探索3D打印醫(yī)療應(yīng)用的前景廣闊的前沿！

在技​​術(shù)進(jìn)步和醫(yī)療保健創(chuàng)新交叉的時(shí)代， 3D 打印醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域站在變革浪潮的最前沿。2024 年最受期待的進(jìn)步領(lǐng)域包括定制設(shè)計(jì)的植入物和假肢、先進(jìn)的藥物輸送系統(tǒng)、患者特定解剖結(jié)構(gòu)的 3D 打印模型、生物可吸收設(shè)備和可穿戴傳感器。



未來(lái)十年不可預(yù)見(jiàn)的突破的潛力正在上升，有望進(jìn)一步擴(kuò)展增材制造技術(shù)在醫(yī)療保健領(lǐng)域的功能和應(yīng)用。隨著該行業(yè)應(yīng)對(duì)人口老齡化、醫(yī)療成本上升以及個(gè)性化治療需求等挑戰(zhàn)，3D 打印作為一股創(chuàng)新力量脫穎而出。如今，3D 打印超越了最初在醫(yī)療保健實(shí)踐中的新穎性，提供了有可能擴(kuò)大患者護(hù)理范圍的應(yīng)用。盡管這一領(lǐng)域的擴(kuò)張令人矚目，但也并非沒(méi)有挑戰(zhàn)，例如監(jiān)管障礙、技術(shù)限制和道德?tīng)?zhēng)論。然而，醫(yī)療進(jìn)步和改善患者治療效果的持續(xù)推動(dòng)增強(qiáng)了 3D 打印的發(fā)展勢(shì)頭。

本文深入介紹了3D打印醫(yī)療應(yīng)用中的三項(xiàng)創(chuàng)新，這些創(chuàng)新可能會(huì)在本十年為患者帶來(lái)翻天覆地的變化，為醫(yī)學(xué)科學(xué)的新篇章鋪平道路：

3D 打印微型機(jī)器人
就微創(chuàng)手術(shù)而言，3D 打印微型機(jī)器人是一項(xiàng)強(qiáng)大的創(chuàng)新。蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的 Brad Nelson 是這一革命性領(lǐng)域的帶頭人，他是一位機(jī)器人和智能系統(tǒng)領(lǐng)域的資深人士，在《Science》上于2023 年 12 月發(fā)表的一篇論文中闡明了自己長(zhǎng)達(dá)二十年的歷程。他的微型機(jī)器人有可能重新定義人體內(nèi)藥物的輸送，高精度進(jìn)行治療。這些微型機(jī)器人的尺寸從微米到幾毫米不等，可由合成、生物或生物混合材料組成，可以導(dǎo)航到疾病部位，例如腫瘤或血栓，能夠直接釋放藥物，減少通常與藥物治療相關(guān)的全身毒性。Nelson表示生物醫(yī)學(xué)微型機(jī)器人可以克服當(dāng)前靶向治療的挑戰(zhàn)。


△3D 打印元機(jī)器人能夠自行移動(dòng)、感知和做出決策。

然而，這項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性工作并不是孤立的。世界各地的其他機(jī)構(gòu)正在為這一領(lǐng)域做出貢獻(xiàn)。例如，塔夫茨大學(xué)和哈佛大學(xué) Wyss 研究所正在研究能夠自主移動(dòng)和刺激神經(jīng)元生長(zhǎng)的 3D 打印微型機(jī)器人。加州大學(xué)伯克利分校和約翰霍普金斯大學(xué)也在各自探索醫(yī)學(xué)中的微型機(jī)器人。首爾國(guó)立大學(xué)在能夠?qū)Ш襟w液的微型機(jī)器人方面的工作強(qiáng)調(diào)了國(guó)際合作努力徹底改變微創(chuàng)手術(shù)中的這一利基市場(chǎng)。

