3D打印技术在医学中的应用 PPT课件

2020/5/20
3D生物打印技术的应用
3D细胞打印主要有三方面的具体应用：
➢ 作为医学实验的研究工具。细胞打印的产品包括组织和器官两 类，细胞准确定位和培养之后，形成的结构具备生物特性，可以作 为很好的医学研究工具。
➢ 构建和修复组织器官。细胞打印成型组织和器官可以根据病体的 需要进行器官移植和修复。
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3D生物打印技术的应用
器官短缺已经成为一个全球性的难题。长久以来，医疗行业投 入了大量的资源进行研究以期解决移植器官不足的难题。而近期 3D打印肝脏、3D打印肾脏等医疗领域取得的突破，正让整个医疗 行业兴奋不已。生物器官的打印材料是组成器官的细胞，从打印头 里出来的不是无生命的物质，而是活细胞。
2020/5/20
3D生物打印技术的前景
3D生物打印发展空间巨大源于三方面的原因： ➢ 全球医疗领域的开支巨大，为3D打印技术提供了潜在的发展空间；
现今社会的存在一种健康危机，就是器官短缺。随着医学的不断 进步，我们的寿命较以前有了很大的延长。问题是，我们活的越久，我 们身体器官就越容易失灵，而当前，我们没有足够的器官来替换。有数 据表明，在过去十年里，需要移植器官的病人增加了一倍，但是，器官 移植手术并没有增加。
2020/5/20
3D生物打印技术的前景
➢ 3D打印技术以其快捷、准确性见长，以其个性化制造能力与病体 需求的差异性充分结合，在人工假体、人工组织器官的制造方面产 生巨大的推动效应；
我们知道， “3D打印”是通俗的叫法，学术名称为“快速原型 制造 ”(Rapid Prototyping&Manufacturing)。它利用现代计算 机技术，采用材料累加新成型原理，直接由CAD等数据打印自称 三维实体模型。
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3D生物打印技术的应用
现阶段，一些皮肤、脂肪组织可以打印并用于修复。打印移植器官还 在研究中，最有希望率先突破的领域可能在人工肝脏方面。
➢ 做药物研发领域的药物筛选的模型。细胞打印成型组织和器官可 以用来进行药物筛选的试验，弥补现阶段蛋白筛选直接到动物体筛 选的技术缺失，提高药物筛选的效率和新药的研发速度。
2020/5/20
3D生物打印技术的应用
康奈尔大学机械工程与计算机科学技术教授胡迪•利普森在 2013年出版的《3D打印：从想象到现实》一书中，提出了一个 “3D打印生命阶梯”的概念。胡迪•利普森认为：把身体各部位根 据复杂性排列成一个很高的阶梯。无生命的假肢会位于阶梯的底层； 中层将是简单的活性组织，如骨与软骨；简单组织之上将会是静脉 和皮肤；最靠近阶梯顶层的将是复杂且关键的器官，如心脏、肝脏 和大脑；生命阶梯的顶层将是完整的生命单位—也许有一天将会是 具备完整功能的人造生命形式。如今，3D打印技术已经实现所构 想的阶梯的底层，我们正在探索中间级并梦想着有一天可以到达最 高级。 •
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3D生物打印技术的应用
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3D生物打印技术的应用
现阶段，一些皮肤、脂肪组织可以打印并用于修复。打印移植 器官还在研究中，最有希望率先突破的领域可能在人工肝脏方面。 目前 ，3D细胞打印还处于实验室阶段，距离商用还有很长的路要 走。而且面临着形成组织的强度不够、培育组织的存活问题以及缺 乏电脑化的工具等一系列难题。
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谢谢大家！
2020/5/20
3D生物打印技术的前景
2012 年，全球3D打印市场规模达28.2 亿美元，2010~2012 年进入快速发展期，三年复合增速达27%。Wohlers Associates 预测，未来几年，该市场仍会保持近20%的增长，到2021 年， 行业规模或达108 亿美元，为目前的5 倍。
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3D打印在生物中的应用
定义
技术前景
应用
发展方向
2020/5/20
3D生物打印技术的定义
3D生物打印是以计算机三维模型为基础，通过软 件分层离散和数控成型的方法，定位装配生物材料或活 细胞，制造医疗辅具、人工植入支架、组织器官等生物 医学产品的3D打印技术，3D生物打印是目前3D打印技 术研究最前沿的领域。
世界上首例由3D打印技术制作的人工下颌骨移植手术于2011 年6月在荷兰进行，接受移植的病人是名患有骨髓炎的83岁女性。 术后她的恢复状况良好，新的下颌骨并未影响她的语言表达和进食 能力。
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3D生物打印技术的应用
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3D生物打印技术的应用
2013年上半年，普林斯顿大学的研究人员成功的打印出具有 功能性的仿生耳朵，造价1000美元（约合人民币6000元）。研究 人员表示，他们所创造出的仿生学耳朵在能力上要远远超过正常人 的听觉，甚至可以听到无线电的频率，因为这个耳朵的组织是与电 子技术结合在培养皿中生长。
