快速成型在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用RapidPrototypingforBiomedicalApplications 學(xué)生 學(xué)號 LOM薄型材料選擇性切割 SLS粉末材料選擇性燒結(jié) SLA液態(tài)光敏聚合物選擇固化 FDM絲狀材料選擇性熔覆成型 數(shù)字光加工噴射 多層噴墨建模制作 ThereareseveralRPtechnologiesinmedicine whichcanbedividedinsubtractiveandadditiveones 方法分類 方法分類 ComparisonofdifferentRPtechnologies TherearevarietiesofmaterialswhichcanbeusedformedicalapplicationsofRP Materialsmustshowbiologicalcompatibility RPmedicalmaterialsinclude Photosensitiveresinsformedicalapplication Metals stainlesssteel titaniumalloys CobaltChromiumalloys other Advancedbioceramicmaterials Alumnia Zirconia Calciumphosphate basedbioceramics porousceramics forLOM Polycaprolactone PCL scaffolds polymer ceramiccompositescaffoldmadeofpolypropylene tricalcium phosphate PP TCP PCLandPCL hydroxyapatite HA forFDM PLGA starch basedpolymerfor3DP polyetheretherketone hydroxyapatite PEEK HA PCLscaffoldsintissueengineeringfor SLS Bonecement newcalciumphosphatepowderbinders mixtureoftetracalciumphosphate TTCP andbeta tricalciumphosphate TCP Polimethylmethacrylate PMMA material otherpolymercalciumphosphatecementcompositesforbonesubstitutesandimplants Manyotherbiocompatiblematerials參考文獻 4thInternationalConferenceonMaterialsProcessingandCharacterizationModernTrendsinRapidPrototypingforBiomedicalApplicationsDeepenBanoriya RajeshPurohit andR K Dwivedi 材料分類 1990年 快速成型技術(shù)開始應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域 在醫(yī)學(xué)界被用來制作診斷模型和進行手術(shù)模擬 近年來 快速成型技術(shù)在成型材料和成型工藝上發(fā)展很快 制作完成的器件不僅是供參考和研究的模型 更可以是直接應(yīng)用的功能組件 以恢復(fù)患者正常的生理功能 1 物理模型的復(fù)制 2 疾病的診斷及輔助 模擬手術(shù) 3 個體化假體制作 4 生物支架和器官打印 5 整形外科 6 組織工程 應(yīng)用分類 應(yīng)用實例 A 快速成型技術(shù)在口腔修復(fù)體制作中的應(yīng)用 1 1蠟型的快速成型制作活動和固定修復(fù)體都需要進行蠟型的制作 吳琳等 2 應(yīng)用CAD和激光固化快速成型技術(shù)制作出了活動義齒支架的樹脂模型 Williams等 3 運用激光固化快速成型技術(shù)制作樹脂模型后再進行鑄造 最終形成金屬基托鑄件 目標(biāo)病例數(shù)據(jù)CT圖像三維數(shù)據(jù)圖像的重建制造缺損的蠟?zāi)?