、3D打印等技術(shù)相結(jié)合，將靜電紡絲二維纖維制成了外觀形狀精確、力學(xué)性能良好、孔徑結(jié)構(gòu)可控的三維纖維支架，應(yīng)用于軟骨組織再生[8]。浙江大學(xué)計(jì)劍教授（通信作者）通過結(jié)合靜電紡絲和 3D打印兩種技術(shù)，制備了一種3D設(shè)計(jì)性可快速變形和性能增強(qiáng)的水凝膠，開辟了快速變形水凝膠致動(dòng)器的應(yīng)用前景[9]。

綜上所述，在組織工程實(shí)驗(yàn)課程中增加開放性實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在教師團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)下，通過查閱文獻(xiàn)，自己嘗試探索正確的材料組合，將靜電紡絲和 3D打印兩種技術(shù)有機(jī)結(jié)合，并不斷優(yōu)化條件，改善原有支架材料存在的缺陷，解決實(shí)際科學(xué)問題，將教師的科研成果有效引入本科教學(xué)中，能夠有效促進(jìn)科教融合。同時(shí)，也能鼓勵(lì)學(xué)生早日走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室參與科研實(shí)踐，有助于培養(yǎng)學(xué)生的科研思維能力、獨(dú)立分析問題與解決問題的能力。

3.3 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)——學(xué)生自主設(shè)計(jì)3D打印模型

3D生物打印技術(shù)基于計(jì)算機(jī)三維模型，精確定位裝載生物材料或活細(xì)胞，制造體外醫(yī)學(xué)模型、醫(yī)療器械輔助工具、人工植入支架、人工組織器官等生物醫(yī)學(xué)工程產(chǎn)品[10]。3D打印未來有望實(shí)現(xiàn)體外或體內(nèi)直接打印活體器官或組織，從而替換功能障礙的器官或組織，解決目前臨床移植供體不足的問題。

在培養(yǎng)本科生 3D打印技術(shù)過程中，首先應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力，讓學(xué)生學(xué)會(huì)用立體思維方式去分析問題和解決問題。目前 3D打印常用的材料有金屬、陶瓷、聚合物（如PLA、ABS、PCL）、復(fù)合材料、光敏樹脂等。在組織工程實(shí)驗(yàn)課程中增加 3D打印模型自主設(shè)計(jì)部分，讓學(xué)生自主選擇材料，根據(jù)自己的興趣設(shè)計(jì)不同形狀、不同功能的模具。這一方式不僅有助于讓學(xué)生深刻了解 3D打印機(jī)的構(gòu)造和原理、三維建模方式，了解不同材料的性能和加工方式，還能掌握整套先進(jìn)工藝的制造流程與設(shè)計(jì)思路，同時(shí)能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)作熱情，提高其自主學(xué)習(xí)能力。

4 教學(xué)方式和考核機(jī)制的完善

在組織工程實(shí)驗(yàn)中引入 3D打印技術(shù)的同時(shí)，也必將對(duì)教學(xué)方式和考核體系進(jìn)行相應(yīng)的改革，改革的出發(fā)點(diǎn)是充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，突出學(xué)生在課堂上的主體地位。

4.1 “N+1”自主選擇實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

為了充分調(diào)動(dòng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性與主動(dòng)學(xué)習(xí)的熱情，真正體現(xiàn)學(xué)生的主體地位，采取了“N+1”自主選擇實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。如圖2所示，“N”指在實(shí)驗(yàn)教師指導(dǎo)下完成的傳統(tǒng)組織工程學(xué)實(shí)驗(yàn)，其中包括種子細(xì)胞培養(yǎng)系列技術(shù)（細(xì)胞的復(fù)蘇與凍存、細(xì)胞傳代培養(yǎng)等）、組織工程支架制備技術(shù)、支架生物學(xué)評(píng)價(jià)技術(shù)。“1”指學(xué)生自主選擇的3D打印實(shí)驗(yàn)，學(xué)生從綜合實(shí)驗(yàn)、開放實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)三種模式中自主選擇一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，2~4人一組，自由組合實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)。實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)成員通過查閱資料、確定實(shí)驗(yàn)方案等，共同完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

圖2 “N+1”自主選擇實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

在“N+1”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式中，學(xué)生自主選擇生物材料，教師不再指定實(shí)驗(yàn)所用的材料，學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)了解不同材料的特性和適用范圍，從常用的生物材料中自己選擇一種進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，也可以同時(shí)采用幾種材料進(jìn)行比較分析。通過以上方式，打破了傳統(tǒng)的教師指定實(shí)驗(yàn)材料，限定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的機(jī)械式實(shí)驗(yàn)操作，發(fā)揮了學(xué)生的主體作用，不僅能有效激勵(lì)學(xué)生主動(dòng)參與實(shí)驗(yàn)，還能促進(jìn)學(xué)生間的相互交流，營(yíng)造良好的學(xué)習(xí)氛圍。