目前，3D打印身体部位采用单一的材料，如金属、陶瓷或塑料。 它们可自定义形状、可小批量生产，这些特征使它们成为3D打印 的完美对象。
2020/5/20
3D生物打印技术的应用
随着技术的发展，组织工程支架和植入物的3D打印也日趋成熟。 首先借助CT、ECT技术获取人体模型器官模型，通过3D技术处理： 包括3D模型的建立，然后对不同材料、部位进行建模。最后指导 3D打印设备喷射生物相容性材料，形成所需要的结构。3D打印在 构建植入物的微观结构方面相对传统工艺有很明显的优势。在美国， 仅骨移植修复材料的市场空间就达200亿美元。此外，一些血管支 架等领域的应用也在逐渐发展。
由于人体器官存在很大的差异性，不适合采用常规的模具来制 作人工假肢等器官。这时，3D打印技术就显现出它的个性化能力 了，我们只需要改变数据，就可以完成器官的制造。
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3D生物打印技术的前景
➢ 相对其他领域来说，3D打印在医疗行业的应用更具有经济性。
3D生物打印的器官是用来替换失效的器官的，对此我们毫无选 择的余地。特别在现在这种情况下，需要移植器官的病人远远比器 官多时，其经济效益更是居高不下。当然，当3D生物打印技术成 熟以后，那时我们移植器官的代价应该不会像现在那么高昂。
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3D生物打印技术的应用
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3D生物打印技术的应用
Organovo公司的科学家利用3D打印机打印出迷你肝脏， 深0.5毫米，宽4毫米，拥有很多与真正肝脏一样的功能
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3D生物打印技术的应用
心脏的3D生物打印也取得了很大的进展，它首先培育心脏的活 细胞，然后通过打印头按照设计好的模型逐层打印。虽然打印出来 的心脏只具备一部分心脏的功能，但对我们来说是一个很大的进步。
在网易公开课中，有一个名叫“如何'打印'出人类的肾脏”的演 讲，是外科医生安东尼·阿特拉展示如何用三维细胞打印机打印出 人类肾脏的视频。由于视频较长，有兴趣的同学可以自己上网搜索。 下面是视频的一个截屏：
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3D生物打印技术的应用
2020/5/20
3D生物打印技术的发展
现今，3D打印还处于初级阶段，应用最多的是各种假肢，人工 组织等简单的器官。复杂多变，功能多样的器官如肾、肝和心脏还 处于研究阶段。我们相信，随着医疗设备的发展，医学的进步，我 们可以像《3D打印：从想象到现实》描述那样，沿着“3D打印生 命阶梯”，从打印无生命的假肢会位于阶梯的底层，到简单的活性 组织，如骨与软骨中层，再到简单组织之上的静脉和皮肤，阶梯顶 层的将是复杂且关键的器官，如心脏、肝脏和大脑，而生命阶梯的 顶层将是完整的生命单位—也许有一天将会是具备完整功能的人造 生命形式。
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3D生物打印技术的应用
当前，第一波3D打印身体部位的商用浪潮已经出现，3D打印 的假肢、牙冠、隐形眼镜与助听器等无生命修复形式已经存在于世 界各地成千上万人的体内。
2020/5/20
3D生物打印技术的应用
3D打印牙齿、助听器以及矫正器的过程都很相似：先对身体出现 问题的部位进行扫描，再将扫描数据发送到一个特殊实验室，在那 里这些数据被调整为可行性设计文件，最后，按照设计文件用软橡 胶、坚硬而有光泽的陶瓷或者柔软而有弹性的透明塑料进行3D打 印。
3D细胞打印是利用一层层的生物构造块，去制造真正的活体组 织。这种3D生物打印机有两个打印头，一个放置最多达8万个人体 细胞，被称为“生物墨”；另一个可打印“生物纸”。所谓生物纸 的主要成分是水凝胶，可用作细胞生长的支架。这种机器首先“打 印”器官或动脉的3D模型，接着将一层细胞置于另一层细胞之上。 打印完一圈“生物墨”细胞以后，接着打印一张“生物纸”凝胶。
当前，3D生物打印领域的先驱是美国的Organovo公司。 Organovo公司成立7年来，在3D生物打印领域取得了一系列引人 瞩目的突破，包括：打印第一个全细胞工程人体动脉；使用来自脂 肪组织的干细胞制造动脉；首次将生物打印的组织植入活体（动物） 体内；3D打印具有全部生物活性和功能的人体肝脏组织并保存了 40天。
科学家们选择的打印材料为水凝胶，接着用3D打印机打印出 仿生耳朵，然后将从小牛身上获取的细胞注入水凝胶中，接着加入 一种含有纳米银粒子的聚合物，这种聚合物可以传播无线射频信号。 最后将小牛细胞成长为软骨组织，并围绕一个线圈天线变硬。这样， 一个仿生学耳朵就诞生了。
2020/5/20
3D生物打印技术的应用
2020/5/20
3D生物打印技术的应用
在Organovo公司打印3D迷你肝脏的过程中，3D打印机逐层打 印肝脏细胞和血管内壁细胞，一共打印了大约20层。血管内壁细 胞负责为肝细胞提供营养和氧。他们打印的迷你肝脏能够产生清蛋 白、胆固醇和解毒酶——细胞色素P450，代谢肝脏内的药物。迷 你肝脏结合了肝实质细胞和星状细胞层，所拥有的结构和功能对医 学研究具有重要意义。迷你肝脏可以被疾病侵袭，允许研究人员观 察整个病变过程，也可以施以药物，用以了解药物疗效。