3D生物打印技术用于肝组织模型构建的研究进展

3D生物打印是以活体细胞、生物材料和活性分子为原料,制造仿生结构模型的一种新兴技术。在肝脏组织工程领域,3D生物打印技术能构建具有生物活性与功能的肝组织模型,用于肝脏疾病治疗与再生医学研究。本文就3D生物打印技术用于肝组织模型构建的相关研究进展作一综述。

基于3D生物打印构建结直肠癌个体化药物预测模型的研究

目的 探讨3D生物打印(3DP)构建结直肠癌(CRC)患者个体化药物预测模型的可靠性及指导临床精准化治疗的可行性。方法 收集2023年7—11月宁波市医疗中心李惠利医院行手术切除CRC患者的肿瘤组织标本20例,及时提取原始肿瘤细胞经3DP构建预测模型。然后对肿瘤组织及预测模型进行组织病理学鉴定;施加氟尿嘧啶、奥沙利铂及伊利替康处理预测模型,根据细胞活力分析化疗药物敏感性特征,同时初步对比临床患者实际化疗效果。结果 成功构建3DP模型19例,因提取细胞量不足培养失败1例;肿瘤术后病理均为腺癌。CRC 3DP模型中CRC细胞团染色特征与亲本组织HE染色潜在相关,从病理学层面判断两者具有相似同源性,两者在肿瘤标记物的表达上高度一致。3DP肿瘤模型药物敏感性具有显著异质性。结论 3DP构建的CRC个体化药物预测模型在CRC的精准化疗预测及临床前研究中有较大的应用潜力。

SPOC教学模式联合3D生物打印模型复杂气道在麻醉科实习生气管插管临床教学中的效果分析

目的:旨在探讨小规模限制性在线课程(SPOC)教学法联合3D生物打印模型技术在麻醉科复杂气道插管的临床实习教学中的应用效果。方法:将76名本科实习生随机分为传统教学组、SPOC教学组和SPOC联合3D生物打印模型(SPOC + 3D)教学组,其中传统教学组40人,SPOC教学组和SPOC + 3D教学组各18人。传统教学组以1例复杂气道及插管相关知识进行教学;SPOC教学组提前在教学平台上发布教学视频,然后采用小班模式进行现场教学;SPOC + 3D组除上述模式外,还应用3D生物打印实体复杂气道模型进行现场授课。我们对不同组实习生的教学兴趣程度采用调查问卷进行反馈,教学的效果采用知识考核和临床操作要点的方式进行考核。结果:首先以实习同学自评得分进行分析,在感兴趣程度、注意力集中程度、疾病认知程度、满意度方面,SPOC + 3D教学组的分项得分及总分均显著高于SPOC教学组及普通教学组,差异均具有显著统计学意义(P 0.05)。结论:SPOC教学联合3D生物打印模型的综合教学模式能够增加麻醉科实习同学在复杂气道插管临床实践中的兴趣,使得实习同学能够更加有效地理解和掌握相关的知识。

生物3D打印技术用于功能性骨骼肌3D组织构建的研究进展

骨骼肌作为机体运动系统的重要组成,对维持运动功能不可或缺。然而,体积性骨骼肌缺失(VML)所致运动功能丧失严重限制了机体的活动能力,并伴随多种并发症。当前,临床对VML的治疗主要依赖于移植手术,但其受限于供体部位发病率、供体组织缺乏以及对高技能手术团队的依赖。鉴于此,生物3D打印技术凭借其高效精准的特点,为功能性肌肉的制造以及VML的再生修复开辟了新的途径。综述了生物3D打印技术在功能化骨骼肌组织构建方面的研究现状,回顾了生物3D打印的多种技术方案,探讨了生物墨水在功能性肌肉构建中的应用进展。重点讨论了该技术在构建血管化和神经化骨骼肌仿生组织方面的最新方法,总结了各种3D打印构建的功能化骨骼肌结构对骨骼肌缺损修复的作用,最后分析了现有技术的局限性,展望了生物3D打印功能化骨骼肌结构领域的发展趋势.

