【解析】3D打印技术在胸心外科学中的研究进展

3D打印快讯
2017
08/31
15:31
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本帖最后由 小软熊 于 2017-8-31 15:38 编辑

3D打印技术在骨科  、口腔科  等的飞速发展,也带动了在其他专科的研究与探索。近年来,3D打印技术在气管、食管、心脏瓣膜的构建上有了一定的成就,丰富了其在胸心外科中的应用。 概 述 根据美国材料与试验协会(ASTM)2009年成立的3D打印技术委员会(F42委员会)公布的定义,3D打印是指一种与传统的材料去除加工方法相反的,基于三维数字模型的,通常采用逐层制造方式将材料结合起来的工艺  。这些系统建立在X、Y、Z基础的三维空间,打印机的喷头不仅可以在水平方向移动,更可以垂直移动,从而实现对加入材料的逐层打印,形成3D结构。打印的产品模型主要由计算机辅助设计,也可以通过CT成像技术来实现,然后根据需要调整参数,传送至3D打印机  。基于其工作原理,3D打印技术主要可分为3类:喷墨式打印、激光打印、挤压打印 。
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相比其他传统技术,3D打印技术的 主要优点为:
(1)打印精度高;
(2)可以同时打印细胞及其支撑材料;
(3)构建速度快,生产周期短;
(4)按需制作,实现医学个体化;
(5)可以解决移植排斥的问题  。

3D打印技术的 这些优点,使之在医学治疗上得到更好的应用。 在胸心外科学中的应用

一、气管
气管缺损主要由狭窄、感染、创伤、肿瘤等引起,手术切除和直接断端吻合是公认的标准手术治疗。然而,如果缺陷超过成人气管总长度的50%或者儿童的30%,就需要气管替代物进行气管重建。气管重建的支架不仅需要有合适的外形和强度来维持其管腔轮廓,更需要为呼吸上皮和血管 的重建提供环境支持  。天然来源的支架和人工合成的支 架都有一定的局限性,3D打印支架应运而生。

Chang等 利用3D打印的聚己内酯支架成功进行了兔气管的重建。他们在兔股骨和胫骨 处获得骨髓间充质干细胞,细胞培养后离心处理,随后用含有人纤维蛋白原的溶液重悬,让骨髓间充质干细胞接种于纤维蛋白内,再将支架补片移植于兔气管缺陷处。实验发现细胞存活率达到83畅6%,兔气管缺陷处在术后4周和8周都成功重建,3D打印的气管支架与正常气管融合良好,并且重建气管部位覆盖的纤毛呼吸上皮与正常无异。这类支架有望解决部分气管重建的问题。
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枟新英格兰医学杂志枠报道了3D打印气管支架置入人体成功的病例  。患儿在母亲妊娠35周后出生,生后第6 周出现胸壁凹陷和进食困难。2个月后,病情恶化,需要气管插管维持通气。病情检查证实患儿患有气管软化症。对患儿的气道进行CT拍片后,在计算机辅助设计下,通过激光烧结的3D打印技术制作了气管支架,置入体内。术后7天,开始逐步撤离机械通气;21天后,停用了呼吸机支持;术后1年,影像学和内镜检查都显示左主支气管重建良好。从兔实验到个体成功案例的报道,都显示了3D打印支架实现气管重建的良好前景。

二、食管
食管癌是世界第六大常见肿瘤,并且是第五大导致男性死亡的肿瘤  ,我国也是食管癌的高发国家。胃肠内镜是 食管癌诊断与治疗主要的筛查工具。但是对于不同类型的食管肿瘤,过于单一的内镜镜帽有时不能到达病变部位,而3D打印可以根据不同病变打印特制的镜帽;更值得欣慰的是,对于复杂解剖部位的食管癌手术,可以在术前通过3D打印的模型制订特异性手术方案,提高手术成功率。

Ko等 根据不同患者不同病情的病变部位,以硅为材 料,利用3D打印机打印了特定的内镜镜帽,这是对传统内镜的极大改良,主要包括:

(1)侧孔帽,用于食管上皮下肿瘤的黏膜切除术;
(2)斜头帽,用于胃上皮瘤的黏膜下剥离术;
(3)宽头帽,用于Trucut活检,食管上皮下肿瘤的诊断;
(4)窄头帽,用于贲门失弛缓症的内镜下肌切开术。

