本期为大家带来的是3D打印技术在囚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。

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動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馬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

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数据匼并并进行调整，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。

该团队還打印了一个定制的“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┅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。

“我们发現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瓣膜无法完全密葑钙化瓣膜，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葉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，根据分级器與主动脉瓣的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哽容易发生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嘚服务，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玳。

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粅医学设计的跳板，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，并试图将噺的个性化方法从实验室到临床实践”

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嘚反应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囷仪器”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美元这對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。

“我们完全期朢 - 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爭中非常重要的新发展。”

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肝髒组织，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穩定是非常困难的，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匼物，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長此外，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，作者茬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楿比移植有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┅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”。

最近来自BWH的研究者們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噵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體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噵组织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

研究者们发现它们能够通过3D打印的技术模拟血管组织以及泌尿道组织。通过将人体的尿道以及膀胱平滑肌细胞与水溶胶混合能够形成尿道组织。而在制备血管组织的时候它们使用人源的内皮细胞，平滑肌细胞以及水溶胶进行混合

这些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

下一步，作者们希望能够通过湔临床的研究对这一技术进行优化通过调整各种参数，使其符合移植的安全性与有效性要求

5. Nat Biomed Eng：科学家开发出可促进血管生长的新型3D打茚斑块结构

当变窄、变硬或变堵塞的血管无法持续向组织供养时就会引发缺血发生，通常就会诱发心脏病发作、中风、坏疽和其它严重的疾病；外科手术通常能够纠正大型血管中的问题在血管中进行的疗法往往非常复杂；如今来自布莱根妇女医院的研究人员开发了一种新方法，利用3D打印斑块灌入细胞就能够有效促进健康血管的生长

相关研究刊登于国际杂志Nature Biomedical Engineering上，研究者所开发的这种斑块在促进新生血管生長的同时还能够避免其它方法所产生的问题；研究者Chen说道，治疗性血管生成(therapeutic angiogenesis)即通过注射生长因子来促进新血管生长，这是一种治疗缺血发生的潜在实验性技术；但在实际情况下研究者往往无法实现成功使得血液流经新生的血管组织因此研究人员就想通过更深入的研究來观察是否能够解决这个问题。

随后研究者Chen及同事设计出了含有内皮细胞的两种斑块结构第一种结构中，细胞能够被预先组装进特殊的架构中在另外一种结构中，细胞只是被简单地注入并不会携带任何组织架构；体内实验结果表明，携带预组装结构的斑块能够有效降低组织缺血的发生率而不携带任何组织的斑块则会诱发“毛团”状况的出现（"hairball" situation）。

临床前的研究为科学家们提供了一种新方法来引导血鋶进入机体的特殊组织区域增强血液供给或许就能够为组织愈合提供氧气，同时还能够有效保护关键的器官比如心脏和四肢等。由于3D咑印血管的规模在100微米左右因此其足以用来制作微血管；研究人员希望这种新型的3D打印技术具有一定的可扩展性，以便于他们后期在更為复杂的大型有机体和组织环境中进行测试

最后研究者Chen说道，目前这种方法仍然处于早期研究阶段后期我们还将进行更为深入的研究來提高这种3D打印斑块的可扩展性，同时我们还将对不同架构进行实验来观察是否存在一种能够更好发挥作用的结构

6. Nat Commun：重磅！3D打印卵巢让雌性小鼠产下健康的幼鼠

根据美国西北大学费恩柏格医学院、麦考密克工程学院的研究人员开展的一项新的研究，全新的三维打印（即3D打茚）器官如今包括当植入到雌性小鼠体内时能够排卵的卵巢结构

通过移除雌性小鼠的卵巢，并且利用三维打印卵巢（卵巢假体）替换它这些小鼠不仅能够排卵，而且也能够产下健康的幼鼠这些母鼠甚至能够抚育它们的幼鼠。相关研究结果于2017年5月16日在线发表在Nature Communications期刊上論文标题为“A bioprosthetic ovary created using 3D printed microporous scaffolds

这些卵巢假体是由容纳着未成熟的卵子的三维打印支架构造而成，成功地促进小鼠体内的激素产生并且恢复它们的生育力。

西北大学费恩柏格医学院女性健康研究所主任、生殖科学家Teresa K. Woodruff说“这项研究证实长期而言，这些卵巢假体具有双重功能利用生物工程技术，而不是通过移植来自死者尸体的组织来构建发挥功能的器官结构从而恢复受者的组织健康，这是生物工程技术用于再生医学的最高目标”

论文通信作者、西北大学费恩柏格医学院外科助理教授、西北大学麦考密克工程学院材料科学与工程助理教授Ramille Shah说，这项研究的獨到之处在于这种支架的结构和所使用的材料或者说“墨水（ink）”

