3D打印技术在疾病治疗中的应用

本期为大家带来的是3D打印技术在人类健康领域的应用相关研究进展，希望读者朋友们能够喜欢。

1. JCCT：3D打印有助于预测心脏瓣膜的泄漏

DOI: 10.1016/j.jcct.2018.09.007

在美国，超过八分之一的75岁及以上的人在心脏中发生中度至重度的主动脉阻塞，通常是由于瓣膜小叶上积聚的钙化沉积物造成的，并阻止它们完全打开和关闭。许多这些老年患者的健康状况不足以进行心脏直视手术;相反，他们使用称为经导管主动脉瓣置换术（TAVR）的手术将人工瓣膜植入其心脏，该手术通过插入主动脉的导管展开瓣膜。然而，这个过程存在挑战，包括需要选择完美尺寸的心脏瓣膜，而不是真正看病人的心脏：太小，瓣膜可能会在边缘移动或泄漏;太大了，阀门可以撕裂心脏，带来死亡的危险。因此，心脏病专家一直试图寻找一种“恰到好处”的TAVR瓣膜尺寸。

哈佛大学Wyss生物启发工程研究所的研究人员创造了一种新颖的3D打印工作流程，允许心脏病专家在实际执行医疗程序之前评估不同瓣膜尺寸与每位患者独特解剖结构的相互作用。该协议使用CT扫描数据生成个体患者主动脉瓣的物理模型，此外还有“sizer”装置以确定完美的替换瓣膜尺寸。这项工作是与布莱根妇女医院，华盛顿大学，马萨诸塞州综合医院和马克斯普朗克胶体与界面研究所的研究人员和医生合作完成的，并发表在《Journal of Cardiovascular Computed Tomography》杂志上。

当患者需要更换心脏瓣膜时，他们经常进行CT扫描，这需要一系列心脏X射线图像来创建其内部解剖结构的三维重建。虽然在CT扫描中很容易看到主动脉的外壁和任何相关的钙化沉积物，但是打开和关闭瓣膜的组织的精细“小叶”通常太薄而不能很好地显示出来。 “在进行心脏解剖结构的三维重建后，通常看起来钙化的沉积物只是在瓣膜内漂浮，对部署的TAVR瓣膜如何与它们相互作用提供很少或根本没有见解，”Weaver解释说。

为了解决这个问题，当时Wyss研究所的研究员Ahmed Hosny创建了一个软件程序，该程序使用参数化建模来生成传单的虚拟三维模型，每个患者的瓣膜上有七个坐标，这些坐标在CT扫描。然后将数字小叶模型与CT数据合并并进行调整，以使它们正确地适合瓣膜。然后将得到的模型（其中包含小叶及其相关的钙化沉积物）3D打印成物理多材料模型。

该团队还打印了一个定制的“sizer”设备，该设备适合3D打印的阀门模型，并进行扩展和收缩，以确定最适合每位患者的人造瓣膜尺寸。然后，他们用一层薄薄的压力传感薄膜包裹分级机，以绘制分级器和三维印刷阀门及其相关的钙化沉积物之间的压力，同时逐渐扩大分级器。

“我们发现传单上钙化沉积物的大小和位置对人工瓣膜与钙化瓣膜的适应性有很大影响，”目前在Dana-Farber癌症研究所工作的Hosny说。 “有时，TAVR瓣膜无法完全密封钙化瓣膜，这些患者实际上可以更好地进行心内直视手术以获得更好的贴合效果。”

此外，三维印刷阀门模型的多材料设计，将柔性小叶和刚性钙化沉积物整合成完全整合的形状，可以更准确地模拟人工瓣膜部署期间真实心脏瓣膜的行为，以及随着sizer的扩展，提供触觉反馈。

该团队根据已经接受过TAVR手术的30名患者的数据对他们的系统进行了测试，其中15名患者因阀门太小而发生泄漏。研究人员预测，根据分级器与主动脉瓣的3D打印模型的匹配程度，每个患者应该接受的瓣膜大小，以及手术后是否会出现泄漏。该系统能够成功预测60-73％的患者的泄漏结果（取决于患者接受的瓣膜类型），并确定60％的患者已接受适当大小的瓣膜。

