李 爽,李 勤

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綜 述

3D打印技術(shù)在精細個性化耳再造手術(shù)中的應(yīng)用前景

李 爽,李 勤

3D打印； 組織工程； 小耳畸形； 個性化耳再造； 耳支架

小耳畸形綜合征(microtia syndrome)，也稱為先天性小耳畸形，是耳郭先天性發(fā)育不良，常伴有外耳道閉鎖、中耳畸形和頜面部畸形。不同種族的發(fā)病率有所不同[1]。根據(jù)小耳畸形耳郭發(fā)育情況，需進行耳郭部分或全部耳再造。耳再造是一個困難且復(fù)雜的手術(shù)，其中，耳支架的選擇是耳再造的關(guān)鍵。目前，自體肋軟骨作為耳支架被認為是最可靠且可取的方法，利用自體組織進行耳再造仍是耳修復(fù)的主流。但存在手術(shù)創(chuàng)傷較大、供區(qū)損害、外觀不理想等主要缺點。因此，發(fā)展無創(chuàng)傷、無免疫排斥、精細個性化耳再造手術(shù)是臨床的迫切需要。

1 耳再造手術(shù)方法及耳支架的選擇

先天性小耳畸形的治療復(fù)雜，以往臨床手術(shù)方法多種多樣，主要有分期手術(shù)法和Ⅰ期手術(shù)法。耳支架的選擇是耳再造手術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是耳郭再造的基礎(chǔ)，根據(jù)耳支架的選擇可以分為以下3類：一是利用自體組織及支架進行修復(fù)；二是利用人工材料或異體(種)軟骨做耳支架進行修復(fù)；三是利用耳贗復(fù)體進行耳修復(fù)。采用耳贗復(fù)體進行耳修復(fù)是一個古老的方法，雖然手術(shù)創(chuàng)傷小，適用范圍廣，但因耳贗復(fù)體是“非己的”，患者從心理上接受程度不高，而且需要每天清洗，顏色與周圍皮膚難以一致,甚至還有脫落的可能。異體耳軟骨、肋軟骨、牛軟骨等都曾作為耳支架，但由于缺點明顯而被棄用。采用人工材料做耳支架，如硅膠、Medpor耳支架，雖然避免了切取自體肋軟骨的手術(shù)創(chuàng)傷和并發(fā)癥，卻各有缺點。硅膠假體有質(zhì)地軟、塑形困難、與組織不相容、易排斥、纖維包膜形成及攣縮等缺點。Medpor易于塑形，可拼接成大小及形態(tài)不同的支架，立體感強，無抗原性及毒性，植入后大量軟組織可以長入。但該支架的材料質(zhì)地較硬，術(shù)后支架外露率仍然較高，支架一旦外露，創(chuàng)面難以自行愈合[2-3]。目前，利用自體組織耳再造仍是耳修復(fù)的主流。耳支架由自體肋軟骨雕刻而成，無免疫排斥，質(zhì)地適中，再造耳的皮膚與周圍皮膚色澤一致，有良好的感覺。Tanzer、Brent及日本Fukuda、Nagata分期耳郭再造手術(shù)均采用自體肋軟骨，并取得較好的臨床效果。但其缺點是手術(shù)創(chuàng)傷較大，有供區(qū)的損害，而且可能造成胸廓畸形及耳后區(qū)瘢痕嚴重。

隨著醫(yī)學(xué)及材料科學(xué)的不斷進步，學(xué)者們不斷努力試圖找到理想的耳支架材料和手術(shù)方法。組織工程軟骨的出現(xiàn)和發(fā)展為解決耳再造支架問題提供了可能。組織工程的關(guān)鍵問題是種子細胞來源和載體特性。種子細胞的選擇、建立細胞和生物支架材料構(gòu)成的三維空間復(fù)合物，為種子細胞提供生長代謝的場所是兩個重要方面。Cao等[4]采用聚乙醇酸-聚乳酸模板塑造一例3歲兒童耳郭的形狀，將從牛關(guān)節(jié)軟骨中分離出的軟骨細胞接種至聚乙醇酸-聚乳酸模板，體外培養(yǎng)后移植入裸鼠背部皮下12周，通過形態(tài)和組織學(xué)分析表明有新的軟骨形成。SH Kamil等(2002年)利用殼聚糖和明膠網(wǎng)絡(luò)與聚乳酸復(fù)合置備了軟骨支架材料。國內(nèi)還有多項研究[5-6]應(yīng)用不同種子細胞獲得組織工程化軟骨，這些研究為耳郭缺損患者臨床手術(shù)的應(yīng)用提供了潛在的可能, 但將組織工程軟骨應(yīng)用于臨床之前還需更多地深入研究。