Nelson指出，當(dāng)將微型機(jī)器人從實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)移到診所時(shí)，要注意簡(jiǎn)單化。韓國(guó)研究人員證明 3D 打印微型機(jī)器人能夠在血管中自主導(dǎo)航并在豬身上執(zhí)行外科手術(shù)任務(wù)，之后醫(yī)療微型機(jī)器人領(lǐng)域在臨床前環(huán)境中取得了進(jìn)展。這一進(jìn)展發(fā)表在IEEE 機(jī)器人與自動(dòng)化快報(bào)上，解決了治療閉塞性血管疾�。ㄖ饕�死亡原因）方面的挑戰(zhàn)。

然而，盡管取得了這些有希望的進(jìn)展，但技術(shù)和監(jiān)管方面的挑戰(zhàn)仍然阻礙著其廣泛臨床應(yīng)用。作為醫(yī)療設(shè)備和藥物輸送系統(tǒng)，微型機(jī)器人面臨著獨(dú)特的監(jiān)管環(huán)境，需要進(jìn)一步研究以滿(mǎn)足美國(guó)食品和藥物管理局(FDA) 和其他機(jī)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)，這主要是由于其新穎的藥物設(shè)備組合性質(zhì)。

神經(jīng)關(guān)聯(lián)
目前神經(jīng) 3D 打印生物電子接口的研究顯示出明顯的進(jìn)展，特別是在開(kāi)發(fā)神經(jīng)系統(tǒng)植入物方面。生物電子接口被設(shè)計(jì)為設(shè)備，將電子系統(tǒng)與生物功能聯(lián)系起來(lái)，從而彌合了技術(shù)與人體之間的差距。來(lái)自牛津大學(xué)和謝菲爾德大學(xué)的團(tuán)隊(duì)在這一領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。牛津大學(xué)的團(tuán)隊(duì)已成功 3D 打印人類(lèi)干細(xì)胞，以創(chuàng)建與小鼠腦組織整合的組織結(jié)構(gòu)。這表明它具有修復(fù)腦損傷和增強(qiáng)對(duì)人類(lèi)大腦的理解的潛力。



相反，謝菲爾德的團(tuán)隊(duì)專(zhuān)注于在動(dòng)物模型中定制用于脊髓刺激的植入物，這表明未來(lái)可能應(yīng)用于治療癱瘓。這些進(jìn)展主要處于臨床前階段，是朝著更加個(gè)性化和有效的神經(jīng)系統(tǒng)疾病治療邁出的一步。然而，從實(shí)驗(yàn)室到臨床應(yīng)用的轉(zhuǎn)變?nèi)栽谶M(jìn)行中，我們正在不斷努力完善這些技術(shù)以供人類(lèi)患者實(shí)際使用。

這種技術(shù)創(chuàng)新的另一個(gè)具體例子在英國(guó)蘭卡斯特大學(xué)進(jìn)行的工作中很明顯。研究人員在約翰·哈迪的指導(dǎo)下開(kāi)發(fā)了一種先進(jìn)的 3D 打印方法，將柔性電子器件集成到生物相容性材料中。該項(xiàng)目發(fā)表在《先進(jìn)材料技術(shù)》雜志上，代表著制造用于外科植入物和醫(yī)療設(shè)備維修的復(fù)雜 3D 電子產(chǎn)品的飛躍，團(tuán)隊(duì)成功地將電路嵌入硅基柔性基質(zhì)中，并將其連接到小鼠大腦切片上以刺激神經(jīng)元反應(yīng)。研究人員甚至將其擴(kuò)展到將導(dǎo)電結(jié)構(gòu)直接打印到蠕蟲(chóng)體內(nèi)，證明其與活體有機(jī)體的兼容性。

蘭卡斯特大學(xué)的開(kāi)創(chuàng)性工作為創(chuàng)建用于神經(jīng)監(jiān)測(cè)和個(gè)性化醫(yī)療的定制生物電子設(shè)備開(kāi)辟了新途徑。這預(yù)示著醫(yī)學(xué)生物電子接口的廣闊前景。

