组织工程中3D生物打印技术的应用

中国组织工程研究第18卷第2期2014–01–08出版ChineseJournalofTissueEngineeringResearchJanuary8,2014Vol.18,No.2ISSN2095-4344CN21-1581/RCODEN:ZLKHAH271石静，女，1982年生，江苏省苏州市人，汉族，上海交通大学医学院毕业，博士，主治医师，主要从事骨骼系统的影像学研究。通讯作者：钟玉敏，上海交通大学医学院附属上海儿童医学中心影像诊断中心，上海市200127doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2014.02.018[]中图分类号:R318文献标识码:A文章编号:2095-4344(2014)02-00271-06稿件接受：2013-11-06ShiJing,M.D.,Attendingphysician,CenterofImagingDiagnosis,ShanghaiChildren’sMedicalCenter,ShanghaiJiaoTongUniversitySchoolofMedicine,Shanghai200127,ChinaCorrespondingauthor:ZhongYu-min,CenterofImagingDiagnosis,ShanghaiChildren’sMedicalCenter,ShanghaiJiaoTongUniversitySchoolofMedicine,Shanghai200127,ChinaAccepted:2013-11-06组织工程中3D生物打印技术的应用石静，钟玉敏(上海交通大学医学院附属上海儿童医学中心影像诊断中心，上海市200127)文章亮点：1此问题的已知信息：3D生物打印技术是组织工程学的一个分支，可以实现组织、器官的体外构建。2文章增加的新信息：3D生物打印技术相较其他快速成型构建技术，具有独特的优势，是当前组织工程学及工程学研究的热点，但其仍面对较多难题，需要研究者进一步研究，其临床应用前景广泛，一旦未来在临床工作中全面铺开，具有划时代的意义。3临床应用的意义：3D生物打印技术能体外个性化复制患者或者生物医学所需要的组织、器官结构，具有仿生学价值，且能最小化排异反应，构建速度快，在临床科研实践中应用前景广泛。关键词：组织构建；组织工程；3D生物打印；组织工程学；快速成型技术；支架材料；选择性激光烧结；熔融沉积成型；立体光刻技术主题词：成像，三维；组织工程；支架；磁共振成像；计算机辅助设计摘要背景：近年来，研究者将最先应用于工程领域的3D打印技术嫁接到组织工程学中，希冀利用3D生物打印技术进行体外组织、器官复制过程，并取得了一些令人惊喜的成果。目的：从3D打印技术的原理、打印操作步骤、与组织工程学的关系、优势和难题、临床应用等方面对其目前的发展趋势做一概述。方法：第一作者应用计算机检索2000年1月至2013年10月PubMed数据库、中国期刊全文数据库、维普中文期刊网有关3D生物打印技术在组织工程中应用的文章，英文检索词“three-dimensionalbioprinting,tissueengineering,rapidprototypingtechnology,scaffoldmaterials,selectivelasersintering,fuseddepositionmodeling,stereolithography”，中文检索词“3D生物打印，组织工程学，快速成型技术，支架材料，选择性激光烧结，熔融沉积成型，立体光刻技术”，排除重复性研究。共检索到79篇相关文献，其中52篇文献符合纳入标准。结果与结论：3D生物打印就是借助影像技术(CT、MRI)资料的辅助，应用计算机辅助设计技术虚拟出待构建体的三维结构，然后利用相应的材料，逐层创建出实体的一种组织工程学技术。其具有高精度、构建速度快，可实现按需制造等优势，但也面对力学、生物学等方面的难题，临床应用前景广阔。石静，钟玉敏.组织工程中3D生物打印技术的应用[J].中国组织工程研究，2014，18(2):271-276.Three-dimensionalbioprintingtechnologyintissueengineeringShiJing,ZhongYu-min(CenterofImagingDiagnosis,ShanghaiChildren’sMedicalCenter,ShanghaiJiaoTongUniversitySchoolofMedicine,Shanghai200127,China)AbstractBACKGROUND:Three-dimensionalbioprintingtechnologyistheemergingtechnologyinrecentyears,whichisoneofthebranchesoftissueengineering.Thethree-dimensionalbioprintingtechnologyhasbeenusedinthereproductionprocessofinvitrotissuesandorgans,whichhasachievedsurprisingoutcomes.OBJECTIVE:Toreviewthethree-dimensionalbioprintingtechnologyintermsofitsprinciples,operatingsteps,relationshipswithtissueengineering,advantagesandchallenges,aswellasclinicalapplications.METHODS:Thefirstauthordidacomputer-aidedretrievalofthePubMeddatabase,CNKIdatabase,andCQVIPdatabaseforarticlesrelevanttothree-dimensionalbioprintingtechnologyusedintissueengineeringpublishedbetweenJanuary2000andOctober2000.Thekeywordswere“three-dimensionalbioprinting,tissueengineering,rapidprototypingtechnology,scaffoldmaterials,selectivelasersintering,fuseddepositionmodeling,stereolithography”inEnglishandChinese.Repetitivestudieswereexcluded,and52of79relatedliteratureswereadoptedinresultanalysis.RESULTSANDCONCLUSION:Three-dimensionalbioprintingtechnologyisoneofthebranchesoftissueengineering,whichcanbuildavirtualthree-dimensionalstructurelayerbylayerunderthecomputer-aideddesigntechnology,withthehelpofimagingdatainformation(includingCTandMRI).Thistechnologyhastheadvantagesofhighprecision,highbuildingspeed,fabricationondemand,andalsohasthechallengesinengineeringmechanicsandbiologicalactivities.Inaword,itisameaningfulandpromisingtechnologyinclinicalapplication.石静，等.组织工程中3D生物打印技术的应用P.O.Box10002,Shenyang110180(2):271-276.0引言Introduction组织工程学是20世纪80年代末开始发展起来的一门新兴科学，它涉及到临床医学、生物材料学、细胞生物学、分子生物学、生物工程等一系列学科的交叉融合，其目的主要是体内或体外生成可替代性的组织和器官，以修复受损害的组织、器官的功能[1-3]。黄洁夫曾在《柳叶刀》上发表文章称，中国每年大约有150万人因末期器官功能衰竭需要器官移植，但每年能够使用的器官数量不到1万，供求比例达到1∶150[4]。与此同时，中国需要接受器官移植的患者数量还在以每年超过10%的增量扩大。而组织工程学的进步或许会为这些患者提供生存的希望。近年来，研究者将最先应用于工程领域的3D打印技术嫁接到组织工程学中，希冀利用3D生物打印技术进行体外组织、器官复制过程[5-8]，并取得了一些令人惊喜的成果，现就3D生物打印技术在组织工程中的应用作一简单概述。1资料和方法Dataandmethods1.1资料来源第一作者应用计算机检索2000年1月至2013年10月PubMed数据库()、CNKI中国期刊全文数据库相关文章()、维普中文期刊网()，英文检索词为“three-dimensionalbioprinting,tissueengineering,rapidprototypingtechnology,scaffoldmaterials,selectivelasersintering,fuseddepositionmodeling,stereolithography”；中文检索词为“3D生物打印，组织工程学，快速成型技术，支架材料，选择性激光烧结，熔融沉积成型，立体光刻技术”。共检索到79篇相关文献，其中外文文献53篇，中文文献26篇。1.2纳入标准①文章所述内容需为组织工程学体外构建组织、器官的论著或综述类文章，以及与3D生物打印技术相关领域研究的成果报道或者未来应用领域探索相关的文章。②同一领域选择近期发表或在权威杂志上发表的文章。1.3排除标准重复性研究。1.4数据的提取计算机初检得到79篇文献，阅读标题和摘要进行初筛，排除中英文文献重复报道和因观察对照内容、因素、目的不同、重复报道的病例，及文献内容与3D生物打印在组织工程学中的应用不相关的内容。1.5质量评估符合纳入标准的52篇文献中，文献[1-8]是关于3D生物打印技术研究背景的相关报道，文献[9]是关于工业上已经成熟的3D打印技术，文献[10-34]是有关组织工程学构建及其相关各分支技术的相关报道，文献[35-44]是关于3D生物打印技术目前面对技术难题的相关报道，文献[45-50]是关于3D生物打印临床应用的相关报道，最后，文献[51-52]是关于3D生物打印技术定义的相关文献。2结果Results2.1什么是3D打印所谓3D打印是可以真实打印三维物体的一种技术[9]，其最早应用于工业制造领域，目前上海已经有3D打印实体店开张了。其打印原理简单来说类似于激光成型技术，采用分层加工、迭