2 3D打印技術(shù)

3D打印(3D printing)，也叫快速成形(rapid prototyping, RP) 或加式/增材制造(additive manufacturing, AM)，是數(shù)字化、智能化制造與材料科學(xué)的結(jié)合，是基于計算機三維數(shù)字成像技術(shù)和多層次連續(xù)打印技術(shù)的一種新興應(yīng)用技術(shù)。3D打印技術(shù)興起于20世紀80年代末，最初應(yīng)用于制造業(yè)工程及航空航天模型設(shè)計等領(lǐng)域。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，在工業(yè)制造、文化藝術(shù)、航空航天和生物工程等領(lǐng)域已經(jīng)相繼出現(xiàn)一些具有劃時代意義的3D產(chǎn)品。3D打印技術(shù)以其精確度高、生產(chǎn)周期短、能夠滿足個性化要求等優(yōu)勢受到廣泛關(guān)注。目前常用的3D打印技術(shù)包括光固化立體印刷(stereolithography, SLA)、熔融沉積成型(fused deposition modeling, FDM)、選擇性激光燒結(jié)(selective laser sintering, SLS)和三維噴印(three dimensional printing, 3DP)等[7-8]。隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，這一新興的科技成果逐漸進入醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。3D打印技術(shù)與醫(yī)學(xué)的結(jié)合成為醫(yī)學(xué)史上的里程碑，在醫(yī)學(xué)模型制造與手術(shù)分析策劃、再生修復(fù)、器官移植和藥物研發(fā)試驗等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

3 3D生物打印技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

3D生物打印(3D-bioprinting)是以計算機三維模型為基礎(chǔ)，通過軟件分層離散和數(shù)控成型的方法，定位裝配生物材料或活細胞，制造人工植入支架、組織器官和醫(yī)療輔具等生物醫(yī)學(xué)產(chǎn)品的3D 打印技術(shù)。3D生物打印可分為4個層次：體外模型制造、永久性可植入物制造、細胞間接裝配制造和細胞直接裝配制造。3D生物打印核心技術(shù)是細胞裝配技術(shù)即細胞3D打印技術(shù)，是通過定位裝配活細胞/材料單元，制造組織或器官前體的新技術(shù)。其最大優(yōu)勢在于復(fù)雜外形與內(nèi)部微細結(jié)構(gòu)的一體化制造，可以實現(xiàn)針對特定患者、特定需求的各種器官的個性化生產(chǎn)[9]。

3D打印技術(shù)在整形外科的應(yīng)用可使手術(shù)更加精確和個性化，提高了復(fù)雜手術(shù)的成功率，縮短了手術(shù)時間，并使手術(shù)更安全[10]。Stoker等[11]首次將3D打印模型用于顱頜面手術(shù)的術(shù)前模擬。Levine等[12]將術(shù)前采集的CT數(shù)據(jù)通過CAD軟件進行手術(shù)模擬，得到截骨線、骨塊移動的目標位置等信息，通過術(shù)中實時提示位置信息而用于指導(dǎo)手術(shù)的進行。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，有研究嘗試以生物材料代替以往的模型材料，經(jīng)CAD軟件處理后，直接打印出人體植入物。Saijo等[13]采用磷酸三鈣粉末等生物材料制備個性化假體，經(jīng)消毒處理后術(shù)中無需雕刻，可直接植入人體，將3D打印技術(shù)由單純的模型制造拓展到生物制造。Kozakiewicz等[14]采用3D打印鈦合金植入物修復(fù)眶底骨折，獲得了良好的固定效果和適配度。此外，3D生物打印技術(shù)在藥物研發(fā)領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。2012年，第1個3D打印肝組織產(chǎn)品出現(xiàn)，可用于藥物測試[15]；2013年，美國ORGANOVO公司成功打印出具有普通肝臟功能的小型肝臟組織，擁有的蛋白質(zhì)可將鹽、激素和藥物運送到身體各處；美國維克森林大學(xué)再生醫(yī)學(xué)研究所(Wake Forest Institute for Regenerative Medicine)將從活體組織培養(yǎng)的多種類型的腎臟細胞，放置于一臺3D生物打印機中，同時使用可降解生物材料作為支架打印人體腎臟。利用3D技術(shù)打印的人體肝臟、腎臟和特定細胞組織用于新藥測試后，不僅可以真實模擬人體組織對藥物的反應(yīng)，而且很大程度上還能降低新藥的研發(fā)成本。