口腔金屬修復(fù)體的直接快速成型目前 有學(xué)者采用快速成型技術(shù)與激光燒結(jié)相結(jié)合 直接對各種金屬粉末進行成型和燒結(jié) 制作出了口腔金屬修復(fù)體 Williams等利用激光燒結(jié)快速成型技術(shù)對金屬粉末直接進行成型 成功制作了局部可摘義齒的金屬基托 吳江等在激光快速成型系統(tǒng)上 對鈦粉直接成型燒結(jié) 制造了全口義齒鈦基托 1 物理模型的復(fù)制 2 疾病的診斷及輔助 模擬手術(shù)廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院骨科醫(yī)院髖臼骨折是創(chuàng)傷骨科的難題之一 因為髖臼具有位置較深 形狀不規(guī)則 且毗鄰重要神經(jīng)血管等解剖特點 同時手術(shù)治療時需盡可能解剖復(fù)位以免術(shù)后創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎的發(fā)生 這就需要在術(shù)前進行詳細(xì)的手術(shù)計劃 使用計算機輔助技術(shù)及快速成型技術(shù)術(shù)前規(guī)劃髖臼骨折手術(shù)方案計算機輔助CT三維重建技術(shù)能清晰地顯示骨盆骨折的部位 程度及骨折移位情況 快速成型技術(shù)可以使復(fù)雜髖臼骨折的三維重建圖像以與真骨盆1 1等大的實體模型形式呈現(xiàn)在醫(yī)師眼前 使臨床醫(yī)師可以更好的觀察骨折及碎骨片情況 進而可以模擬骨折塊的復(fù)位 以及鋼板內(nèi)固定 螺釘植入等操作 通過術(shù)前模擬操作預(yù)選內(nèi)固定材料長度 選擇恰當(dāng)?shù)墓潭ㄎ恢眉爸踩敕较?有助于提高術(shù)者制定手術(shù)方案的準(zhǔn)確性 節(jié)約手術(shù)時間 減少術(shù)中出血量 而且快速成型制成的骨盆模型還可以消毒后在手術(shù)臺上為術(shù)者提供參考參考文獻 李寶豐 章瑩 邰國良 代元元 謝會斌 郭曉澤 朱昌榮 王非3D數(shù)字骨科技術(shù)在髖臼骨折治療中的應(yīng)用廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院骨科醫(yī)院JSouthMedUniv 2016 36 7 1014 1017 應(yīng)用實例 應(yīng)用實例 A 3 個體化假體制作2013年惠靈頓維多利亞大學(xué)畢業(yè)生JakeEvill采用3D打印技術(shù)設(shè)計出了骨折外固定支具CortexCast 圖1 2014年土耳其設(shè)計師丹尼斯 卡拉薩欣同樣采用3D打印技術(shù)設(shè)計出多孔結(jié)構(gòu)的骨折外固定支具OsteoidCast 圖2 取代通常的石膏或高分子材料固定支具 在保證穩(wěn)定性的同時更加輕便 通風(fēng) 耐水洗 而且比傳統(tǒng)的外固定支具更舒適美觀 4 生物支架 生物支架通過數(shù)字化設(shè)計 3D打印成型 可以按需設(shè)定特定的支架孔隙大小及交聯(lián) 為細(xì)胞黏附 增殖 分化提供場所 逐步形成新的與自身功能相一致的組織 達到創(chuàng)傷修復(fù)的目的 在創(chuàng)傷骨科缺損修復(fù)中通常會用到生物支架 如人工骨的組織工程支架 孫梁和熊卓應(yīng)用3D打印技術(shù)制作的聚乳酸 聚羥乙酸 磷酸三鈣生物支架修復(fù)了兔長達15mm的橈骨缺損 且生物支架降解速度與成骨速度匹配完好 應(yīng)用實例 器官打印基于細(xì)胞的生物打印 