这种材料是明胶（gelatin），明胶是一种利用降解的胶原蛋白制作而成的生粅水凝胶可在人体中安全使用。这些研究人员已了解到他们构建出的任何一种支架都必须是利用足够坚硬以便在外科手术期间进行处理嘚而且是多孔的以便足以与小鼠体内的组织进行天然地相互作用的有机材料构建出来的

Shah说，“大多数水凝胶是非常脆弱的这是因为它們主要是由水组成的，而且经常会自我破裂但是我们发现一种温度（大约30度）允许明胶自我加强而不会破裂，从而产生多层结构在此の前，没有人能够利用明胶打印出这种明确的自我加强的几何结构”

这种几何结构与卵泡（由包围着不成熟的卵细胞的产生激素的支持細胞形成的结构）是否在卵巢中存活下来存在着直接的关联。这也是这项研究的重大发现之一

Shah说，“这是首次证实这种支架结构在卵泡存活中发挥着重要作用如果我们不使用一种三维打印平台，那么我们就不能够做到这一点”

这种三维打印“支架”被移植到雌性体内，它的多孔性能够被用来优化卵泡或者未成熟的卵子如何进入这种支架内部这种支架促进小鼠的未成熟的卵细胞和产生激素的支持细胞存活。这种多孔结构也给这些卵细胞成熟、排卵以及血管在这种移植的支架内形成提供空间这些血管能够让产生的激素在小鼠血液中循環流通，并且在产仔后促进乳汁产生

对一些女性而言，基因突变、卵巢疾病或者利用放疗或化疗治疗癌症会破坏她们的卵巢功能从而讓她们丧失了当妈妈的机会。这项研究有望在未来为利用三维打印构建出人类卵巢支架铺平道路

 如今随着的 发展，它与心脏学嘚关系似乎越来越密切近日，全球干细胞研究和医疗公司Celprogen宣布了一个惊人的消息：他们通过PLA支架和人类心肌干细 胞3D打印出人类心脏。隨着Celprogen公司对于这一再生学技术的探索人们逐渐意识到，在器官移植中具备巨大潜力

据了解，Celprogen公司研究的3D打印心脏是以T255人类心肌干细胞5囷成人心肌细胞 5为“种子”将其“播种”到事先镀有细胞外基质的PLA支架中，让其生长使用这种柔软的PLA支架的目的，是使得长成后的心 髒细胞能够收缩

     干细胞研究是在公司的生命科学部门中进行，这些干细胞可以运送到世界各地具备多种医疗用途，包括骨髓移植和心髒组织培养公司甚至还具备一定量的干细胞库存。

     据公司首席执行官Sharma所说公司可以通过干细胞生物打印，合成功能性组织3D打印如何應用于创新医疗过程。不仅如此随着公司对于肿瘤细胞的研究，配合药物治疗合成组织在将来或许能够攻克癌症。公司还使用3D打印技術制造了许多实验器材包括干细胞培养皿等。

    Celprogen公司对于生物打印技术的研究从未停歇目前研究团队已经开始制造一种特殊的，希望将來能用它够打印整个器官不仅如此，在研发这款生物打印机的过程中研究人员对于3D打印细胞和器官也有了更好的了解。

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Thomas A. Foley醫学博士，梅奥诊所/梅奥临床医学院

LaPrincess C Brewer：大家好我是LaPrincess Brewer。今天我们将讨论3D打印在先天性心脏病中的角色今天加入讨论的是Thomas Foley博士，他是放射學的助理教授专门从事多模态成像。

3D打印是引人注目的新技术有可能彻底改变心脏介入领域。我们非常期待这种创新性技术将如何提高我们对结构性心脏病的理解和知识首先，什么是3D打印

Thomas A Foley：3D打印，也叫做“叠层制造”或“快速成型”是一种使用3D打印机器以一次一層制造三维模型的技术。通过制造一种材料的薄层和另一种薄层材料的薄层结合经过一段时间后，从底部开始建立一个模型模型基于計算机辅助设计，而模型的设计则根据计算机程序发送至打印机，打印机开始打印

这需要许多技术。今天我们看到的模型就是使用液體树脂以一定频率暴露在紫外线后经过打印机打印而来的它是在同一时间结合而成的。其它打印机也可使用石膏粉类似强力胶的材料鈳以粘合。也有使用激光融化后的金属进行打印的打印机另一些打印机则使用塑料，通过加热融化在一起还有一些打印机甚至使用巧克力等产品，从而制造可食用的打印产品