“能够识别中心和低风险患者，其心脏瓣膜解剖结构使他们更容易发生TAVR并发症，这是至关重要的，我们以前从未有过一种非侵入性的方法来准确地确定这种情况。这些患者可能会通过手术获得更好的服务，因为不完美的TAVR结果的风险可能超过其益处。”作者们说道。此外，能够物理模拟该过程可能会告知阀门设计和部署方法的未来迭代。

该团队已经为希望使用它们的研究人员或临床医生在线免费提供了传单建模软件和3D打印协议。他们希望他们的项目将成为可进化的生物医学设计的跳板，与市场的最新技术保持同步。

“个性化医疗挑战的核心是认识到一种药物治疗不能同样为所有患者服务，并且治疗方法应该适合人，”Wyss研究所创始主任Donald Ingber博士说到。他还是哈佛医学院血管生物学的Judah Folkman教授和波士顿儿童医院的血管生物学项目，以及哈佛大学工程与应用科学学院的生物工程教授。 “这个原则适用于医疗器械和药物，我们很高兴看到我们的社区如何在这个领域进行创新，并试图将新的个性化方法从实验室到临床实践。”

2. Cell System：3D打印技术改变筛选抗生素的方法

DOI: 10.1016/j.cels.2018.07.004

最近，来自麦克马斯特大学实验室开发的一个“小型黑盒子”可以改变科学家寻找新抗生素的方式。

印刷荧光成像盒（简称PFIbox）能够收集大量数据，这将有助于Michael G. DeGroote传染病研究所的研究人员寻求发现新的抗生素。该盒子允许科学家一次分析超过6,000个细菌样本。

从原理上来讲，该工具使用LED灯激发细菌中的荧光蛋白。然后，它将数据无线发送给研究人员，研究细胞随时间对抗生素的反应。PFIbox的九个结构部件可以在大约一天内进行3D打印，在几分钟内拼接在一起，成本约为200美元。

“3D打印让我们可以创建根本不存在的工具和仪器，”负责该项目工作的传染病研究员Eric Brown以及Shawn French和Brittney Coutts说道。 “在这里，我们设计并制造了一台绝对最先进的实验室仪器，价格约为200美元。这对于我们发现新抗生素的工作来说只是改变游戏规则。”

研究人员已将PFIbox的代码开源，并且可供任何想要使用它们的人使用。

“我们完全期望 - 事实上，我们希望 - 人们会采用这个工具的代码并对其进行改进，”法国人说。 “我们希望人们能够充分利用我们认为在与超级细菌的斗争中非常重要的新发展。”

3. Arch Toxicol：干细胞+3D打印，可用于肝脏移植

DOI: 10.1007/s00204-018-2280-2

来自爱丁堡大学医学研究委员会（MRC）再生医学中心的科学家结合干细胞技术与3D打印技术，成功培育出了人源3D肝脏组织，并且在小鼠水平显示出治疗的潜力。

科学家表示，除了为开发人体肝脏组织植入物方面进行早期的探索，这一研究还可以通过搭建平台来研究人类肝脏疾病以及实验室中的测试药物的药效，从而减少对动物研究的需求。

在这项发表在《Archives of Toxicology》杂志上的研究中，科学家们采集了人类胚胎干细胞并诱导形成多能干细胞（已被诱导转变为干细胞的成体细胞），通过定向诱导形成为肝细胞。

负责这项研究的爱丁堡大学MRC再生医学中心的David Hay教授说：“这是有史以来第一次有人在实验室中将干细胞来源的肝组织体外培育一年多的时间。细胞长时间存活和稳定是非常困难的，但对于在人体中使用则至关重要。“

然后，科学家们与材料化学家和工程师合作，确定了已经批准用于人体的合适聚合物，以便将它们发展成3-D支架。最好的材料是可生物降解的聚酯聚己内酯，它被制作成微观纤维，纤维网形成一厘米见方，毫米厚的支架。之后，将源自胚胎干细胞的肝细胞（其已在培养物中生长20天）加载到支架上并植入小鼠皮下。