3D生物打印是一種新型的組織工程技術(shù)，不但能構(gòu)建形態(tài)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的組織工程支架，而且能實現(xiàn)不同密度的種子細胞在不同支架材料中的三維精確定位，實現(xiàn)細胞與生物材料的同步打印，最終構(gòu)建仿生組織和器官，也稱組織打印或器官打印，是器官移植和再生修復(fù)的新突破。Boland等[16]應(yīng)用3D打印技術(shù)將牛血管內(nèi)皮細胞和藻酸鹽水凝膠同步打印，形成內(nèi)皮細胞-水凝膠三維復(fù)合物，成功打印出具有活性的微脈管結(jié)構(gòu)，為打印血管奠定了基礎(chǔ)。日本東京大學(xué)的Huang等[17]用卵白素-生物素打印帶分支的血管系統(tǒng)并在其上種植肝癌細胞。2013年，3D打印皮膚和腎臟研究在美國取得突破[18]。2014年，Lee等[19]利用3D生物打印技術(shù)直接打印出人皮膚移植物，避免了皮膚移植手術(shù)的不良后果。美國維克森林大學(xué)的研究人員希望能將皮膚組織直接打印在創(chuàng)面部位，并嘗試制造1臺能在戰(zhàn)場和災(zāi)區(qū)使用的便攜式打印機。研究人員將1臺3D生物打印機先對患者的創(chuàng)面進行掃描，確定皮膚移植的部位及范圍；隨后，1個噴墨閥噴出凝血酶；另一個噴墨閥噴出細胞、膠原蛋白以及纖維蛋白原組成的混合物；然后，先打印出一層人成纖維細胞，再打印出一層角質(zhì)形成細胞。利用3D生物打印技術(shù)，由患者自體細胞獲得與自身完全匹配的器官，將為醫(yī)學(xué)界及患者帶來了希望。

4 3D生物打印技術(shù)在耳再造手術(shù)中的應(yīng)用前景

先天性小耳畸形耳郭再造術(shù)是整形外科常見的器官修復(fù)手術(shù)。如何利用自體組織進行耳再造手術(shù)，在避免手術(shù)創(chuàng)傷大及并發(fā)癥的同時，又能夠達到精細個性化的手術(shù)效果。3D生物打印技術(shù)可望在不久的將來實現(xiàn)這一愿望。2013年，美國康奈爾大學(xué)(Cornell University)研究者采用牛耳細胞打印出人造耳朵。在打印耳模時，借用了一種可注入膠原蛋白和活細胞的凝膠，然后將打印的耳模移出并在細胞培養(yǎng)皿中孵育，3個月時間軟骨就可以取代膠原蛋白。Lee等[20]通過3D打印技術(shù)制造出包括再生的軟骨和脂肪組織的人工耳朵，聚己內(nèi)酯(PCL)和三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中長滿細胞的水凝膠是其主要部分。用于器官3D打印的水凝膠，如藻酸鈉、膠原和嵌段共聚物(pluronies)，均存在機械性能偏低和培養(yǎng)時不穩(wěn)定性等特點[21-23]。Mannoor等[24]的研究提出了通過三維打印制造出錯綜復(fù)雜且兼具生物和納米電子功能的仿生耳；其研究提出了一個新的戰(zhàn)略，通過生物細胞和來自電子元件的納米顆粒打印的仿生耳,對無線電頻率接收表現(xiàn)出增強的聽覺感知；這一兼具精細形態(tài)和功能的仿生人耳為耳再造手術(shù)患者帶來新的希望。

5 展望

通過3D生物打印技術(shù)將生物相容性細胞、支架材料、生長因子、信號分子等在計算機指令下，打印出有生理功能的活體器官，達到修復(fù)或替代的目的，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著極其深遠的意義。隨著3D生物打印技術(shù)及器官打印技術(shù)的研究和發(fā)展，該技術(shù)有望成功打印出仿生組織和器官，徹底解決自體或同種異體移植所存在的局限和難題，如手術(shù)創(chuàng)傷大、器官來源不足、排斥反應(yīng)等，從而將再生修復(fù)醫(yī)學(xué)和器官移植的應(yīng)用發(fā)展帶入新紀元。

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510010 廣東 廣州，廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院 整形外科

李 爽(1974-)，女，安徽人，主治醫(yī)師，博士研究生.

李 勤，510010，廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院 整形外科，電子信箱：gzzxwk@163.com

10.3969/j.issn.1673-7040.2016.04.019

2015-11-28)