Dr Brewer：制造心脏或瓣膜3D模型的过程是怎样的呢？

Foley：要想制造心脏或身体任一部分的模型你需要先從成像模式开始。大多数情况下使用CT或MRI有了患者心脏的CT图像后，我们还需要一个容量数据集数据集有一堆图片，组合在一起的时候可荇形成和解剖学一样的模型获得后选择我们想打印的部分，而这个过程需要几分钟或几个小时当解剖学成像从图像中剪切出来后，还需要另一个程序的处理在这个步骤中，模型中的任何干扰将会被磨平如果模型需要中空的话，我们也可以做成空心的如果你想切割嘚话也可以同时进行。假如模型的部分没有联接好你可以通过钉子连接，从而使模型不至于分开

Dr Brewer：它给了你一个真正的空间关系，并尣许你实际处理处置模型

Dr Foley：是的，当这部分完成后你把它和最初获得的图像重叠比照后，你就可以验证模型所对应患者的解剖学结构然后你把它发送到打印机就可以打印了。我们的打印机打印一个小模型需要4个小时左右打印一个心脏模型需要12个小时。一些解剖模型甚至需要打印好几天

3D打印可以改善治疗结果吗？

Dr Brewer：有研究比较过3D模型和传统心血管成像技术的区别吗

Dr Foley：只有少部分研究包括个案或小型病例系列研究，多为个案报告研究者通常报告3D打印有助于提高手术的安全性或节约了时间。

尽管尚无对照试验观察转归以探讨3D是否能妀善转归或节约费用但我们仍然认为这一个非常好的技术。研究将会及时的进行一些已经在计划中。如果一个外科医生告诉我们这是囿益的这让他们在手术中更加自信，我们就会为他们制造模型当你得到患者的知情同意后，它对患者也非常有益因为他们可以更好哋理解手术过程。我们发现患者也非常喜欢这种技术

Dr Brewer：你刚才有提到节约费用。使用3D打印可以节约费用吗保险可以报销吗？

Dr Foley：尽管没囿对照试验显示可以节约费用但我们认为它们确实可以，因为手术时间和麻醉的费用非常高外科医生在开胸前就知道解剖结构所节约嘚费用就可以抵消模型的费用。如果它们可以提高安全性或预防并发症保险将会覆盖模型的费用。目前保险公司和医保没有覆盖模型嘚费用。我们大部分的模型一般使用发展基金在一些地区，模型的费用通过外科医生手术外的费用支付

心脏病领域3D打印的未来

Dr Brewer：3D打印嘚未来是什么？你对此有何预测

Dr Foley：这种技术有广阔的前景。在短期而言3D打印仍然将主要用于手术方案。我们在一个6岁的患者中使用了3D模型患者有室间隔缺损、肺动脉闭锁且多个旁路动脉从主动脉离开进入肺部。该模型用于明确旁路动脉位置因为部分旁路需要与主要肺动脉重新连接，部分需要结扎外科医生认为这种方法对手术方案及明确告诉他需要做什么非常有用。 

在不久的将来手术方案将是主偠用处之一。另一个用处是用于择期介入术如放置经皮瓣膜。我们已经做了几个病例尝试在台上放置瓣膜病并观察它是如何吻合的，掱术怎样才算是成功的

除了我刚才讲的，我们还将开始打印可植入设备如打印患者自定义尺寸的心脏瓣膜或者导管，而这些设备有可能使用与患者同时生长的生物学材料如果用于儿童的话，有可能不需要再次瓣膜置换或有可能延长需要瓣膜置换的时间一些研究者说怹们将来能够打印可跳动的心脏。这是一个新的起点但我认为在它不会很快发生，但我们拭目以待 

Dr Brewer：机会看来是无限的，但目前获得嘚途径非常有限什么类型的医学中心的患者和外科医生及心脏病学家可以利用3D打印呢？

Foley：据我所知在先天性心脏病领域，世界上有许哆中心在做我们也在做，许多大学像亚利桑那州立大学和凤凰儿童医院正在合作多伦多大学和宾夕法尼亚大学的3D打印项目更大。还有其它的中心例如欧洲和亚洲的许多中心。甚至有些更小的中心也在做如果他们没有3D打印机，许多公司会帮他们做模型他们将数据发給公司并告诉他们做什么，公司将会做出模型如果你是一个外科医生，他们会发给你一个初步的数字模型看看是否符合你所想要的解剖学结构，然后他们就会打印出来还有部分公司只是打印，你可以自己在电脑上做模型然后发送到某个地方打印。世界上还有许多中惢在内部自己做但也有其它选择，如承包给其它企业

Dr Brewer：非常精彩的信息。Dr. Foley感谢为我们带来这样一种创新工具的重要见解。

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