研究结果显示，血管能够在支架上成功生长。此外，作者并且发现小鼠的血液中含有人肝蛋白，表明组织已成功地与循环系统整合，支架未被动物的免疫系统拒绝。

进一步，作者在在患有酪氨酸血症的小鼠中测试肝组织支架的效果。酪氨酸血症是一种潜在致命的遗传疾病，其中肝脏中分解氨基酸酪氨酸的酶是有缺陷的，导致有毒代谢产物的积累。

研究结果表明，植入的肝组织能够帮助酪氨酸血症的小鼠分解酪氨酸。与接受空支架的对照组中的小鼠相比，移植有3D打印肝脏组织的小鼠体重减轻，血液中毒素积累较少，并且肝损伤迹象较少。

Hay教授说：“希望有朝一日这样的植入物可能有一天能够帮助肝脏衰竭的人。将支架置于皮肤下具有比将组织移植物插入腹部更具侵入性和潜在安全性的巨大优势”。

4. Adv Materials：3D打印生物工程化血管研究新突破

DOI: 10.1002/adma.201706913

最近来自BWH的研究者们开发出了一种新型的维管结构制备方法，能够得到更符合生理要求的血管。这种3D打印技术能够精细模仿组织的生理特性，例如细胞的成熟以及能否运输营养物质等。这一技术将能够被用于进行受损组织的置换。相关结果发表在最近一期的《Advanced Materials》杂志上。

许多疾病都会造成管道组织的损伤，例如动脉炎、动脉粥样硬化以及血栓等。此外，泌尿组织也会因为炎症反应产生损伤。

为了制备3D组织材料，研究者们将人体细胞与水溶胶进行混合，水溶胶的化学性质经过了反复的摸索，使其能够允许细胞的增殖。

之后，研究者们将这些混合好的材料注入管道组织3D打印系统，并且通过程序设置使其能够连续打印三层。当管道打印完毕之后，研究者们经过其它方法验证了其能够允许营养物质穿透的特性。

研究者们发现它们能够通过3D打印的技术模拟血管组织以及泌尿道组织。通过将人体的尿道以及膀胱平滑肌细胞与水溶胶混合，能够形成尿道组织。而在制备血管组织的时候，它们使用人源的内皮细胞，平滑肌细胞以及水溶胶进行混合。

这些打印得到的组织体积、厚度以及特性均存在明显差异。生物打印组织的结构复杂性对于适应体内不同的生理环境具有重要的意义。

下一步，作者们希望能够通过前临床的研究对这一技术进行优化，通过调整各种参数，使其符合移植的安全性与有效性要求。

5. Nat Biomed Eng：科学家开发出可促进血管生长的新型3D打印斑块结构

doi:10.1038/s41551-017-0083

当变窄、变硬或变堵塞的血管无法持续向组织供养时就会引发缺血发生，通常就会诱发心脏病发作、中风、坏疽和其它严重的疾病；外科手术通常能够纠正大型血管中的问题，在血管中进行的疗法往往非常复杂；如今来自布莱根妇女医院的研究人员开发了一种新方法，利用3D打印斑块灌入细胞就能够有效促进健康血管的生长。

相关研究刊登于国际杂志Nature Biomedical Engineering上，研究者所开发的这种斑块在促进新生血管生长的同时，还能够避免其它方法所产生的问题；研究者Chen说道，治疗性血管生成(therapeutic angiogenesis)，即通过注射生长因子来促进新血管生长，这是一种治疗缺血发生的潜在实验性技术；但在实际情况下研究者往往无法实现成功使得血液流经新生的血管组织，因此研究人员就想通过更深入的研究来观察是否能够解决这个问题。

随后研究者Chen及同事设计出了含有内皮细胞的两种斑块结构，第一种结构中，细胞能够被预先组装进特殊的架构中，在另外一种结构中，细胞只是被简单地注入，并不会携带任何组织架构；体内实验结果表明，携带预组装结构的斑块能够有效降低组织缺血的发生率，而不携带任何组织的斑块则会诱发“毛团”状况的出现（"hairball" situation）。

