成都东呈模型-3D打印技术在疾病治疗中的应用

3D打印技术在疾病治疗中的应用

时间:2018年04月01日 12:28   编辑:dingka

3D打印技术在疾病治疗中的应用

 dingka 生物谷 3月9日

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谷 君 说

打印得到的组织体积、厚度以及特性均存在明显差异,生物打印组织的结构复杂性对于适应体内不同的生理环境具有重要的意义。


3D打印技术在疾病治疗中的应用

文/dingka


本期为大家带来的是3D打印技术在人类健康领域的应用相关研究进展,希望读者朋友们能够喜欢。



1. JCCT:3D打印有助于预测心脏瓣膜的泄漏

DOI: 10.1016/j.jcct.2018.09.007




在美国,超过八分之一的75岁及以上的人在心脏中发生中度至重度的主动脉阻塞,通常是由于瓣膜小叶上积聚的钙化沉积物造成的,并阻止它们完全打开和关闭。许多这些老年患者的健康状况不足以进行心脏直视手术;相反,他们使用称为经导管主动脉瓣置换术(TAVR)的手术将人工瓣膜植入其心脏,该手术通过插入主动脉的导管展开瓣膜。


然而,这个过程存在挑战,包括需要选择完美尺寸的心脏瓣膜,而不是真正看病人的心脏:太小,瓣膜可能会在边缘移动或泄漏;太大了,阀门可以撕裂心脏,带来死亡的危险。因此,心脏病专家一直试图寻找一种“恰到好处”的TAVR瓣膜尺寸。


哈佛大学Wyss生物启发工程研究所的研究人员创造了一种新颖的3D打印工作流程,允许心脏病专家在实际执行医疗程序之前评估不同瓣膜尺寸与每位患者独特解剖结构的相互作用。该协议使用CT扫描数据生成个体患者主动脉瓣的物理模型,此外还有“sizer”装置以确定完美的替换瓣膜尺寸。


这项工作是与布莱根妇女医院,华盛顿大学,马萨诸塞州综合医院和马克斯普朗克胶体与界面研究所的研究人员和医生合作完成的,并发表在《Journal of Cardiovascular Computed Tomography》杂志上。


当患者需要更换心脏瓣膜时,他们经常进行CT扫描,这需要一系列心脏X射线图像来创建其内部解剖结构的三维重建。虽然在CT扫描中很容易看到主动脉的外壁和任何相关的钙化沉积物,但是打开和关闭瓣膜的组织的精细“小叶”通常太薄而不能很好地显示出来。 “在进行心脏解剖结构的三维重建后,通常看起来钙化的沉积物只是在瓣膜内漂浮,对部署的TAVR瓣膜如何与它们相互作用提供很少或根本没有见解,”Weaver解释说。


为了解决这个问题,当时Wyss研究所的研究员Ahmed Hosny创建了一个软件程序,该程序使用参数化建模来生成传单的虚拟三维模型,每个患者的瓣膜上有七个坐标,这些坐标在CT扫描。然后将数字小叶模型与CT数据合并并进行调整,以使它们正确地适合瓣膜。然后将得到的模型(其中包含小叶及其相关的钙化沉积物)3D打印成物理多材料模型。


该团队还打印了一个定制的“sizer”设备,该设备适合3D打印的阀门模型,并进行扩展和收缩,以确定最适合每位患者的人造瓣膜尺寸。然后,他们用一层薄薄的压力传感薄膜包裹分级机,以绘制分级器和三维印刷阀门及其相关的钙化沉积物之间的压力,同时逐渐扩大分级器。


“我们发现传单上钙化沉积物的大小和位置对人工瓣膜与钙化瓣膜的适应性有很大影响,”目前在Dana-Farber癌症研究所工作的Hosny说。 “有时,TAVR瓣膜无法完全密封钙化瓣膜,这些患者实际上可以更好地进行心内直视手术以获得更好的贴合效果。”


此外,三维印刷阀门模型的多材料设计,将柔性小叶和刚性钙化沉积物整合成完全整合的形状,可以更准确地模拟人工瓣膜部署期间真实心脏瓣膜的行为,以及随着sizer的扩展,提供触觉反馈。


该团队根据已经接受过TAVR手术的30名患者的数据对他们的系统进行了测试,其中15名患者因阀门太小而发生泄漏。研究人员预测,根据分级器与主动脉瓣的3D打印模型的匹配程度,每个患者应该接受的瓣膜大小,以及手术后是否会出现泄漏。该系统能够成功预测60-73%的患者的泄漏结果(取决于患者接受的瓣膜类型),并确定60%的患者已接受适当大小的瓣膜。


“能够识别中心和低风险患者,其心脏瓣膜解剖结构使他们更容易发生TAVR并发症,这是至关重要的,我们以前从未有过一种非侵入性的方法来准确地确定这种情况。这些患者可能会通过手术获得更好的服务,因为不完美的TAVR结果的风险可能超过其益处。”作者们说道。此外,能够物理模拟该过程可能会告知阀门设计和部署方法的未来迭代。


该团队已经为希望使用它们的研究人员或临床医生在线免费提供了传单建模软件和3D打印协议。他们希望他们的项目将成为可进化的生物医学设计的跳板,与市场的最新技术保持同步。


