【解析】３Ｄ打印技術(shù)在胸心外科學中的研究進展

３Ｄ打印技術(shù)在骨科  、口腔科  等的飛速發(fā)展，也帶動了在其他�？频难芯颗c探索。近年來，３Ｄ打印技術(shù)在氣管、食管、心臟瓣膜的構(gòu)建上有了一定的成就，豐富了其在胸心外科中的應用。 概 述 根據(jù)美國材料與試驗協(xié)會（ＡＳＴＭ）２００９年成立的３Ｄ打印技術(shù)委員會（Ｆ４２委員會）公布的定義，３Ｄ打印是指一種與傳統(tǒng)的材料去除加工方法相反的，基于三維數(shù)字模型的，通常采用逐層制造方式將材料結(jié)合起來的工藝  。這些系統(tǒng)建立在Ｘ、Ｙ、Ｚ基礎(chǔ)的三維空間，打印機的噴頭不僅可以在水平方向移動，更可以垂直移動，從而實現(xiàn)對加入材料的逐層打印，形成３Ｄ結(jié)構(gòu)。打印的產(chǎn)品模型主要由計算機輔助設(shè)計，也可以通過ＣＴ成像技術(shù)來實現(xiàn)，然后根據(jù)需要調(diào)整參數(shù)，傳送至３Ｄ打印機  �；�于其工作原理，３Ｄ打印技術(shù)主要可分為３類：噴墨式打印、激光打印、擠壓打印 。

相比其他傳統(tǒng)技術(shù)，３Ｄ打印技術(shù)的 主要優(yōu)點為：
（１）打印精度高；
（２）可以同時打印細胞及其支撐材料；
（３）構(gòu)建速度快，生產(chǎn)周期短；
（４）按需制作，實現(xiàn)醫(yī)學個體化；
（５）可以解決移植排斥的問題  。
３Ｄ打印技術(shù)的 這些優(yōu)點，使之在醫(yī)學治療上得到更好的應用。 在胸心外科學中的應用

一、氣管
氣管缺損主要由狹窄、感染、創(chuàng)傷、腫瘤等引起，手術(shù)切除和直接斷端吻合是公認的標準手術(shù)治療。然而，如果缺陷超過成人氣管總長度的５０％或者兒童的３０％，就需要氣管替代物進行氣管重建。氣管重建的支架不僅需要有合適的外形和強度來維持其管腔輪廓，更需要為呼吸上皮和血管 的重建提供環(huán)境支持  。天然來源的支架和人工合成的支 架都有一定的局限性，３Ｄ打印支架應運而生。

Ｃｈａｎｇ等 利用３Ｄ打印的聚己內(nèi)酯支架成功進行了兔氣管的重建。他們在兔股骨和脛骨 處獲得骨髓間充質(zhì)干細胞，細胞培養(yǎng)后離心處理，隨后用含有人纖維蛋白原的溶液重懸，讓骨髓間充質(zhì)干細胞接種于纖維蛋白內(nèi)，再將支架補片移植于兔氣管缺陷處。實驗發(fā)現(xiàn)細胞存活率達到８３暢６％，兔氣管缺陷處在術(shù)后４周和８周都成功重建，３Ｄ打印的氣管支架與正常氣管融合良好，并且重建氣管部位覆蓋的纖毛呼吸上皮與正常無異。這類支架有望解決部分氣管重建的問題。

枟新英格蘭醫(yī)學雜志枠報道了３Ｄ打印氣管支架置入人體成功的病例  。患兒在母親妊娠３５周后出生，生后第６ 周出現(xiàn)胸壁凹陷和進食困難。２個月后，病情惡化，需要氣管插管維持通氣。病情檢查證實患兒患有氣管軟化癥。對患兒的氣道進行ＣＴ拍片后，在計算機輔助設(shè)計下，通過激光燒結(jié)的３Ｄ打印技術(shù)制作了氣管支架，置入體內(nèi)。術(shù)后７天，開始逐步撤離機械通氣；２１天后，停用了呼吸機支持；術(shù)后１年，影像學和內(nèi)鏡檢查都顯示左主支氣管重建良好。從兔實驗到個體成功案例的報道，都顯示了３Ｄ打印支架實現(xiàn)氣管重建的良好前景。