临床前的研究为科学家们提供了一种新方法来引导血流进入机体的特殊组织区域，增强血液供给或许就能够为组织愈合提供氧气，同时还能够有效保护关键的器官，比如心脏和四肢等。由于3D打印血管的规模在100微米左右，因此其足以用来制作微血管；研究人员希望这种新型的3D打印技术具有一定的可扩展性，以便于他们后期在更为复杂的大型有机体和组织环境中进行测试。

最后研究者Chen说道，目前这种方法仍然处于早期研究阶段，后期我们还将进行更为深入的研究来提高这种3D打印斑块的可扩展性，同时我们还将对不同架构进行实验来观察是否存在一种能够更好发挥作用的结构。

6. Nat Commun：重磅！3D打印卵巢让雌性小鼠产下健康的幼鼠

doi:10.1038/ncomms15261

根据美国西北大学费恩柏格医学院、麦考密克工程学院的研究人员开展的一项新的研究，全新的三维打印（即3D打印）器官如今包括当植入到雌性小鼠体内时能够排卵的卵巢结构。

通过移除雌性小鼠的卵巢，并且利用三维打印卵巢（卵巢假体）替换它，这些小鼠不仅能够排卵，而且也能够产下健康的幼鼠。这些母鼠甚至能够抚育它们的幼鼠。相关研究结果于2017年5月16日在线发表在Nature Communications期刊上，论文标题为“A bioprosthetic ovary created using 3D printed microporous scaffolds restores ovarian function in sterilized mice”。

这些卵巢假体是由容纳着未成熟的卵子的三维打印支架构造而成，成功地促进小鼠体内的激素产生，并且恢复它们的生育力。

西北大学费恩柏格医学院女性健康研究所主任、生殖科学家Teresa K. Woodruff说，“这项研究证实长期而言，这些卵巢假体具有双重功能。利用生物工程技术，而不是通过移植来自死者尸体的组织来构建发挥功能的器官结构，从而恢复受者的组织健康，这是生物工程技术用于再生医学的最高目标。”

论文通信作者、西北大学费恩柏格医学院外科助理教授、西北大学麦考密克工程学院材料科学与工程助理教授Ramille Shah说，这项研究的独到之处在于这种支架的结构和所使用的材料或者说“墨水（ink）”。

这种材料是明胶（gelatin），明胶是一种利用降解的胶原蛋白制作而成的生物水凝胶，可在人体中安全使用。这些研究人员已了解到他们构建出的任何一种支架都必须是利用足够坚硬以便在外科手术期间进行处理的而且是多孔的以便足以与小鼠体内的组织进行天然地相互作用的有机材料构建出来的。

Shah说，“大多数水凝胶是非常脆弱的，这是因为它们主要是由水组成的，而且经常会自我破裂。但是我们发现一种温度（大约30度）允许明胶自我加强而不会破裂，从而产生多层结构。在此之前，没有人能够利用明胶打印出这种明确的自我加强的几何结构。”

这种几何结构与卵泡（由包围着不成熟的卵细胞的产生激素的支持细胞形成的结构）是否在卵巢中存活下来存在着直接的关联。这也是这项研究的重大发现之一。

Shah说，“这是首次证实这种支架结构在卵泡存活中发挥着重要作用。如果我们不使用一种三维打印平台，那么我们就不能够做到这一点。”

这种三维打印“支架”被移植到雌性体内，它的多孔性能够被用来优化卵泡或者未成熟的卵子如何进入这种支架内部。这种支架促进小鼠的未成熟的卵细胞和产生激素的支持细胞存活。这种多孔结构也给这些卵细胞成熟、排卵以及血管在这种移植的支架内形成提供空间。这些血管能够让产生的激素在小鼠血液中循环流通，并且在产仔后促进乳汁产生。

对一些女性而言，基因突变、卵巢疾病或者利用放疗或化疗治疗癌症会破坏她们的卵巢功能，从而让她们丧失了当妈妈的机会。这项研究有望在未来为利用三维打印构建出人类卵巢支架铺平道路。

本文来源自生物谷，更多资讯请下载生物谷APP(http://www.bioon.com/m/)