3D生物打印构建HGFs和HUVECs共培养体系促进HUVECs成血管

目的:构建人牙龈成纤维细胞(human gingival fibroblasts,HGFs)和人脐静脉内皮细胞(human umbilical vein endothelial cells,HUVECs)共培养体系,促进HUVECs成血管。方法:取HGFs和HUVECs培养传代至3~5代进行实验。通过慢病毒转染用红色荧光蛋白标记HUVECs。构建HGFs和HUVECs二维共培养体系,将HGFs与HUVECs以不同比例(4∶1、1∶1、1∶4)共培养,荧光显微镜下观察血管网络形成情况。配制5%甲基丙烯酰化明胶(GelMA)30胶,构建HGFs和HUVECs三维共培养体系,激光共聚焦显微镜下观察血管网络的形成情况。对HUVECs形成的血管网络进行定量分析。将HUVECs从三维共培养系统中分离出来,评估单独培养和共培养一定时间后HUVECs的增殖、迁移和小管形成效果以及相关血管生成基因的表达水平。结果:二维共培养时,当HGFs和HUVECs以比例1∶1共培养时血管网络形成的效果最佳。三维共培养时,HGFs可以促进HUVECs血管生成。HGFs和HUVECs共培养组的增殖、迁移和小管形成效果更好,相关血管生成基因的表达水平远远高于HUVECs单独三维培养组。结论:HGFs和HUVECs共培养能够引导和促进HUVECs出芽及迁移。

3D打印生物墨水在组织修复与再生医学中的应用

背景:通过选用合适的生物墨水,3D打印技术可用以制造人体组织和器官的代替物,并在人体内发挥作用。近些年来3D打印技术发展迅速,在再生医学中有着巨大的应用潜力。目的:介绍3D打印用生物墨水的类型,并综述生物墨水的分类、应用、优缺点及未来愿景。方法:以“3D printing,Biological ink,Tissue engineering,hydrogel,Synthetic material,Cytoactive factor,3D打印、生物墨水、组织工程”为检索词,运用计算机检索2000-2022年以来发表在PubMed、CNKI数据库中的相关文献,最终纳入83篇进行综述。结果与结论:在过去的几十年里,生物3D打印技术发展迅速,在组织工程和生物医学等各个领域都受到了极大的关注。相对于传统生物支架制造方法在功能性及结构方面受到的限制,3D打印可以更好地模拟生物组织复杂的结构,并且具有合适的力学、流变学和生物学特性。生物墨水是3D打印中必不可少的一部分,通过生物材料制备的生物墨水,经打印后产生的生物支架在组织修复和再生医学等方面有着巨大的科研潜力及临床意义,其材料的研究本身也越来越受到专家们的重视。3D打印生物墨水的材料各种各样,有天然材料也有合成材料,还有一些不需要任何额外生物材料的细胞聚集体,并且各种材料在实际运用中的功效各不相同。未来会有越来越多的生物墨水被研制用于组织工程,需要通过充足的实验模拟及设备测试来对生物墨水的可打印性进行分析,从而满足实际的医用需求。

3D生物打印前列腺癌模型用于唑来膦酸药敏试验

目的 探讨3D生物打印模型用于唑来膦酸对PC-3前列腺癌细胞药敏试验的可行性。方法 使用3D生物打印技术构建PC-3前列腺癌3D模型,采用唑来膦酸进行药敏试验。使用钙黄绿素-AM/碘化丙啶溶液对前列腺癌模型进行Live/Dead染色测试支架内前列腺癌细胞存活生长情况。采用ELISA法测定培养上清液中人基质金属蛋白酶2 (MMP-2)、人基质金属蛋白酶9 (MMP-9)蛋白分泌变化。并均与2D培养条件下进行比较。结果 通过3D生物打印技术构建PC-3前列腺癌模型,细胞多层包埋在海藻酸钠/明胶支架内。结果表明,随着加入唑来膦酸浓度的升高,PC-3细胞存活率呈下降趋势。在3D培养条件下对PC-3前列腺癌细胞的整体药物敏感性显著低于2D培养。即与2D培养相比,随着唑来膦酸浓度的升高,3D细胞培养的整体耐药性显著增加,细胞培养上清液MMP-2和MMP-9蛋白分泌的下降速度明显更慢。结论 相比于2D培养,使用3D生物打印技术构建的前列腺癌模型,可能更好地模拟体内前列腺癌肿瘤微环境,以提高临床前药物研究的预测能力,改善药物临床转化。