二、食管
食管癌是世界第六大常見腫瘤，并且是第五大導致男性死亡的腫瘤  ，我國也是食管癌的高發(fā)國家。胃腸內(nèi)鏡是 食管癌診斷與治療主要的篩查工具。但是對于不同類型的食管腫瘤，過于單一的內(nèi)鏡鏡帽有時不能到達病變部位，而３Ｄ打印可以根據(jù)不同病變打印特制的鏡帽；更值得欣慰的是，對于復雜解剖部位的食管癌手術(shù)，可以在術(shù)前通過３Ｄ打印的模型制訂特異性手術(shù)方案，提高手術(shù)成功率。

Ｋｏ等 根據(jù)不同患者不同病情的病變部位，以硅為材 料，利用３Ｄ打印機打印了特定的內(nèi)鏡鏡帽，這是對傳統(tǒng)內(nèi)鏡的極大改良，主要包括：

（１）側(cè)孔帽，用于食管上皮下腫瘤的黏膜切除術(shù)；
（２）斜頭帽，用于胃上皮瘤的黏膜下剝離術(shù)；
（３）寬頭帽，用于Ｔｒｕｃｕｔ活檢，食管上皮下腫瘤的診斷；
（４）窄頭帽，用于賁門失弛緩癥的內(nèi)鏡下肌切開術(shù)。
他們還將此用于臨床，患者術(shù)后并未發(fā)現(xiàn)任何并發(fā)癥。Ｄｉｃｋｉｎｓｏｎ等  自２００６年以來已經(jīng)利用３Ｄ打印制作了１６０個模型。 在ＣＴ掃描的影像學攝片后，根據(jù)食管等成像的解剖學位置，在計算機輔助設(shè)計下，不同的結(jié)構(gòu)標記不同的顏色。這樣突出表現(xiàn)了病變的食管，使之能與周圍組織分離。這些模型的建立，可以輔助制訂詳細的術(shù)前方案，尤其是對于復雜的病例，增強了治療的個體化。

三、心臟瓣膜
心臟瓣膜病是一類嚴重影響公眾健康，并且呈增長趨勢的疾病。在西方國家，患有瓣膜疾病或瓣膜功能紊亂的患者占了總?cè)丝诘模矔常担�；在發(fā)展中國家，越來越多的年輕人開始患有心臟瓣膜病，呈年輕化趨勢 。目前，心臟瓣膜病的主 要治療方法是瓣膜置換，臨床應用的瓣膜替代物主要有機 械瓣膜和生物瓣膜  。機械瓣膜通常用于年輕患者，機械 性能強、使用時間長，但需要長期抗凝治療；相比之下，生物瓣膜不需要抗凝治療，但不耐用，通常用于老年患者  。

由于機械瓣膜和生物瓣膜的不足，研究者們一直在尋找更加理想的心臟瓣膜替代物，直到組織工程心臟瓣膜帶來了希望。組織工程心臟瓣膜作為活體器官，其生長、修復和重建能力與正常人體瓣膜十分相似，從而避免了機械瓣膜和生物瓣膜置入人體后的缺點與不足  。尤其是３Ｄ打印技術(shù)成為研 究熱點后，豐富了組織工程心臟瓣膜。 Ｄｕａｎ等  利用３Ｄ生物打印技術(shù)打印出了解剖結(jié)構(gòu)復 雜的主動脈瓣膜，其藻酸鹽／明膠支架內(nèi)埋植了主動脈竇平滑肌細胞和主動脈瓣葉間質(zhì)細胞。經(jīng)過７天的培養(yǎng)后，發(fā)現(xiàn)這兩種細胞活性較高，其存活率分別為（８１暢４±３暢４）％和（８３暢２±４暢０）％；同時發(fā)現(xiàn)，ＳＭＣｓ高表達α－平滑肌肌動蛋白，而ＶＩＣｓ高表達波形蛋白。Ｈｏｃｋａｄａｙ等  利用含藻酸鹽的聚乙 二醇二丙烯酸酯水凝膠成功打印了３種大小的主動脈瓣膜，其內(nèi)徑分別為１２、１７、和２２ｍｍ；并且在支架內(nèi)埋植了豬主動脈瓣間質(zhì)細胞，培養(yǎng)２１天。