4.2 教師團(tuán)隊(duì)梯度指導(dǎo)

課程設(shè)計(jì)采取教師團(tuán)隊(duì)梯度指導(dǎo)模式，指導(dǎo)教師包括實(shí)驗(yàn)教師，以及專門成立的組織工程學(xué)實(shí)驗(yàn)科研教師團(tuán)隊(duì)。首先由實(shí)驗(yàn)教師指導(dǎo)學(xué)生完成傳統(tǒng)的組織工程學(xué)實(shí)驗(yàn)，確保學(xué)生掌握基本的組織工程學(xué)實(shí)驗(yàn)知識(shí)與技能。之后實(shí)驗(yàn)教師公布3D打印設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，讓學(xué)生自主選擇實(shí)驗(yàn)課題，成立實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)，并在科研教師團(tuán)隊(duì)中選定一位教師作為課程設(shè)計(jì)導(dǎo)師，充分查閱文獻(xiàn)確定設(shè)計(jì)題目與方案?？蒲薪處煂?duì)課程設(shè)計(jì)方案進(jìn)行可行性分析，方案通過后與學(xué)生討論實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)，與實(shí)驗(yàn)教師共同指導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)，并參與學(xué)生的實(shí)驗(yàn)課成績(jī)考核，鼓勵(lì)與幫助學(xué)生完成后續(xù)的科研成果發(fā)表工作。教師團(tuán)隊(duì)梯度指導(dǎo)模式能夠充分保障學(xué)生的個(gè)性化設(shè)計(jì)，有效提升學(xué)生的科研思維能力，同時(shí)依靠科研教師的指導(dǎo)，可以進(jìn)一步在本科教學(xué)中結(jié)合教師的科研成果，促進(jìn)科教融合。

4.3 完善考核體系

考核體系是課程體系的重要組成部分，能有效調(diào)控教學(xué)活動(dòng)，評(píng)價(jià)教學(xué)效果[11]。在原考核體系（100分）的基礎(chǔ)上，為3D打印增加30%的分值，總分為130分。采取學(xué)生答辯形式，融合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目難度系數(shù)、個(gè)人或團(tuán)隊(duì)開展與完成情況，還采用學(xué)生小組互評(píng)與教師團(tuán)隊(duì)評(píng)價(jià)結(jié)合的形式，同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生參加科研競(jìng)賽活動(dòng)和論文寫作發(fā)表工作，并將科研成果作為加分項(xiàng)，納入實(shí)驗(yàn)課程綜合考核，使課程體系更加完善，具體考核標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)成績(jī)考核標(biāo)準(zhǔn)

5 課程設(shè)想

3D打印目前存在以下問題：打印材料有限、打印工藝不夠完善、打印產(chǎn)品性能較差等。于是，研究者提出了通過計(jì)算機(jī)虛擬仿真對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)實(shí)現(xiàn)3D打印的動(dòng)態(tài)模擬與可視化操作[12]。借助計(jì)算機(jī)仿真軟件對(duì)整套 3D打印流程進(jìn)行模擬，能優(yōu)化打印設(shè)計(jì)，降低打印失敗風(fēng)險(xiǎn)。

市場(chǎng)上針對(duì)不同材料的 3D打印仿真軟件主要有ANSYS、Amphyon、Simufact Additive、GENOA 3DP、FLOW-3D等，涵蓋金屬、陶瓷、聚合物等材料，每個(gè)軟件應(yīng)用側(cè)重點(diǎn)不同。下一步，計(jì)劃將虛擬仿真概念引入 3D打印實(shí)驗(yàn)教學(xué)，建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，并允許學(xué)生自主設(shè)置設(shè)計(jì)參數(shù)，線上線下教學(xué)相結(jié)合，3D打印虛擬仿真教學(xué)流程如圖3所示，不僅可為學(xué)生提供一種全新的可視化仿真打印過程，豐富教學(xué)方式，推進(jìn)信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的融合，同時(shí)還可發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，拓展學(xué)生的知識(shí)面。

圖3 3D打印虛擬仿真教學(xué)流程

6 結(jié)語

3D打印技術(shù)本質(zhì)上是多媒體技術(shù)的延伸，能進(jìn)一步拓展學(xué)生的思維能力。將 3D打印技術(shù)融入組織工程學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，結(jié)合傳統(tǒng)的組織工程支架制備技術(shù)與靜電紡絲技術(shù)，能夠提升學(xué)生的綜合能力、設(shè)計(jì)能力、動(dòng)手能力與創(chuàng)造力，有效促進(jìn)學(xué)生運(yùn)用多門學(xué)科的綜合知識(shí)解決實(shí)際問題。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不斷探索和完善3D打印技術(shù)的應(yīng)用，有效推動(dòng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與發(fā)展。