肾及肾上腺肿瘤高仿真3D打印模型在泌尿外科住院医师规范化培训教学中的应用效果

目的探讨肾及肾上腺肿瘤高仿真3D打印模型在泌尿外科住院医师规范化培训教学中的应用效果。方法将40名参加泌尿外科住院医师规范化培训的医师随机分为试验组和对照组,每组20名。收集肾及肾上腺肿瘤的CT影像资料,打印成高仿真3D模型。给予对照组传统教学,给予试验组传统教学联合高仿真3D打印模型教学。教学结束后,比较两组医师的理论知识考核成绩和对教学方法的评价。结果试验组医师的理论知识考核成绩,以及学习兴趣、解剖认识、知识记忆、医患沟通、临床思维、教学满意度条目得分高于对照组(P<0.05)。结论高仿真3D打印模型可以直观展示肾及肾上腺肿瘤的立体解剖结构,有助于加深医师对相关知识的理解、记忆,提高教学质量,是一种有效的教学方法。

3D打印模型结合翻转课堂在脊柱外科微创培训中的应用

目的探讨翻转课堂联合3D打印模型教学在脊柱外科微创培训中的应用效果。方法选择2020年5月—2022年5月在浙江大学医学院附属第二医院脊柱外科微创中心进修的42名学员为研究对象,随机分为研究组和对照组,研究组21名进修学员采用翻转课堂联合3D打印模型教学,对照组21名进修学员采用单纯翻转课堂方法进行授课讲解。2组学员分别进行了出科考试测验和满意度问卷调查。结果2组进修学员培训前检测成绩、微创理论知识成绩,差异无统计学意义(P>0.05)。研究组学员在培训结束后其出科脊柱微创临床知识成绩及微创基本技能操作、微创手术技巧提高和总体满意度均高于对照组,差异均有统计学意义(P<0.05)。结论应用3D打印模型教学结合翻转课堂可明显提高脊柱外科进修学员的学习质量和总体满意度,提升脊柱微创培训的效果。为脊柱外科微创培训的一种新型教学模式。

基于3D打印模型的案例教学方法在气管插管教学中的应用

目的探讨基于3D打印模型的案例教学方法(case-based learning,CBL)在气管插管教学中的应用效果。方法采用整群抽样方法,选取2019年1月—2022年1月在浙江省丽水市人民医院进行临床实习的温州医科大学2015级、2016级、2017级五年制临床医学专业80名学生为研究对象。采用随机数字表法,将80名学生分为试验组和对照组,每组40名学生。试验组学生采用基于3D打印模型的案例教学方法,对照组学生采用传统教学方法。教学结束后,通过理论知识、操作技能考核成绩和问卷调查结果,比较两组学生各自教学方法的实施效果。两组学生按照不同级次分批进行教学和考核。结果理论知识考核结果显示,试验组学生成绩[(45.23±2.66)分]优于对照组学生[(40.94±3.41)分],其差异具有统计学意义(P<0.05);操作技能考核结果显示,试验组学生成绩[(48.26±2.33)分]优于对照组学生[(42.89±3.25)分],其差异具有统计学意义(P<0.05)。问卷调查结果显示,在学习兴趣、学习效率、主动的互动、知识掌握程度、总体教学满意度5个方面,试验组学生的评分均高于对照组学生,其差异均具有统计学意义(均P<0.05)。结论基于3D打印模型的案例教学方法,与传统教学方法相比,可以为学生带来全新的立体视觉感受和模拟体验,有助于提高学生的学习兴趣和效率,有助于学生将理论知识和操作技能掌握得更加牢固,教学满意度更高,值得进一步深入研究与推广应用。

