整形外科

3D打印技术在精细个性化耳再造手术中的应用前景

作者:佚名 来源:医脉通 日期:2017-02-06
导读

          小耳畸形综合征(microtia syndrome),也称为先天性小耳畸形,是耳郭先天性发育不良,常伴有外耳道闭锁、中耳畸形和颌面部畸形。不同种族的发病率有所不同。根据小耳畸形耳郭发育情况,需进行耳郭部分或全部耳再造。耳再造是一个困难且复杂的手术,其中,耳支架的选择是耳再造的关键。

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        小耳畸形综合征(microtia syndrome),也称为先天性小耳畸形,是耳郭先天性发育不良,常伴有外耳道闭锁、中耳畸形和颌面部畸形。不同种族的发病率有所不同。根据小耳畸形耳郭发育情况,需进行耳郭部分或全部耳再造。耳再造是一个困难且复杂的手术,其中,耳支架的选择是耳再造的关键。

        目前,自体肋软骨作为耳支架被认为是最可靠且可取的方法,利用自体组织进行耳再造仍是耳修复的主流。但存在手术创伤较大、供区损害、外观不理想等主要缺点。因此,发展无创伤、无免疫排斥、精细个性化耳再造手术是临床的迫切需要。

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        小耳畸形综合征(microtia syndrome),也称为先天性小耳畸形,是耳郭先天性发育不良,常伴有外耳道闭锁、中耳畸形和颌面部畸形。不同种族的发病率有所不同⋯。根据小耳畸形耳郭发育情况,需进行耳郭部分或全部耳再造。耳再造是一个困难且复杂的手术,其中,耳支架的选择是耳再造的关键。

        目前,自体肋软骨作为耳支架被认为是最可靠且可取的方法,利用自体组织进行耳再造仍是耳修复的主流。但存在手术创伤较大、供区损害、外观不理想等主要缺点。因此,发展无创伤、无免疫排斥、精细个性化耳再造手术是临床的迫切需要。先天性小耳畸形的治疗复杂,以往临床手术方法多种多样,主要有分期手术法和I期手术法。耳支架的选择是耳再造手术的关键环节,是耳郭再造的基础,根据耳支架的选择可以分为以下3类:一是利用自体组织及支架进行修复;二是利用人工材料或异体(种)软骨做耳支架进行修复;三是利用耳赝复体进行耳修复。

        采用耳赝复体进行耳修复是一个古老的方法,虽然手术创伤小,适用范围广,但因耳赝复体是“非己的”,患者从心理上接受程度不高,而且需要每天清洗,颜色与周围皮肤难以一致,甚至还有脱落的可能。异体耳软骨、肋软骨、牛软骨等都曾作为耳支架,但由于缺点明显而被弃用。

        采用人工材料做耳支架,如硅胶、Medpor耳支架,虽然避免了切取自体肋软骨的手术创伤和并发症,却各有缺点。硅胶假体有质地软、塑形困难、与组织不相容、易排斥、纤维包膜形成及挛缩等缺点。Medpor易于塑形,可拼接成大小及形态不同的支架,立体感强,无抗原性及毒性,植入后大量软组织可以长入。但该支架的材料质地较硬,术后支架外露率仍然较高,支架一旦外露,创面难以自行愈合。

        目前,利用自体组织耳再造仍是耳修复的主流。耳支架由自体肋软骨雕刻而成,无免疫排斥,质地适中,再造耳的皮肤与周围皮肤色泽一致,有良好的感觉。Tanzer、Brent及日本Fukuda、Nagata分期耳郭再造手术均采用自体肋软骨,并取得较好的临床效果。但其缺点是手术创伤较大,有供区的损害,而且可能造成胸廓畸形及耳后区瘢痕严重。随着医学及材料科学的不断进步,学者们不断努力试图找到理想的耳支架材料和手术方法。

        组织工程软骨的出现和发展为解决耳再造支架问题提供了可能。组织工程的关键问题是种子细胞来源和载体特性。种子细胞的选择、建立细胞和生物支架材料构成的三维空间复合物,为种子细胞提供生长代谢的场所是两个重要方面。Cao等采用聚乙醇酸一聚乳酸模板塑造一例3岁儿童耳郭的形状,将从牛关节软骨中分离出的软骨细胞接种至聚乙醇酸.聚乳酸模板,体外培养后移植入裸鼠背部皮下12周,通过形态和组织学分析表明有新的软骨形成。SH Kamil等(2002年)利用壳聚糖和明胶网络与聚乳酸复合置备了软骨支架材料。

        国内还有多项研究应用不同种子细胞获得组织工程化软骨,这些研究为耳郭缺损患者临床手术的应用提供了潜在的可能,但将组织工程软骨应用于临床之前还需更多地深入研究。

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        3D打印(3D printing),也叫快速成形(rapid prototyping,RP)或加式/增材制造(additive manufacturing,AM),是数字化、智能化制造与材料科学的结合,是基于计算机三维数字成像技术和多层次连续打印技术的一种新兴应用技术。

        3D打印技术兴起于20世纪80年代末,最初应用于制造业工程及航空航天模型设计等领域。随着3D打印技术的发展,在工业制造、文化艺术、航空航天和生物工程等领域已经相继出现一些具有划时代意义的3D产品。3D打印技术以其精确度高、生产周期短、能够满足个性化要求等优势受到广泛关注。

        目前常用的3D打印技术包括光固化立体印刷(stereolithography,SLA)、熔融沉积成型(fused deposition modeling,FDM)、选择性激光烧结(selective laser sintering,SLS)和二维喷印(three dimensional printing,3DP)等。随着3D打印技术的不断发展,这一新兴的科技成果逐渐进入医学领域。

