探索3D打印医疗应用的前景广阔的前沿！

在技​​术进步和医疗保健创新交叉的时代， 3D 打印医疗应用领域站在变革浪潮的最前沿。2024 年最受期待的进步领域包括定制设计的植入物和假肢、先进的药物输送系统、患者特定解剖结构的 3D 打印模型、生物可吸收设备和可穿戴传感器。



未来十年不可预见的突破的潜力正在上升，有望进一步扩展增材制造技术在医疗保健领域的功能和应用。随着该行业应对人口老龄化、医疗成本上升以及个性化治疗需求等挑战，3D 打印作为一股创新力量脱颖而出。如今，3D 打印超越了最初在医疗保健实践中的新颖性，提供了有可能扩大患者护理范围的应用。尽管这一领域的扩张令人瞩目，但也并非没有挑战，例如监管障碍、技术限制和道德争论。然而，医疗进步和改善患者治疗效果的持续推动增强了 3D 打印的发展势头。

本文深入介绍了3D打印医疗应用中的三项创新，这些创新可能会在本十年为患者带来翻天覆地的变化，为医学科学的新篇章铺平道路：

3D 打印微型机器人
就微创手术而言，3D 打印微型机器人是一项强大的创新。苏黎世联邦理工学院的 Brad Nelson 是这一革命性领域的带头人，他是一位机器人和智能系统领域的资深人士，在《Science》上于2023 年 12 月发表的一篇论文中阐明了自己长达二十年的历程。他的微型机器人有可能重新定义人体内药物的输送，高精度进行治疗。这些微型机器人的尺寸从微米到几毫米不等，可由合成、生物或生物混合材料组成，可以导航到疾病部位，例如肿瘤或血栓，能够直接释放药物，减少通常与药物治疗相关的全身毒性。Nelson表示生物医学微型机器人可以克服当前靶向治疗的挑战。


△3D 打印元机器人能够自行移动、感知和做出决策。

然而，这项开创性工作并不是孤立的。世界各地的其他机构正在为这一领域做出贡献。例如，塔夫茨大学和哈佛大学 Wyss 研究所正在研究能够自主移动和刺激神经元生长的 3D 打印微型机器人。加州大学伯克利分校和约翰霍普金斯大学也在各自探索医学中的微型机器人。首尔国立大学在能够导航体液的微型机器人方面的工作强调了国际合作努力彻底改变微创手术中的这一利基市场。

Nelson指出，当将微型机器人从实验室转移到诊所时，要注意简单化。韩国研究人员证明 3D 打印微型机器人能够在血管中自主导航并在猪身上执行外科手术任务，之后医疗微型机器人领域在临床前环境中取得了进展。这一进展发表在IEEE 机器人与自动化快报上，解决了治疗闭塞性血管疾病（主要死亡原因）方面的挑战。

然而，尽管取得了这些有希望的进展，但技术和监管方面的挑战仍然阻碍着其广泛临床应用。作为医疗设备和药物输送系统，微型机器人面临着独特的监管环境，需要进一步研究以满足美国食品和药物管理局(FDA) 和其他机构的标准，这主要是由于其新颖的药物设备组合性质。

神经关联
目前神经 3D 打印生物电子接口的研究显示出明显的进展，特别是在开发神经系统植入物方面。生物电子接口被设计为设备，将电子系统与生物功能联系起来，从而弥合了技术与人体之间的差距。来自牛津大学和谢菲尔德大学的团队在这一领域处于领先地位。牛津大学的团队已成功 3D 打印人类干细胞，以创建与小鼠脑组织整合的组织结构。这表明它具有修复脑损伤和增强对人类大脑的理解的潜力。



相反，谢菲尔德的团队专注于在动物模型中定制用于脊髓刺激的植入物，这表明未来可能应用于治疗瘫痪。这些进展主要处于临床前阶段，是朝着更加个性化和有效的神经系统疾病治疗迈出的一步。然而，从实验室到临床应用的转变仍在进行中，我们正在不断努力完善这些技术以供人类患者实际使用。