由于人體的皮膚相較于其他器官細(xì)胞結(jié)構(gòu)簡單 成活率較高 如今很多基礎(chǔ)及臨床研究機構(gòu)研發(fā)出的各種皮膚打印技術(shù) 生物試驗效果良好 如美國維克森林大學(xué)開發(fā)的皮膚激光掃描打印技術(shù) 首先使用激光掃描儀掃描患者患處并生成填充程序 后由3D打印機通過生成的填充程序在患處填充皮膚細(xì)胞覆蓋傷口達到治療目的 荷蘭萊頓大學(xué)提出了SkinPrint 皮膚打印 概念 取一小塊患者健康皮膚用于誘導(dǎo)制備多能干細(xì)胞 將制備好的多能干細(xì)胞作為3D打印墨水修復(fù)損傷皮膚 可最大限度避免自身免疫反應(yīng)的發(fā)生 東京大學(xué)醫(yī)學(xué)系附屬醫(yī)院高戶毅教授率領(lǐng)的研究小組 以富士膠片公司基于基因工程學(xué)研發(fā)的重組人膠原蛋白肽為主要材料 向其中混入從患者體內(nèi)提取的干細(xì)胞和促進細(xì)胞增殖的生長因子等 然后通過改良的醫(yī)用3D打印機制備出皮膚用于創(chuàng)傷皮膚的修復(fù) 3D打印機制備出的人體皮膚 應(yīng)用實例 5 整形外科 目前 國內(nèi)外應(yīng)用快速成型技術(shù)制作贗復(fù)體的方法有熔融擠壓法 激光固化快速成型 激光燒結(jié)法等 熊耀陽等 1 應(yīng)用熔融擠壓法進行鼻贗復(fù)體的制作 經(jīng)臨床檢驗符合修復(fù)學(xué)標(biāo)準(zhǔn) 周冰等 2 進行選區(qū)激光燒結(jié) 制作出了鼻贗復(fù)體的蠟型 蠟型達到了臨床應(yīng)用的制作要求 翻制成最終的硅橡膠贗復(fù)體 獲得了滿意的臨床效果 李風(fēng)蘭等 3 利用選取激光燒結(jié)法制作了耳贗復(fù)體 表明了選區(qū)性激光燒結(jié)技術(shù)可以用于制備復(fù)雜形態(tài)的耳贗復(fù)體蠟?zāi)Ｐ?為該技術(shù)在頜面贗復(fù)體制作中的應(yīng)用提供了依據(jù) AlMardini等 4 通過CAD技術(shù) 利用激光固化快速成型的方法將流動蠟直接成型為耳贗復(fù)體模型 潘景光等 5 運用快速成型技術(shù)制作缺損區(qū)表面形態(tài)的蠟型 最終完成硅橡膠眶贗復(fù)體的制作 Feng等 6 運用激光燒結(jié)法制作頜面部修復(fù)體的蠟型 再使用浸蠟法進行細(xì)微結(jié)構(gòu)的美化 最終完成了贗復(fù)體的制作 參考文獻 1 熊耀陽 陳曉波 焦婷 等 快速成型技術(shù)在鼻贗復(fù)體制作過程中的應(yīng)用 J 上海交通大學(xué)學(xué)報 醫(yī)學(xué)版 2008 28 2 周冰 趙銥民 吳國鋒 等 選區(qū)激光燒結(jié)成型技術(shù)在鼻贗復(fù)體制作中的應(yīng)用 J 中國激光 2008 3 李風(fēng)蘭 趙銥民 選擇性激光燒結(jié)法燒結(jié)復(fù)合蠟粉制作耳贗復(fù)體 J 中國激光 2009 36 10 4 AlMardiniM ErcoliC GraserGN Atechniquetoproduceamirror imagewaxpatternofanearusingrapidprototypingtechnology J JProsthetDent 2005 94 2 195 198 5 潘景光 趙銥民 蘇方 單側(cè)眶缺損的三維仿真設(shè)計與快速制作 J 中國組織工程研究與臨床康復(fù) 2009 13 43 8496 8498 6 FengZ DongY ZhaoY etal Computer assistedtechniqueforthedesignandmanufactureofrealisticfacialprostheses J BrJOralMaxillofacSurg 2010 48 2 105 109 應(yīng)用實例 6 組織工程在醫(yī)療3D打印中 最神秘 最尖端 