【解析】３Ｄ打印技術(shù)在胸心外科學(xué)中的研究進(jìn)展

３Ｄ打印技術(shù)在骨科  、口腔科  等的飛速發(fā)展，也帶動(dòng)了在其他專(zhuān)科的研究與探索。近年來(lái)，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(yīng)用。 概 述 根據(jù)美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ＡＳＴＭ）２００９年成立的３Ｄ打印技術(shù)委員會(huì)（Ｆ４２委員會(huì)）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(lái)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(jī)的噴頭不僅可以在水平方向移動(dòng)，更可以垂直移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，也可以通過(guò)ＣＴ成像技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，然后根據(jù)需要調(diào)整參數(shù)，傳送至３Ｄ打印機(jī)  �；�于其工作原理，３Ｄ打印技術(shù)主要可分為３類(lèi)：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(diǎn)為：
（１）打印精度高；
（２）可以同時(shí)打印細(xì)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(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)個(gè)體化；
（５）可以解決移植排斥的問(wèn)題  。
３Ｄ打印技術(shù)的 這些優(yōu)點(diǎn)，使之在醫(yī)學(xué)治療上得到更好的應(yīng)用。 在胸心外科學(xué)中的應(yīng)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(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)手術(shù)治療。然而，如果缺陷超過(guò)成人氣管總長(zhǎng)度的５０％或者兒童的３０％，就需要?dú)夤芴娲�物進(jìn)行氣管重建。氣管重建的支架不僅需要有合適的外形和強(qiáng)度來(lái)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(lái)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(yīng)運(yùn)而生。

Ｃｈａｎｇ等 利用３Ｄ打印的聚己內(nèi)酯支架成功進(jìn)行了兔氣管的重建。他們?cè)谕霉晒呛兔劰?處獲得骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞，細(xì)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(xì)胞接種于纖維蛋白內(nèi)，再將支架補(bǔ)片移植于兔氣管缺陷處。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)細(xì)胞存活率達(dá)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(wú)異。這類(lèi)支架有望解決部分氣管重建的問(wèn)題。

枟新英格蘭醫(yī)學(xué)雜志枠報(bào)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(jìn)食困難。２個(gè)月后，病情惡化，需要?dú)夤懿骞芫S持通氣。病情檢查證實(shí)患兒患有氣管軟化癥。對(duì)患兒的氣道進(jìn)行ＣＴ拍片后，在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)下，通過(guò)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(kāi)始逐步撤離機(jī)械通氣；２１天后，停用了呼吸機(jī)支持；術(shù)后１年，影像學(xué)和內(nèi)鏡檢查都顯示左主支氣管重建良好。從兔實(shí)驗(yàn)到個(gè)體成功案例的報(bào)道，都顯示了３Ｄ打印支架實(shí)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(jiàn)腫瘤，并且是第五大導(dǎo)致男性死亡的腫瘤  ，我國(guó)也是食管癌的高發(fā)國(guó)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(duì)于不同類(lèi)型的食管腫瘤，過(guò)于單一的內(nèi)鏡鏡帽有時(shí)不能到達(dá)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(duì)于復(fù)雜解剖部位的食管癌手術(shù)，可以在術(shù)前通過(guò)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(jī)打印了特定的內(nèi)鏡鏡帽，這是對(duì)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(mén)失弛緩癥的內(nèi)鏡下肌切開(kāi)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(lái)已經(jīng)利用３Ｄ打印制作了１６０個(gè)模型。 在ＣＴ掃描的影像學(xué)攝片后，根據(jù)食管等成像的解剖學(xué)位置，在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)下，不同的結(jié)構(gòu)標(biāo)記不同的顏色。這樣突出表現(xiàn)了病變的食管，使之能與周?chē)�組織分離。這些模型的建立，可以輔助制訂詳細(xì)的術(shù)前方案，尤其是對(duì)于復(fù)雜的病例，增強(qiáng)了治療的個(gè)體化。

