人类疾病研究3D将会发挥什么作用

谁会想到3D打印会与医疗关系密切，本文整理了科学家发表的多篇研究报告，共同解读3D打印是如何在人类研究疾病中发挥作用的。

在一项发表于Advanced Materials杂志的研究中，贝勒医学院的研究人员发现当前用于疝气修复软组织网片极易引发炎症和内脏粘连，因此他们开发了一种用于软组织修复与炎症调节的新型生物材料网片。该生物网片是通过原位磷酸盐交联的聚乙烯醇聚合物的3D生物打印制成的。在大鼠腹疝模型中生物网片充当炎症陷阱并捕获植入部位分泌的促炎细胞因子，有效调节局部炎症，而无需外源性抗炎剂。该生物网片在抑制内脏粘连形成和最小化术后并发症方面非常有效。

疝气是最常见的软组织损伤之一。腹内内容物(如肠环)通过腹壁薄弱、缺损或受伤部位挤压时形成疝气。这种情况可能会发展成严重的并发症，因此需要行疝气修补术。修复包括通过外科手术植入人工网片来支撑和加固受损的腹壁，促进愈合过程。然而，目前使用的网片植入物与潜在的不良术后并发症有关。贝勒医学院外科助理教授，这项研究的主要作者Crystal Shin博士说：“虽然疝气网植入物的机械强度很强，能够支撑腹部组织，使患者一开始感觉很舒服，但手术后大约三天，植入物会引发炎症，在两到三周内会影响附近的器官，这是一个常见的问题。”，Shin正在寻找解决术后疝气并发症的方法。

【2】Adv Funct Mat：科学家有望利用新型墨水3D打印出含有活细胞的骨组织!

近日，一篇发表在国际杂志Advanced Functional Materials上题为“Synthetic Bone‐Like Structures Through Omnidirectional Ceramic Bioprinting in Cell Suspensions”的研究报告中，来自新南威尔士大学等机构的科学家们通过研究开发出了一种基于陶瓷的墨水，未来有望帮助外科医生打印出能携带活细胞的3D骨骼部分，而这些活细胞能被用来修复损伤的骨组织。

文章中，研究人员使用了一种由磷酸钙组成的特殊墨水的3D打印机进行开发出了一种新技术—细胞悬浮液中的陶瓷全向生物打印技术(COBICS，ceramic omnidirectional bioprinting in cell-suspensions)，该技术能帮助他们打印出骨骼样结构，这种结构在水中放置几分钟后就会被硬化。尽管3D打印仿骨结构的想法并不新鲜，但这是研究人员首次在室温下创建携带活细胞的材料。

【3】Bioprinting：3D打印用于创造心脏细胞

人类新生命的诞生起始于单个细胞，然后分裂并最终形成胚胎。根据它们相邻细胞发送的信号，这些分裂的细胞随后发育或分化为特定的组织或器官。在再生医学中，控制细胞的分化至关重要，干细胞可以分化以允许器官的体外生长并替代受损的成年细胞，特别是复制能力非常有限的成年细胞，例如大脑或心脏。

 科学家在分化干细胞时采用的一种常见方法是使用化学刺激。尽管这种方法对于制造一种单一类型的细胞非常有效，但它缺乏复制复杂生物体的能力，在生物体中，多种细胞类型共存并协同形成一个器官。另外，受细胞发育的自然过程启发，另一种方法涉及将干细胞包装成小的细胞聚集体或称为胚状体的球体。类似于真实的胚胎，类胚体中的细胞间相互作用是分化的主要驱动力。从这些胚状体的产生，发现诸如胚状体的细胞数量，大小和球形度的参数影响所产生的细胞的类型。

【4】Sci Adv：3D打印技术有助于大脑胶质瘤的研究

胶质母细胞瘤，尤其是快速生长的恶性肿瘤，其内部组成十分复杂。即使采用激进的治疗手段(通常包括手术，放疗和化疗)，胶质母细胞瘤也难以得到完全清除，因此患者平均生存期仅有11至15个月。

近日，在Science Advance杂志上发表的研究中，伦斯勒大学生物医学工程教授Xavier Intes等人展示了一种3D打印与高分辨率看成像相结合的研究手段，能够有效地模拟人体内部胶质母细胞瘤的发生情况。Intes加收说：“已知胶质母细胞瘤的构成非常复杂，而且不同患者引人而异，因此，我们有必要了解胶质母细胞瘤的生物学特性和复杂性。”

【5】Cell Rep：3D打印大脑结构揭示神经回路结构

在最近一项研究中，作者通过开发自动化的3D脑成像数据分析技术提供了对复杂神经回路的空间组织的更可靠和标准化的分析。KAIST研究人员开发了一种用于大脑成像数据分析的新算法，该算法能够将复杂的神经回路精确定量地映射到标准化的3D模型上。

脑成像数据分析在神经科学研究中必不可少。但是，获得的大脑成像数据的分析在很大程度上取决于手动处理，这不能保证结果的准确性，一致性和可靠性。常规的脑成像数据分析通常从发现二维的脑图像开始，该图像在视觉上与实验获得的脑图像相似。然后，将图集图像的感兴趣区域(ROI)与获得的图像手动匹配，并计算ROI中标记的神经元的数量。

【6】Sci Rep：3D打印技术助理快速个性化治疗

为什么同样的治疗对每个患者都不一样?如何优化药物的性能而不会因剂量过大而引起副作用?为了回答这些问题，瑞士日内瓦大学(UNIGE)的研究人员设计了一种细胞共培养平台，以3D形式复制患者的肿瘤结构。科学家们可以用它在肿瘤发展的不同阶段测试多种药物或药物组合的有效性。相关结果发表在最近的Scientific Reports杂志上。

 结肠直肠癌是目前诊断出的第三种最常见的癌症形式，也是世界上第四大致命癌症类型。有一系列治疗方法，包括化疗，但高剂量的化疗会引起许多副作用，而且患者通常会产生耐药性。为了进一步模仿肿瘤的发展过程以及精确衡量药物的有效性，科学家们已经建立了肿瘤3D培养模型。

【7】JCCT：3D打印有助于预测心脏瓣膜的泄漏

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。

【8】Cell System：3D打印技术改变筛选抗生素的方法

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。

【9】Arch Toxicol：干细胞+3D打印 可用于肝脏移植

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。“

【10】Adv Materials：3D打印生物工程化血管研究新突破

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。

不可否认，3D打印将会在未来医疗中占据着不可磨灭的作用，医疗人员将会利用它给人们带来更多的福祉。