最炫酷的細(xì)分領(lǐng)域 是細(xì)胞3D打印 2000年前后 科學(xué)家將人類動脈血管切成一節(jié)節(jié)的環(huán)狀結(jié)構(gòu) 然后把這些環(huán)狀結(jié)構(gòu)套在一根線上 72小時后發(fā)現(xiàn) 這些血管切片又融合到了一起 形成一根新血管 這個實驗告訴我們 在體外 如果可以把不同的細(xì)胞在空間上按照人類的組織器官的細(xì)胞排布要求放在一起 這些細(xì)胞就會很快發(fā)生遷移 擴散 自組織 重新組成一個器官 也就是說它能制造出一個全新的器官 清華大學(xué) 麻省理工學(xué)院等學(xué)術(shù)機構(gòu)在細(xì)胞3D打印領(lǐng)域已有探索 它的技術(shù)原理就是將細(xì)胞一層一層打印在特殊熱敏材料上 打完之后將材料疊加就能得到需要的結(jié)構(gòu) 目前做得最好的是3DBioplotter 3D生物繪圖儀 技術(shù) 它是將細(xì)胞和瓊脂基復(fù)合材料共混 擠出成型在具有交聯(lián)劑的底板上層層疊加 美國Drexel大學(xué)的孫偉教授 研發(fā)出能夠連續(xù)擠出成型的三噴頭的3D打印機 這個技術(shù)可以進行藥物毒性的肝單元結(jié)構(gòu)檢驗 第一個應(yīng)用領(lǐng)域是實驗室 它可以為再生醫(yī)學(xué) 組織工程 干細(xì)胞 癌癥等與生命科學(xué)相關(guān)的領(lǐng)域提供一個非常好的研究工具第二個可以做的就是構(gòu)建和修復(fù)組織器官 提供新的臨床醫(yī)學(xué)技術(shù) 第三 細(xì)胞3D打印技術(shù)還可以做藥物研發(fā)領(lǐng)域的藥物篩選模型 應(yīng)用實例 3D打印多孔 磷酸三鈣負(fù)載聚乳酸 羥基乙酸共聚物抗結(jié)核藥物緩釋微球復(fù)合材料 構(gòu)建及細(xì)胞毒性評價孟磊 甄平 梁曉燕 1甘肅中醫(yī)藥大學(xué) 甘肅省蘭州市730000 2解放軍蘭州軍區(qū)蘭州總醫(yī)院全軍骨科中心 甘肅省蘭州市 中國組織工程研究第20卷第25期2016 06 17出版背景 世界衛(wèi)生組織2014年10月22日發(fā)表的 2014全球結(jié)核病報告 中 有兩點值得醫(yī)學(xué)界尤為關(guān)注 第一 2013年全世界有900萬人罹患結(jié)核病 這一統(tǒng)計結(jié)果比之前估計的病例數(shù)目多出近50萬例 第二 從世界范圍看 難以治愈的耐多藥結(jié)核病危機仍在繼續(xù) 2013年所有結(jié)核病患者中有3 5 為耐多藥結(jié)核病患者 核分為肺結(jié)核和肺外結(jié)核 肺外結(jié)核在結(jié)核病例中所占比例超過25 是由結(jié)核分枝桿菌通過血液和淋巴擴散至肺外器官產(chǎn)生 以骨與關(guān)節(jié)結(jié)核較為常見 目前 骨關(guān)節(jié)結(jié)核可采取抗結(jié)核藥物8 20個月的標(biāo)準(zhǔn)化治療 然而較長的化療期易導(dǎo)致患者較差的依從性和嚴(yán)重的不良反應(yīng) 因此 骨關(guān)節(jié)結(jié)核治療的關(guān)鍵是增加局部藥物濃度 以獲得較高的治療效果 并降低藥物的不良反應(yīng) 骨關(guān)節(jié)結(jié)核所造成的局部骨結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞 經(jīng)外科清創(chuàng)后會遺留下較大的骨質(zhì)缺損 即便如此 結(jié)核桿菌也難被徹底清除 因此 構(gòu)建一種既有填充骨質(zhì)缺損和骨引導(dǎo)作用又能緩慢釋放抗結(jié)核藥物的復(fù)合材料 迅速成為骨關(guān)節(jié)結(jié)核外科治療的熱門課題 應(yīng)用實例 實驗方法 利用3D打印技術(shù)制備出20個孔徑400 