        3D打印技术与医学的结合成为医学史上的里程碑,在医学模型制造与手术分析策划、再生修复、器官移植和药物研发试验等领域得到了广泛应用。

 

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        3D生物打印(3D-bioprinting)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,制造人工植入支架、组织器官和医疗辅具等生物医学产品的3D打印技术。3D生物打印可分为4个层次:体外模型制造、永久性可植人物制造、细胞间接装配制造和细胞直接装配制造。3D生物打印核心技术是细胞装配技术即细胞3D打印技术,是通过定位装配活细胞/材料单元,制造组织或器官前体的新技术。其最大优势在于复杂外形与内部微细结构的一体化制造,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。

        3D打印技术在整形外科的应用可使手术更加精确和个性化,提高了复杂手术的成功率,缩短了手术时间,并使手术更安全。Stoker等首次将3D打印模型用于颅颌面手术的术前模拟。Levine等将术前采集的CT数据通过CAD软件进行手术模拟,得到截骨线、骨块移动的目标位置等信息,通过术中实时提示位置信息而用于指导手术的进行。随着材料科学的发展,有研究尝试以生物材料代替以往的模型材料,经CAD软件处理后,直接打印出人体植入物。Saijo等采用磷酸三钙粉末等生物材料制备个性化假体,经消毒处理后术中无需雕刻,可直接植入人体,将3D打印技术由单纯的模型制造拓展到生物制造。Kozakiewicz等采用3D打印钛合金植入物修复眶底骨折,获得了良好的固定效果和适配度。

        此外,3D生物打印技术在药物研发领域也有广泛应用。2012年,第1个3D打印肝组织产品出现,可用于药物测试;2013年,美国ORGANOVO公司成功打印出具有普通肝脏功能的小型肝脏组织,拥有的蛋白质可将盐、激素和药物运送到身体各处;美国维克森林大学再生医学研究所(Wake Forest Institute for Regenerative Medicine)将从活体组织培养的多种类型的肾脏细胞,放置于一台3D生物打印机中,同时使用可降解生物材料作为支架打印人体肾脏。

        利用3D技术打印的人体肝脏、肾脏和特定细胞组织用于新药测试后,不仅可以真实模拟人体组织对药物的反应,而且很大程度上还能降低新药的研发成本。3D牛物打印是一种新型的组织工程技术,不但能构建形态、结构复杂的组织工程支架,而且能实现不同密度的种子细胞在不同支架材料中的三维精确定位,实现细胞与生物材料的同步打印,最终构建仿生组织和器官,也称组织打印或器官打印,是器官移植和再生修复的新突破。Boland等。

        应用3D打印技术将牛血管内皮细胞和藻酸盐水凝胶同步打印,形成内皮细胞一水凝胶三维复合物,成功打印出具有活性的微脉管结构,为打印血管奠定了基础。日本东京大学的Huang等用卵白素-生物素打印带分支的血管系统并在其上种植肝癌细胞。2013年,3D打印皮肤和肾脏研究在美国取得突破。2014年,Lee等利用3D生物打印技术直接打印出人皮肤移植物,避免了皮肤移植手术的不良后果。美国维克森林大学的研究人员希望能将皮肤组织直接打印在创面部位,并尝试制造1台能在战场和灾区使用的便携式打印机。研究人员将1台3D生物打印机先对患者的创面进行扫描,确定皮肤移植的部位及范围;随后,1个喷墨阀喷出凝血酶;另一个喷墨阀喷出细胞、胶原蛋白以及纤维蛋白原组成的混合物;然后,先打印出一层人成纤维细胞,再打印出一层角质形成细胞。利用3D生物打印技术,由患者自体细胞获得与自身完全匹配的器官,将为医学界及患者带来希望。

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        先天性小耳畸形耳郭再造术是整形外科常见的器官修复手术。如何利用自体组织进行耳再造手术,在避免手术创伤大及并发症的同时,又能够达到精细个性化的手术效果。3D生物打印技术可望在不久的将来实现这一愿望。2013年,美国康奈尔大学(Cornell University)研究者采用牛耳细胞打印出人造耳朵。在打印耳模时,借用了一种可注入胶原蛋白和活细胞的凝胶,然后将打印的耳模移出并在细胞培养皿中孵育,3个月时间软骨就可以取代胶原蛋白。Lee等通过3D打印技术制造出包括再生的软骨和脂肪组织的人工耳朵,聚己内酯(PCL)和三维网络结构中长满细胞的水凝胶是其主要部分。用于器官3D打印的水凝胶,如藻酸钠、胶原和嵌段共聚物(pluronies),均存在机械性能偏低和培养时不稳定性等特点心。

        Mannoor等的研究提出了通过三维打印制造出错综复杂且兼具生物和纳米电子功能的仿生耳;其研究提出了一个新的战略,通过生物细胞和来自电子元件的纳米颗粒打印的仿生耳,对无线电频率接收表现出增强的听觉感知;这一兼具精细形态和功能的仿生人耳为耳再造手术患者带来新的希望。

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        通过3D生物打印技术将生物相容性细胞、支架材料、生长因子、信号分子等在计算机指令下,打印出有生理功能的活体器官,达到修复或替代的目的,在生物医学领域有着极其深远的意义。随着3D生物打印技术及器官打印技术的研究和发展,该技术有望成功打印出仿生组织和器官,彻底解决自体或同种异体移植所存在的局限和难题,如手术创伤大、器官来源不足、排斥反应等,从而将再生修复医学和器官移植的应用发展带入新纪元。

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