这种技术创新的另一个具体例子在英国兰卡斯特大学进行的工作中很明显。研究人员在约翰·哈迪的指导下开发了一种先进的 3D 打印方法，将柔性电子器件集成到生物相容性材料中。该项目发表在《先进材料技术》杂志上，代表着制造用于外科植入物和医疗设备维修的复杂 3D 电子产品的飞跃，团队成功地将电路嵌入硅基柔性基质中，并将其连接到小鼠大脑切片上以刺激神经元反应。研究人员甚至将其扩展到将导电结构直接打印到蠕虫体内，证明其与活体有机体的兼容性。

兰卡斯特大学的开创性工作为创建用于神经监测和个性化医疗的定制生物电子设备开辟了新途径。这预示着医学生物电子接口的广阔前景。

心脏病治疗
心脏病是全球死亡的主要原因之一，得益于生物工程中的 3D 打印技术，心脏病可以得到变革性的治疗。定制 3D 打印心脏瓣膜处于这场革命的前沿。这项创新为超过 3000 万患有瓣膜性心脏病的患者带来了希望，代表着在解决当今时代一些最紧迫的健康挑战方面迈出了重大一步。尽管3D 打印心脏瓣膜尚未获得 FDA 批准，并且其临床应用正处于开发阶段，但其潜力是巨大的。

仅在美国每年进行的瓣膜置换手术就超过 182,000 例，到2026年，美国心脏瓣膜置换手术数量将超过24万例。3D 打印瓣膜根据个体患者的解剖结构量身定制，可以改善手术结果并减少未来手术的需要，尤其是对于儿科患者。

目前的心脏瓣膜通常是具有严重局限性的永久性装置。在快速生长的儿科患者中，它们就会变得太小，这增加了更换的需求。尽管 3D 打印心脏瓣膜已经存在，并且生物可吸收材料已用于植入物，但两者尚未结合起来。

佐治亚理工学院的研究人员率先开发了针对患者的生物可吸收心脏瓣膜，旨在减少并发症和再次干预。与永久性装置不同，这些 3D 打印瓣膜的设计目的是随着时间的推移被身体组织吸收和替换。这项技术对儿童特别有益，因为瓣膜可以随着患者的适应和成长而变化，从而可能减少多次手术的需要。瓣膜采用聚合物和金属材料的组合制成，每种材料都经过选择以匹配患者组织的特定机械行为。设计过程需要详细考虑患者的解剖结构、年龄、病情和所需的输送机制。


△原型的迭代（左）。通过脉冲复制器可以看到瓣膜在生理主动脉血流条件下关闭（中）和打开（右）。

除了功能优势之外，制造商还可以在表面水平定制这些瓣膜，以增强与周围组织的整合并促进细胞生长。加拿大圣贾斯汀医院的研究人员正在探索在这些瓣膜中使用水凝胶和患者来源的干细胞，以创建一种完全个性化的解决方案，不易发生排斥反应。这种“个性化医疗”方法可能会彻底改变各种心血管疾病和病症的治疗。

3D 打印心脏瓣膜仍处于实验阶段，正在进行的动物研究和人体试验预计将在大约十年内开始。这一突破可以显着改善全球数百万心脏病患者的生活质量和治疗结果。根据患者个体的解剖结构和状况定制这些瓣膜的能力提高了手术的成功率。它为治疗多种心血管疾病（包括先天性心脏缺陷和瓣膜狭窄）开辟了新的可能性。


△加拿大圣贾斯汀医院的研究人员生产 3D 打印心脏瓣膜

总之，3D 打印医疗应用的这一进展说明了 3D 打印在医学领域的潜力以及跨大陆和研究机构的协作和动态研究性质，预示着医疗和患者护理的新时代。