實驗發(fā)現(xiàn)，這些瓣膜支架的彈性范圍較大，制作時間也長短不等。更有趣的是，瓣膜內(nèi)徑越大，其形態(tài)保真度就越高。而且，埋植的豬主動脈瓣間質(zhì)細胞在支架內(nèi)培養(yǎng)２１天后，其存活率竟接近１００％。實驗證明，３Ｄ打印技術(shù)在保持精確解剖結(jié)構(gòu)的同時，還保持了其機械性能和細胞相容性。無獨有偶，三尖瓣瓣膜的成功打印再一次證明了３Ｄ的巨大前景。Ｄｕａｎ等 利用丙烯酸甲酯交聯(lián)透明質(zhì)酸和丙烯酸甲酯交聯(lián)明膠建立混合水凝膠支架，埋植人主動脈瓣間質(zhì)細胞后，成功打印三尖瓣瓣膜。研究發(fā)現(xiàn)：增加Ｍｅ－Ｇｅｌ濃度會導致較低的硬度和較高的黏度，而這可以促進細胞擴散以及更好地保持主動脈瓣間質(zhì)細胞的成纖維表型；Ｍｅ－ＨＡ和Ｍｅ－Ｇｅｌ的相對濃度會影響打印的精確性；埋植在生物打印的心臟瓣膜內(nèi)的ＶＩＣｓ能夠保持高活力，并且通過沉積膠原蛋白和黏多糖改變原始基質(zhì)。

３Ｄ打印心臟瓣膜的成功推動了組織工程對于活體心臟瓣膜置換的發(fā)展，同時促進了學者們對于體內(nèi)模型設(shè)計的研究和對瓣膜疾病機制的進一步探討。 討論與展望 ３Ｄ打印作為一門新興技術(shù)，展現(xiàn)了巨大的前景，受到了廣泛的關(guān)注。經(jīng)過將近２０年的發(fā)展，已經(jīng)取得了長足的進步并滲透到臨床醫(yī)學的多個領(lǐng)域，推動了醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)的快速發(fā)展。

目前，３Ｄ打印技術(shù)已然體現(xiàn)出構(gòu)建速度快、可按需制作，以滿足個體化醫(yī)學治療的需求、排斥反應低等優(yōu)勢；但也面臨不小的挑戰(zhàn)與問題：生物力學的維持、支架材料的選擇、無菌環(huán)境的保證、打印構(gòu)建物的成型、血供及長期存活  ；同時造價高，技術(shù)人員缺乏，３Ｄ打印機的安全性問題， 都阻礙了３Ｄ打印技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展及在臨床的應用。但是隨著現(xiàn)代醫(yī)學與多學科間的交叉和互相補充，３Ｄ打印技術(shù)必將不斷進步和完善，其在醫(yī)學領(lǐng)域的應用范圍也會越來越廣泛。加強３Ｄ打印技術(shù)與傳統(tǒng)醫(yī)療技術(shù)的結(jié)合，進行優(yōu)勢互補；加強３Ｄ細胞打印技術(shù)與生物組織培養(yǎng)技術(shù)的結(jié)合，實現(xiàn)復雜組織、器官的訂制，相信在不久的將來，３Ｄ打印技術(shù)可以帶給人們更好的醫(yī)療服務。
編輯：南極熊
作者：單一波  王堯  史宏燦