“个性化医疗挑战的核心是认识到一种药物治疗不能同样为所有患者服务,并且治疗方法应该适合人,”Wyss研究所创始主任Donald Ingber博士说到。他还是哈佛医学院血管生物学的Judah Folkman教授和波士顿儿童医院的血管生物学项目,以及哈佛大学工程与应用科学学院的生物工程教授。 “这个原则适用于医疗器械和药物,我们很高兴看到我们的社区如何在这个领域进行创新,并试图将新的个性化方法从实验室到临床实践。”



2. Cell System:3D打印技术改变筛选抗生素的方法

DOI: 10.1016/j.cels.2018.07.004




最近,来自麦克马斯特大学实验室开发的一个“小型黑盒子”可以改变科学家寻找新抗生素的方式。


印刷荧光成像盒(简称PFIbox)能够收集大量数据,这将有助于Michael G. DeGroote传染病研究所的研究人员寻求发现新的抗生素。该盒子允许科学家一次分析超过6,000个细菌样本。


从原理上来讲,该工具使用LED灯激发细菌中的荧光蛋白。然后,它将数据无线发送给研究人员,研究细胞随时间对抗生素的反应。PFIbox的九个结构部件可以在大约一天内进行3D打印,在几分钟内拼接在一起,成本约为200美元。


“3D打印让我们可以创建根本不存在的工具和仪器,”负责该项目工作的传染病研究员Eric Brown以及Shawn French和Brittney Coutts说道。 “在这里,我们设计并制造了一台绝对最先进的实验室仪器,价格约为200美元。这对于我们发现新抗生素的工作来说只是改变游戏规则。”


研究人员已将PFIbox的代码开源,并且可供任何想要使用它们的人使用。


“我们完全期望 - 事实上,我们希望 - 人们会采用这个工具的代码并对其进行改进,”法国人说。 “我们希望人们能够充分利用我们认为在与超级细菌的斗争中非常重要的新发展。”



3. Arch Toxicol:干细胞+3D打印,可用于肝脏移植

DOI: 10.1007/s00204-018-2280-2 




来自爱丁堡大学医学研究委员会(MRC)再生医学中心的科学家结合干细胞技术与3D打印技术,成功培育出了人源3D肝脏组织,并且在小鼠水平显示出治疗的潜力。


科学家表示,除了为开发人体肝脏组织植入物方面进行早期的探索,这一研究还可以通过搭建平台来研究人类肝脏疾病以及实验室中的测试药物的药效,从而减少对动物研究的需求。


在这项发表在《Archives of Toxicology》杂志上的研究中,科学家们采集了人类胚胎干细胞并诱导形成多能干细胞(已被诱导转变为干细胞的成体细胞),通过定向诱导形成为肝细胞。


负责这项研究的爱丁堡大学MRC再生医学中心的David Hay教授说:“这是有史以来第一次有人在实验室中将干细胞来源的肝组织体外培育一年多的时间。细胞长时间存活和稳定是非常困难的,但对于在人体中使用则至关重要。“


然后,科学家们与材料化学家和工程师合作,确定了已经批准用于人体的合适聚合物,以便将它们发展成3-D支架。最好的材料是可生物降解的聚酯聚己内酯,它被制作成微观纤维,纤维网形成一厘米见方,毫米厚的支架。之后,将源自胚胎干细胞的肝细胞(其已在培养物中生长20天)加载到支架上并植入小鼠皮下。


研究结果显示,血管能够在支架上成功生长。此外,作者并且发现小鼠的血液中含有人肝蛋白,表明组织已成功地与循环系统整合,支架未被动物的免疫系统拒绝。


进一步,作者在在患有酪氨酸血症的小鼠中测试肝组织支架的效果。酪氨酸血症是一种潜在致命的遗传疾病,其中肝脏中分解氨基酸酪氨酸的酶是有缺陷的,导致有毒代谢产物的积累。


研究结果表明,植入的肝组织能够帮助酪氨酸血症的小鼠分解酪氨酸。与接受空支架的对照组中的小鼠相比,移植有3D打印肝脏组织的小鼠体重减轻,血液中毒素积累较少,并且肝损伤迹象较少。


Hay教授说:“希望有朝一日这样的植入物可能有一天能够帮助肝脏衰竭的人。将支架置于皮肤下具有比将组织移植物插入腹部更具侵入性和潜在安全性的巨大优势”。



4. Adv Materials:3D打印生物工程化血管研究新突破

DOI: 10.1002/adma.201706913




最近来自BWH的研究者们开发出了一种新型的维管结构制备方法,能够得到更符合生理要求的血管。这种3D打印技术能够精细模仿组织的生理特性,例如细胞的成熟以及能否运输营养物质等。这一技术将能够被用于进行受损组织的置换。相关结果发表在最近一期的《Advanced Materials》杂志上。


许多疾病都会造成管道组织的损伤,例如动脉炎、动脉粥样硬化以及血栓等。此外,泌尿组织也会因为炎症反应产生损伤。


为了制备3D组织材料,研究者们将人体细胞与水溶胶进行混合,水溶胶的化学性质经过了反复的摸索,使其能够允许细胞的增殖。


之后,研究者们将这些混合好的材料注入管道组织3D打印系统,并且通过程序设置使其能够连续打印三层。当管道打印完毕之后,研究者们经过其它方法验证了其能够允许营养物质穿透的特性。