3D打印实物模型在颈椎疾患住院医师规范化培训教学中的应用和探讨

目的探讨3 D打印实物模型在提高颈椎疾患住院医师规范化培训(简称住培)教学效果中的作用。方法选取参加骨科住培的颈椎疾患学习的住院医师80名为研究对象,随机分为两组,观察组(40人)以幻灯讲解加3 D打印实物模型教学,对照组(40人)采用幻灯讲解教学。课后即时和课后1月分别对住院医师的知识掌握情况和诊疗技术进行现场测试,利用问卷的形式对住院医师的满意度和参与兴趣(10分法)进行调查。结果课后即时观察组的知识掌握情况和对照组相当(P>0.05),但是观察组的诊疗技术测试成绩显著高于对照组(P<0.05),观察组的满意度和参与兴趣评分均显著高于对照组,两者对比差异有统计学意义(均P<0.05);课后1月时,观察组的知识掌握情况和诊疗技术测试成绩均显著高于对照组(均P<0.05)。结论3 D打印实物模型应用于颈椎疾患住培的带教中,可显著提高教学效果,提升住院医师的满意度和参与兴趣,值得在住培教学中推广。

光交联丝素蛋白生物3D打印墨水的研究进展

丝素蛋白具有生物相容性高、生物降解性可控及力学性能可调等优异特性,是一种极具应用潜力的生物3D打印墨水材料。基于光交联反应的生物材料加工技术具有条件温和、高效可控等优点,是当前生物3D打印领域的热点方向。文章以墨水性能要求为主线,先从流变性能出发介绍了适合光交联丝素蛋白生物3D打印的打印方式,再从光交联反应性出发讨论了丝素蛋白的光敏改性方法及光诱导交联机制,然后从生物相容性出发介绍了辐照光源与光引发剂的发展,总结了丝素蛋白及其与合成、天然高分子材料复配墨水在光交联生物3D打印领域的应用,并论述了光交联丝素蛋白生物墨水在制备、发展方向和应用过程中所面临的挑战。

用于干骺端大块骨缺损重建的3D打印轴向加压假体:生物力学分析及取出标本硬组织分析

目的长骨干骺端大段骨缺损实现长期牢固重建是难题。干骺端残余髓腔较短无法用传统长度的髓内柄固定。本研究提出一种3D打印轴向加压假体(axial compressive endoprosthesis,ACE)。假体由表面为金属多孔结构的3D打印髓内短柄,及可在骨-金属界面加压的轴向加压装置组成。轴向加压装置可以提高髓内短柄的初始稳定性并促进骨-多孔金属界面骨长入。方法利用Sawbones模型建立4种股骨远端干骺端大块骨缺损重建模型:(1)ACE;(2)ACE+外侧钢板;(3)髓内短柄+外侧钢板;(4)髓内短柄+双侧钢板。材料试验机检测重建体系的弯曲和扭转刚度。测量轴向压力和加压螺母扭矩的关系。3例翻修手术的取出标本进行micro-CT扫描及硬组织切片评价骨长入情况。结果ACE+外侧钢板具有最高的弯曲刚度(矢状面324±11 N/mm,冠状面307±9 N/mm)。ACE+外侧钢板(10.9±1.3 N·m/°)和传统髓内短柄+双侧钢板(10.7±0.2 N·m/°)具有最高的扭转刚度。轴向压力F(N)和加压螺母扭矩T(N·m)的关系式为F=239.8 T-112.8。micro-CT显示假体柄和截骨面周围骨小梁有明显的重塑和增粗。硬组织切片显示新生骨组织长入金属多孔结构内部。孔隙内骨组织占比随植入时间延长而升高。结论3D打印轴向加压假体可以提高长骨干骺端重建的早期重建稳定性,并促进骨长入以实现远期牢固的骨整合。

