_人体器官3D打印的最新进展

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'_人体器官3D打印的最新进展'
机 械 工 程 学 报 JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING 第 50 卷第 23 期 2014 年 12 月 Vol.50 No.23 Dec. 2 0 1 4 DOI::10.3901/JME.2014.23.119 人体器官 3D 打印的最新进展* 王镓垠 1 柴 磊1 刘利彪1 赵欣如1 许雨帆1 周新伟 1 张伟明1 王小红1, 2 (1.清华大学机械工程系 北京 100084; 2.华中科技大学模具技术国家重点实验室 武汉 430074) 摘要:三维(3D)打印是当今科研界乃至商业界的一大热点,被认为是第三次工业革命或制造业的新突破点。人体器官打印已 被当做概念股炒作上市,吸引了无数人的注意。但器官 3D 打印还处于刚刚起步阶段,需要做的工作很多。尤其是复杂器官 打印面临着巨大的困难和挑战。其中最主要的一个挑战就是分支血管和神经系统的快速构建。近年来已经有大批优秀的科研 工作者投入其中,内容涉及人体中各个器官,如骨骼、肾脏、肝脏、心脏、大脑,并取得了一定的成绩。这里分别介绍 3D 打印技术在大段骨修复材料、血管与血管网、人工肝脏、血管化脂肪组织几方面的最新的研究成果以供大家参考。 关键词:人体器官;3D 打印;骨;血管;肝脏 中图分类号:R318 Progress in Three-dimensional (3D) Printing of Artificial Organs WANG Jiayin 1 CHAI Teps 1 LIU Libiao 1 ZHAO Xinru 1 XU Yufan 1 ZHOU Xinwei 1 ZHANG Weiming1 WANG Xiaohong 1, 2 (1. Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084; 2. State Key Laboratory of Materials Processing and Die & Mould Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074) Abstract:Three dimensional (3D) printing is a hot topic in today’s scientific research and commercial areas. It is recognized as the third industry revolution or new breakthrough of manufacture. Human organ printing has been put forward into equity market as a concept stock and attracted a lot of attention. However, organ printing is still in its infancy and a lot of work needs to be done. Especially, complex organ printing encounters enormous difficulties and challenges. Main two of them are rapidly construction of branched vascular and nerve systems. Recently, a large number of outstanding scientists flung them into this area, and have made some headways in nearly every human organs, such as the bone, kidney, liver, heart, and brain. Some novel achievements in the large bone repair material, blood vessel and vascular network, artificial liver and vascular adipose tissue printing fields are introduced for reference. Key words:human organs;3D printing;bone;blood vessel;liver 0 前言1 人体中由多种组织构成的能行使一定或特定 功能的结构单位叫做器官。器官包括眼、耳、鼻、 舌等感觉器官,心、肝、肺、肾等内脏器官(又称为 * 国家自然科学基金(81271665,30970748)、国家自然科学基金委与日 本学术振兴会合作研究(NSFC- JSPS)、国家高技术研究发展计划 (863 计划,2009AA043801)、华中科技大学模具技术国家重点实验室开放 基金(2012-P03)和两岸清华合作基础研究基金(2012THZ02-3)资助项 目。20131207 收到初稿,20140523 收到修改稿 实体器官), 气管、 肠、 膀胱等中空器官, 以及皮肤、 骨骼、肌肉等结构(或支撑)器官。器官制造是千百 年来人类的一大梦想。现如今,随着社会的进步, 人类生活质量的提高,由于疾病、先天畸形和交通 事故等原因造成的器官缺损修复成了巨大社会需求 和人体器官 3D 打印或制造的强大推动力[1-2]。据统 计,我国每年约有 1.5 百万名患者需要接受器官移 植,但其中只有不到 1%的患者能够获得合适的器 官[3]。相比于传统的无生理活性的人造器官,应用 生物材料制造的器官更容易被人体接受,并最终促 机 械 工 程 学 报 第 50 卷第 23 期期 120 进病损器官的修复和再生。近年来,随着 3D 打印 技术的日渐成熟,人们获得有别于传统工艺的新型 人工器官替代物逐渐成为可能[4-7]。 本文从复杂器官 制造的角度出发,简要介绍 3D 打印技术在大段骨 修复材料、血管与血管网、人工肝脏、血管化脂肪 组织几方面的最新进展。 1 国内外主要趋势 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20 世纪80 年代末兴起的一门 新技术,近年来发展十分迅猛,成为当今制造业的 一个热门话题。与传统组织工程等方法不同,器官 3D 打印技术指在计算机的精确控制下, 将细胞与凝 胶材料混合在一起,进行层层堆积成形。其最大优 势在于复杂外形与内部微细结构的一体化制造[8], 可以实现针对特定患者、特定需求的各种器官的个 性化生产,是传统制造技术所不可企及的。如,美 国哈佛大学医学院的 VACANTI 教授与麻省理工学 院的 LANGER 教授合作,将生物可降解的多孔支 架应用于人体重要器官肝脏的体外构建[9]。研究发 现,细胞在支架表面生长良好,
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