m的多孔 磷酸三鈣材料 隨機抽取其中10個負(fù)載聚乳酸 羥基乙酸共聚物抗結(jié)核藥物緩釋微球 作為載藥支架 其余10個作為非載藥支架 將以上兩種支架浸提液與成骨細(xì)胞共同培養(yǎng)72h 通過倒置相差顯微鏡觀察細(xì)胞形態(tài) 采用CCK 8法測得成骨細(xì)胞A值 計算細(xì)胞相對增殖率 評價支架材料的細(xì)胞毒性 課題組利用3D打印技術(shù)制備出多孔 磷酸三鈣支架 將利用聚乳酸 羥基乙酸共聚物 poly lactic co glycolicacid PLGA 包封抗結(jié)核藥物制備成的緩釋微球負(fù)載于多孔 磷酸三鈣支架 最終形成多孔 磷酸三鈣負(fù)載PLGA抗結(jié)核藥物緩釋微球復(fù)合材料 以此作為骨關(guān)節(jié)結(jié)核經(jīng)外科清創(chuàng)后所形成骨缺損的兼有骨引導(dǎo)能力和局部抗結(jié)核治療作用的填充物 作為植入性材料 多孔 磷酸三鈣負(fù)載PLGA抗結(jié)核藥物緩釋微球復(fù)合材料必須具備生物相容性 實驗采用CCK 8檢測法對所構(gòu)建的多孔 磷酸三鈣負(fù)載PLGA抗結(jié)核藥物緩釋微球復(fù)合材料的細(xì)胞毒性進行檢測 以此明確該材料的生物相容性 應(yīng)用實例 圖中A為3D打印多孔 磷酸三鈣支架 B為聚乳酸 羥基乙酸共聚物抗結(jié)核藥物緩釋微球復(fù)合材料 C為3D打印多孔 磷酸三鈣負(fù)載聚乳酸 羥基乙酸共聚物抗結(jié)核藥物緩釋微球復(fù)合材料 應(yīng)用實例 實驗步驟 1 3D打印多孔 磷酸三鈣 通過計算機輔助設(shè)計 CAD 構(gòu)建擬打印的多孔 磷酸三鈣模型 利用粒徑為2 m的 磷酸三鈣粉末 稀檸酸 磷酸二氫鉀 二氧化硅 氧化鋅 直徑2 8 m石蠟微球 制備出打印墨水 選用750 m噴頭 行走速度為100mm min 每層厚度為750 m 層與層之間在X Y Z軸上的間隔的均為670 m 由3D Bioplotter打印機完成 磷酸三鈣溶漿的噴涂后 再將 磷酸三鈣支架在1100 下恒溫?zé)Y(jié)2h 最終獲得成品 將3D打印多孔 磷酸三鈣作為非載藥組支架 2 復(fù)乳化溶劑揮發(fā)法制備PLGA抗結(jié)核藥物緩釋微球 稱取異煙肼25mg 利福平25mg PLGA50mg和聚乙烯醇600mg 將聚乙烯醇置入小燒杯中并加入30mL超純水 熱浴至聚乙烯醇完全溶解 作為粘接劑備用 將異煙肼加入2mL超純水中 渦旋振蕩器振蕩3min混勻 作為水相備用 在利福平和PLGA中加入2mL二氯甲烷 作為油相備用 將以上置入4 冰箱冷藏1h后 水相加入油相 經(jīng)超聲破碎儀混合 質(zhì) 乳化 加速反應(yīng)等 再將混合相迅速加入聚乙烯醇溶液中 通過磁力攪拌 轉(zhuǎn)速2000r min 加速二氯甲烷的揮發(fā) 促進成球 期間 0 5h后可取少量溶液 在倒置顯微鏡下觀察微球大致形狀及大小均勻程度 4h后 停止攪拌 經(jīng)過濾 干燥后得微球 應(yīng)用實例 3 3D打印多孔 磷酸三鈣負(fù)載PLGA抗結(jié)核藥物緩釋微球復(fù)合材料的制備 振蕩攪拌PLGA抗結(jié)核藥物緩釋微球雙蒸水溶液 混勻微球后加至平底離心管中 每支離心管內(nèi)底部置入1塊3D打印多孔 磷酸三鈣 啟動離心機 轉(zhuǎn)速設(shè)置為4000r min 處理時間15min 經(jīng)離心處理 PLGA抗結(jié)核藥物緩釋微球能夠進入多孔 磷酸三鈣支架的所有孔隙內(nèi) 直至飽和 離心處理后 棄去液體和多余微球 再向管內(nèi)加入10 明膠溶液 再次低速離心15min 明膠溶液在離心過程中會進入微球間及微球與孔壁之間的空隙內(nèi) 從而能夠?qū)⑽⑶蛘辰Y(jié)于多孔 磷酸三鈣的孔隙內(nèi) 冷凍干燥處理24h后 終得3D打印多孔 磷酸三鈣負(fù)載PLGA抗結(jié)核藥物緩釋微球復(fù)合材料 載藥組支