三、心臟瓣膜
心臟瓣膜病是一類(lèi)嚴(yán)重影響公眾健康，并且呈增長(zhǎng)趨勢(shì)的疾病。在西方國(guó)家，患有瓣膜疾病或瓣膜功能紊亂的患者占了總?cè)丝诘模矔常担ィ辉诎l(fā)展中國(guó)家，越來(lái)越多的年輕人開(kāi)始患有心臟瓣膜病，呈年輕化趨勢(shì) 。目前，心臟瓣膜病的主 要治療方法是瓣膜置換，臨床應(yīng)用的瓣膜替代物主要有機(jī) 械瓣膜和生物瓣膜  。機(jī)械瓣膜通常用于年輕患者，機(jī)械 性能強(qiáng)、使用時(shí)間長(zhǎng)，但需要長(zhǎng)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(jī)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(lái)了希望。組織工程心臟瓣膜作為活體器官，其生長(zhǎng)、修復(fù)和重建能力與正常人體瓣膜十分相似，從而避免了機(jī)械瓣膜和生物瓣膜置入人體后的缺點(diǎn)與不足  。尤其是３Ｄ打印技術(shù)成為研 究熱點(diǎn)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(fù) 雜的主動(dòng)脈瓣膜，其藻酸鹽／明膠支架內(nèi)埋植了主動(dòng)脈竇平滑肌細(xì)胞和主動(dòng)脈瓣葉間質(zhì)細(xì)胞。經(jīng)過(guò)７天的培養(yǎng)后，發(fā)現(xiàn)這兩種細(xì)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(shí)發(fā)現(xiàn)，ＳＭＣｓ高表達(dá)α－平滑肌肌動(dòng)蛋白，而ＶＩＣｓ高表達(dá)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(dòng)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(dòng)脈瓣間質(zhì)細(xì)胞，培養(yǎng)２１天。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這些瓣膜支架的彈性范圍較大，制作時(shí)間也長(zhǎng)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(dòng)脈瓣間質(zhì)細(xì)胞在支架內(nèi)培養(yǎng)２１天后，其存活率竟接近１００％。實(shí)驗(yàn)證明，３Ｄ打印技術(shù)在保持精確解剖結(jié)構(gòu)的同時(shí)，還保持了其機(jī)械性能和細(xì)胞相容性。無(wú)獨(dú)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(dòng)脈瓣間質(zhì)細(xì)胞后，成功打印三尖瓣瓣膜。研究發(fā)現(xiàn)：增加Ｍｅ－Ｇｅｌ濃度會(huì)導(dǎo)致較低的硬度和較高的黏度，而這可以促進(jìn)細(xì)胞擴(kuò)散以及更好地保持主動(dòng)脈瓣間質(zhì)細(xì)胞的成纖維表型；Ｍｅ－ＨＡ和Ｍｅ－Ｇｅｌ的相對(duì)濃度會(huì)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(guò)沉積膠原蛋白和黏多糖改變?cè)�始基質(zhì)。

３Ｄ打印心臟瓣膜的成功推動(dòng)了組織工程對(duì)于活體心臟瓣膜置換的發(fā)展，同時(shí)促進(jìn)了學(xué)者們對(duì)于體內(nèi)模型設(shè)計(jì)的研究和對(duì)瓣膜疾病機(jī)制的進(jìn)一步探討。 討論與展望 ３Ｄ打印作為一門(mén)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(guò)將近２０年的發(fā)展，已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步并滲透到臨床醫(yī)學(xué)的多個(gè)領(lǐng)域，推動(dòng)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(gè)體化醫(yī)學(xué)治療的需求、排斥反應(yīng)低等優(yōu)勢(shì)；但也面臨不小的挑戰(zhàn)與問(wèn)題：生物力學(xué)的維持、支架材料的選擇、無(wú)菌環(huán)境的保證、打印構(gòu)建物的成型、血供及長(zhǎng)期存活  ；同時(shí)造價(jià)高，技術(shù)人員缺乏，３Ｄ打印機(jī)的安全性問(wèn)題， 都阻礙了３Ｄ打印技術(shù)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展及在臨床的應(yīng)用。但是隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)與多學(xué)科間的交叉和互相補(bǔ)充，３Ｄ打印技術(shù)必將不斷進(jìn)步和完善，其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍也會(huì)越來(lái)越廣泛。加強(qiáng)３Ｄ打印技術(shù)與傳統(tǒng)醫(yī)療技術(shù)的結(jié)合，進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)；加強(qiáng)３Ｄ細(xì)胞打印技術(shù)與生物組織培養(yǎng)技術(shù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜組織、器官的訂制，相信在不久的將來(lái)，３Ｄ打印技術(shù)可以帶給人們更好的醫(yī)療服務(wù)。
編輯：南極熊
作者：?jiǎn)我徊?nbsp; 王堯  史宏?duì)N