用于干骺端大块骨缺损重建的3D打印轴向加压假体:生物力学分析及取出标本硬组织分析

目的长骨干骺端大段骨缺损实现长期牢固重建是难题。干骺端残余髓腔较短无法用传统长度的髓内柄固定。本研究提出一种3D打印轴向加压假体(axial compressive endoprosthesis,ACE)。假体由表面为金属多孔结构的3D打印髓内短柄,及可在骨-金属界面加压的轴向加压装置组成。轴向加压装置可以提高髓内短柄的初始稳定性并促进骨-多孔金属界面骨长入。方法利用Sawbones模型建立4种股骨远端干骺端大块骨缺损重建模型:(1)ACE;(2)ACE+外侧钢板;(3)髓内短柄+外侧钢板;(4)髓内短柄+双侧钢板。材料试验机检测重建体系的弯曲和扭转刚度。测量轴向压力和加压螺母扭矩的关系。3例翻修手术的取出标本进行micro-CT扫描及硬组织切片评价骨长入情况。结果ACE+外侧钢板具有最高的弯曲刚度(矢状面324±11 N/mm,冠状面307±9 N/mm)。ACE+外侧钢板(10.9±1.3 N·m/°)和传统髓内短柄+双侧钢板(10.7±0.2 N·m/°)具有最高的扭转刚度。轴向压力F(N)和加压螺母扭矩T(N·m)的关系式为F=239.8T-112.8。micro-CT显示假体柄和截骨面周围骨小梁有明显的重塑和增粗。硬组织切片显示新生骨组织长入金属多孔结构内部。孔隙内骨组织占比随植入时间延长而升高。结论3D打印轴向加压假体可以提高长骨干骺端重建的早期重建稳定性,并促进骨长入以实现远期牢固的骨整合。

生物活性玻璃3D打印仿生支架与不同来源的骨块移植材料在兔颅骨垂直骨增量中成骨的比较研究

目的比较3D打印生物活性玻璃仿生支架与异种骨、同种异体骨及自体骨的微观结构特征及体内垂直骨增量的成骨功效。方法仿骨小梁及哈弗森管进行支架设计,并采用A-W生物活性玻璃进行数字光处理3D打印,烧结成型。将3D打印支架与牛异种骨块、人同种异体骨块及兔自体骨块进行电镜和Micro-CT扫描,研究其形貌和微观结构特征,并将4种骨移植材料随机植入16只新西兰白兔颅顶骨进行体内垂直骨增量实验。每只兔接受4个不同类型的骨移植物,尺寸均为直径6 mm、高5 mm的圆柱体。采集4、12周兔颅骨样本进行Micro-CT扫描分析及组织切片分析,评估并比较4种骨移植材料新骨的形成。结果4种骨移植材料的多孔微观形貌特征存在显著差异。Micro-CT和组织切片分析显示,4周时,3D打印支架新生骨高度显著高于同种异体骨,新生骨面积显著高于异种骨和兔自体骨。12周时,3D打印支架和异种骨的新生骨高度、面积和体积均显著高于同种异体骨。3D打印支架、异种骨、同种异体骨及兔自体骨的维持空间体积降至74.73±5.23%、77.91±7.03%、29.81±8.09%、47.30±10.94%。结论本研究具有一定局限性。初步表明,生物活性玻璃仿生打印支架与临床产品的骨块移植物相比,在体内促进垂直骨增量方面表现出较快较好的成骨性能。

基于生物3D打印技术的水凝胶器官芯片及其灌注平台

针对水凝胶组织支架细胞球培养过程中存在着缺乏相关设备和实验平台的问题,采用生物3D打印技术和动态灌注培养的方法,设计制作了一种双通道水凝胶器官芯片,并搭建了一套灌注培养平台。采用聚苯乙烯荧光微球模拟细胞球的灌注过程,通过有限元仿真分析了不同流速下(0.849、2.547、4.244 mm/s)微球灌注时,通道不同位置流速和剪切应力的变化。设计了聚苯乙烯荧光微球动态灌注实验,基于仿真结果分析了流速对微球流动状态与贴附的影响。实验结果表明:灌注液在通道截面中心位置的流速最大,在通道周围趋近于静止,有利于微球沉降。灌注液流速为2.547 mm/s时,微球受到的最大剪切应力约为0.17 Pa,可以大量堆积在通道分支内。该研究可以为胰岛等细胞球在水凝胶器官芯片内的灌注和培养提供技术参考。

可拆卸式3D打印模型在翼腭管解剖教学中的应用研究

目的探讨可拆卸式3D打印模型在翼腭管及翼腭窝解剖教学中的应用效果。方法选取2020级昆明医科大学口腔医学专业学生40名,采用简单随机法将其分为对照组和观察组,每组20名。观察组采用可拆卸式3D打印模型进行授课,对照组采用传统幻灯片和实物模型进行授课,比较2组考核成绩,并采用问卷对观察组进行教学效果调查。结果观察组考核评分为(8.01±0.97)分,高于对照组的(6.42±0.53)分,二者比较,差异有统计学意义(P<0.05)。学生对可拆卸式3D打印模型认可度较高。结论可拆卸式3D打印模型可帮助学生更好地了解翼腭管和翼腭窝解剖结构,提高学生学习兴趣和效率。