他们还将此用于临床,患者术后并未发现任何并发症。Dickinson等  自2006年以来已经利用3D打印制作了160个模型。 在CT扫描的影像学摄片后,根据食管等成像的解剖学位置,在计算机辅助设计下,不同的结构标记不同的颜色。这样突出表现了病变的食管,使之能与周围组织分离。这些模型的建立,可以辅助制订详细的术前方案,尤其是对于复杂的病例,增强了治疗的个体化。

三、心脏瓣膜
心脏瓣膜病是一类严重影响公众健康,并且呈增长趋势的疾病。在西方国家,患有瓣膜疾病或瓣膜功能紊乱的患者占了总人口的2畅5%;在发展中国家,越来越多的年轻人开始患有心脏瓣膜病,呈年轻化趋势 。目前,心脏瓣膜病的主 要治疗方法是瓣膜置换,临床应用的瓣膜替代物主要有机 械瓣膜和生物瓣膜  。机械瓣膜通常用于年轻患者,机械 性能强、使用时间长,但需要长期抗凝治疗;相比之下,生物瓣膜不需要抗凝治疗,但不耐用,通常用于老年患者  。
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由于机械瓣膜和生物瓣膜的不足,研究者们一直在寻找更加理想的心脏瓣膜替代物,直到组织工程心脏瓣膜带来了希望。组织工程心脏瓣膜作为活体器官,其生长、修复和重建能力与正常人体瓣膜十分相似,从而避免了机械瓣膜和生物瓣膜置入人体后的缺点与不足  。尤其是3D打印技术成为研 究热点后,丰富了组织工程心脏瓣膜。 Duan等  利用3D生物打印技术打印出了解剖结构复 杂的主动脉瓣膜,其藻酸盐/明胶支架内埋植了主动脉窦平滑肌细胞和主动脉瓣叶间质细胞。经过7天的培养后,发现这两种细胞活性较高,其存活率分别为(81畅4±3畅4)%和(83畅2±4畅0)%;同时发现,SMCs高表达α-平滑肌肌动蛋白,而VICs高表达波形蛋白。Hockaday等  利用含藻酸盐的聚乙 二醇二丙烯酸酯水凝胶成功打印了3种大小的主动脉瓣膜,其内径分别为12、17、和22mm;并且在支架内埋植了猪主动脉瓣间质细胞,培养21天。

实验发现,这些瓣膜支架的弹性范围较大,制作时间也长短不等。更有趣的是,瓣膜内径越大,其形态保真度就越高。而且,埋植的猪主动脉瓣间质细胞在支架内培养21天后,其存活率竟接近100%。实验证明,3D打印技术在保持精确解剖结构的同时,还保持了其机械性能和细胞相容性。无独有偶,三尖瓣瓣膜的成功打印再一次证明了3D的巨大前景。Duan等 利用丙烯酸甲酯交联透明质酸和丙烯酸甲酯交联明胶建立混合水凝胶支架,埋植人主动脉瓣间质细胞后,成功打印三尖瓣瓣膜。研究发现:增加Me-Gel浓度会导致较低的硬度和较高的黏度,而这可以促进细胞扩散以及更好地保持主动脉瓣间质细胞的成纤维表型;Me-HA和Me-Gel的相对浓度会影响打印的精确性;埋植在生物打印的心脏瓣膜内的VICs能够保持高活力,并且通过沉积胶原蛋白和黏多糖改变原始基质。
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3D打印心脏瓣膜的成功推动了组织工程对于活体心脏瓣膜置换的发展,同时促进了学者们对于体内模型设计的研究和对瓣膜疾病机制的进一步探讨。 讨论与展望 3D打印作为一门新兴技术,展现了巨大的前景,受到了广泛的关注。经过将近20年的发展,已经取得了长足的进步并渗透到临床医学的多个领域,推动了医疗卫生事业的快速发展。

目前,3D打印技术已然体现出构建速度快、可按需制作,以满足个体化医学治疗的需求、排斥反应低等优势;但也面临不小的挑战与问题:生物力学的维持、支架材料的选择、无菌环境的保证、打印构建物的成型、血供及长期存活  ;同时造价高,技术人员缺乏,3D打印机的安全性问题, 都阻碍了3D打印技术在国内的发展及在临床的应用。但是随着现代医学与多学科间的交叉和互相补充,3D打印技术必将不断进步和完善,其在医学领域的应用范围也会越来越广泛。加强3D打印技术与传统医疗技术的结合,进行优势互补;加强3D细胞打印技术与生物组织培养技术的结合,实现复杂组织、器官的订制,相信在不久的将来,3D打印技术可以带给人们更好的医疗服务。
编辑:南极熊
作者:单一波  王尧  史宏灿



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