心臟病治療
心臟病是全球死亡的主要原因之一，得益于生物工程中的 3D 打印技術(shù)，心臟病可以得到變革性的治療。定制 3D 打印心臟瓣膜處于這場(chǎng)革命的前沿。這項(xiàng)創(chuàng)新為超過(guò) 3000 萬(wàn)患有瓣膜性心臟病的患者帶來(lái)了希望，代表著在解決當(dāng)今時(shí)代一些最緊迫的健康挑戰(zhàn)方面邁出了重大一步。盡管3D 打印心臟瓣膜尚未獲得 FDA 批準(zhǔn)，并且其臨床應(yīng)用正處于開(kāi)發(fā)階段，但其潛力是巨大的。

僅在美國(guó)每年進(jìn)行的瓣膜置換手術(shù)就超過(guò) 182,000 例，到2026年，美國(guó)心臟瓣膜置換手術(shù)數(shù)量將超過(guò)24萬(wàn)例。3D 打印瓣膜根據(jù)個(gè)體患者的解剖結(jié)構(gòu)量身定制，可以改善手術(shù)結(jié)果并減少未來(lái)手術(shù)的需要，尤其是對(duì)于兒科患者。

目前的心臟瓣膜通常是具有嚴(yán)重局限性的永久性裝置。在快速生長(zhǎng)的兒科患者中，它們就會(huì)變得太小，這增加了更換的需求。盡管 3D 打印心臟瓣膜已經(jīng)存在，并且生物可吸收材料已用于植入物，但兩者尚未結(jié)合起來(lái)。

佐治亞理工學(xué)院的研究人員率先開(kāi)發(fā)了針對(duì)患者的生物可吸收心臟瓣膜，旨在減少并發(fā)癥和再次干預(yù)。與永久性裝置不同，這些 3D 打印瓣膜的設(shè)計(jì)目的是隨著時(shí)間的推移被身體組織吸收和替換。這項(xiàng)技術(shù)對(duì)兒童特別有益，因?yàn)榘昴た梢噪S著患者的適應(yīng)和成長(zhǎng)而變化，從而可能減少多次手術(shù)的需要。瓣膜采用聚合物和金屬材料的組合制成，每種材料都經(jīng)過(guò)選擇以匹配患者組織的特定機(jī)械行為。設(shè)計(jì)過(guò)程需要詳細(xì)考慮患者的解剖結(jié)構(gòu)、年齡、病情和所需的輸送機(jī)制。


△原型的迭代（左）。通過(guò)脈沖復(fù)制器可以看到瓣膜在生理主動(dòng)脈血流條件下關(guān)閉（中）和打開(kāi)（右）。

除了功能優(yōu)勢(shì)之外，制造商還可以在表面水平定制這些瓣膜，以增強(qiáng)與周?chē)�組織的整合并促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)。加拿大圣賈斯汀醫(yī)院的研究人員正在探索在這些瓣膜中使用水凝膠和患者來(lái)源的干細(xì)胞，以創(chuàng)建一種完全個(gè)性化的解決方案，不易發(fā)生排斥反應(yīng)。這種“個(gè)性化醫(yī)療”方法可能會(huì)徹底改變各種心血管疾病和病癥的治療。

3D 打印心臟瓣膜仍處于實(shí)驗(yàn)階段，正在進(jìn)行的動(dòng)物研究和人體試驗(yàn)預(yù)計(jì)將在大約十年內(nèi)開(kāi)始。這一突破可以顯著改善全球數(shù)百萬(wàn)心臟病患者的生活質(zhì)量和治療結(jié)果。根據(jù)患者個(gè)體的解剖結(jié)構(gòu)和狀況定制這些瓣膜的能力提高了手術(shù)的成功率。它為治療多種心血管疾病（包括先天性心臟缺陷和瓣膜狹窄）開(kāi)辟了新的可能性。


△加拿大圣賈斯汀醫(yī)院的研究人員生產(chǎn) 3D 打印心臟瓣膜

總之，3D 打印醫(yī)療應(yīng)用的這一進(jìn)展說(shuō)明了 3D 打印在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的潛力以及跨大陸和研究機(jī)構(gòu)的協(xié)作和動(dòng)態(tài)研究性質(zhì)，預(yù)示著醫(yī)療和患者護(hù)理的新時(shí)代。