豌豆蛋白基3D打印植物肉体系的构建及其打印品质影响机制

为构建合适的豌豆蛋白基食品3D打印植物肉体系,通过单因素和正交试验探究豌豆膳食纤维、面筋蛋白、结冷胶和谷氨酰胺转氨酶的添加对打印体系3D打印性能和产品品质的影响及其作用机理。结果表明:打印物料的3D打印性能、质构特性及产品特性随着各组分的添加量变化而发生显著变化;通过正交试验得到最佳配比,当豌豆膳食纤维质量分数为0.45%、豌豆蛋白与面筋蛋白质量比为5∶1、结冷胶质量分数为0.4%、谷氨酰胺转氨酶添加量为1.2 U/g时,打印物料具有最佳的3D打印性能,打印精度提高了27.80%,且样品熟化后硬度为3612.13 g、咀嚼度为1540.27 g·mm,质构特性均优于单因素试验组;红外光谱和分子间作用力结果显示各组分的添加显著增强了体系中的氢键、二硫键和疏水相互作用。将正交优化样品与3种市售人造肉样品进行对比,其在质构特性、蒸煮损失及持水性方面存在显著优势,这与3D打印形成的结构及各组分的相互作用有关。本研究可为豌豆蛋白在3D打印及植物肉等高值化应用方面提供一定的理论指导和应用依据,对食品3D打印在植物肉领域的发展具有一定的现实意义。

基于液态沉积成型3D打印的裂隙介质复刻方法构建与VOCs迁移研究

物理模拟实验是揭示裂隙介质中渗流及溶质运移规律的重要手段,但由于裂隙介质的复杂性和随机性,构建可复刻的裂隙实验模型成为一项技术难题,3D打印技术的兴起为此提供了新的思路。本文系统梳理了3D打印技术在裂隙模拟实验中的应用现状,构建了裂隙实验模型复刻新方法,并探究了所获模型的特性。首先,针对现有裂隙模型构建方案存在的材料模拟度低、模型强度不足、时间和经济成本高等缺陷,提出具有裂隙岩体模拟度强、个性化定制灵活、可重复性好等优势的液态沉积成型(LDM)3D打印技术。其次,对该技术结合CT扫描构建获得的高精度裂隙实验模型进行物理化学性质分析,裂隙结构测试显示模型裂隙率为5.77%,与实际岩芯裂隙率(5.46%)非常接近;微观形貌分析表明模型表面具有粗糙特性,断面表现出脆性断裂特征,符合实际岩石特征;模型采用陶泥材料打印,矿物组成及元素特征与硅酸盐岩基本一致,该材料可用于模拟此类岩石。最后,以四氯化碳(CCl4)为例,开展挥发性有机物(VOCs)在包气带裂隙介质中的迁移实验。结果表明,在时间上,裂隙介质中气相CCl4浓度逐渐增大并趋于平衡,平衡浓度及平衡时间受污染源(地下水)中CCl4浓度的控制;空间上,裂隙介质中气相CCl4浓度自上而下逐渐增大,平衡状态下气相CCl4浓度呈指数型分布。综上,LDM型3D打印技术能够有效复刻裂隙介质,并可用于VOCs等污染物模拟实验,后续研究需要关注材料创新、应用探索及打印精度提升。

基于TRIZ理论的3D打印抗震模型设计与制作

目前,市面抗震模型存在整体性不足、节点设计不科学等问题,文章基于TRIZ理论提出具有创新性、系统性、普适性的技术发明方法论,结合大众的主观经验与技术手段解决问题,利用矛盾分析法、物—场模拟法系统地剖析现有模型的构造柱及圈梁等关键节点,进行创新改动。结果表明,3D打印抗震模型具有更好的整体性,且可以更真实地模拟地震情景。