3D打印与组织工程心肌、心脏瓣膜、大血管及血管网的构建

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2015.43.026

中国组织工程研究 ›› 2015, Vol. 19 ›› Issue (43): 7029-7034.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2015.43.026

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3D打印与组织工程心肌、心脏瓣膜、大血管及血管网的构建

王璐，胡为杰，聂昊，孙小夕，洪鲜，席姣娅

华中科技大学同济医学院基础医学院生理学系，脑研究所，药物靶点研究与药效学评价湖北省重点实验室，湖北省武汉市 430030

收稿日期:2015-07-22 出版日期:2015-10-15 发布日期:2015-10-15
通讯作者: 席姣娅，副教授，华中科技大学同济医学院基础医学院生理学系，湖北省武汉市 430030
作者简介:王璐，男，1994年生，湖北省潜江市人，汉族，华中科技大学同济医学院在读博士，主要从事组织工程、干细胞研究。
基金资助:
国家自然科学基金(31100828)；华中科技大学自主创新基金(2013TS145)；国家级大学生创新创业训练项目(20150487075，20150487077)

3D printing technology in the construction of tissue-engineered myocardium, heart valve, great vessels and vascular net

Wang Lu, Hu Wei-jie, Nie Hao, Sun Xiao-xi, Hong Xian, Xi Jiao-ya

Department of Physiology and Chinese-German Stem Cell Center, Tongji Medical College, Huazhong University of Science and Technology, Brain Research Institute, the Key Laboratory for Drug Target Researches and Pharmacodynamic Evaluation of Hubei Province, Wuhan 430030, Hubei Province, China

Received:2015-07-22 Online:2015-10-15 Published:2015-10-15
Contact: Xi Jiao-ya, Associate professor, Department of Physiology and Chinese-German Stem Cell Center, Tongji Medical College, Huazhong University of Science and Technology, Brain Research Institute, the Key Laboratory for Drug Target Researches and Pharmacodynamic Evaluation of Hubei Province, Wuhan 430030, Hubei Province, China
About author:Wang Lu, Studying for doctorate, Department of Physiology and Chinese-German Stem Cell Center, Tongji Medical College, Huazhong University of Science and Technology, Brain Research Institute, the Key Laboratory for Drug Target Researches and Pharmacodynamic Evaluation of Hubei Province, Wuhan 430030, Hubei Province, China
Supported by:
the National Nature Science Foundation of China, No. 31100828; the Fundamental Research Funds for the Independent Innovation in Huangzhong University of Science and Technology, No. 2013TS145; the National Undergraduate Training Programs for Innovation and Entrepreneurship, HUST, No. 20150487075 and 20150487077

摘要/Abstract

摘要：

背景：由于3D打印技术具有高度的仿生性和复制精微复杂结构的优势，被广泛应用于骨科、整形美容、医学修复与心血管疾病的诊疗中。
目的：综述3D打印技术在构建心脏瓣膜、再生血管、工程心肌组织和心血管疾病模型等方面的研究进展、优势及存在的问题，并展望其临床运用前景。
方法：由第一作者检索PubMed数据库、CNKI数据库2013年4月至2015年4月的相关文献，检索关键词为“3D printing，cardiovascular system，rapid prototyping；3D打印，心血管，快速成型技术”。
结果与结论：目前，3D打印技术涉及了心血管研究和应用的各个方面，在组织工程心肌、组织工程心脏瓣膜、组织工程大血管及血管网的构建上已有突破性进展，3D打印方案逐渐完善，其应用已从实验室研究走向临床应用。但在更广泛的运用前还有很多亟待攻克的难题，最为突出的问题之一是如何保证打印器官或组织的血供问题，尽管目前3D打印的管状结构已基本保证了组织器官的血供需求，但毛细血管的超微结构难以通过图像重建模仿，在构建局部微循环方面还有待进一步突破。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

关键词: 生物材料, 材料相容性, 快速成型技术, 3D打印, 心血管系统, 干细胞, 医学修复, 组织构建, 国家自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: The 3D printing that has high-level bionic ability and reproduces subtle and complex structure has been widely used in orthopedics, plastic surgery, medical repair and diagnosis and treatment of cardiovascular diseases.
OBJECTIVE: To review the research about development, advantages and existing problems of the 3D printing technology in building heart valves, blood vessels, tissue-egnieered myocardial tissue and cardiovascular disease models in recent years and to prospect its clinical applications.
METHODS: The PubMed and CNKI databases were searched by the first author for related papers about 3D printing and cardiovascular system published from April 2013 to April 2015. The key words were “3D printing, cardiovascular system, rapid prototyping” in English and Chinese, respectively.
RESULTS AND CONCLUSION: Currently, the 3D printing technology has be applied widely in cardiovascular system research, and achieved a breakthrough in aspects of constructing tissue-engineered myocardium, heart valve, great vessels and vascular net. The 3D printing can be improved gradually from the laboratory application to the clinical application. However, there are still many important issues to be solved. One of the key issues is how to guarantee the blood supply of the targeted organs or tissue. Currently, the basic blood supply of the printed tissues and organs is achieved by the printing tube structure. However, to build the regional microcirculation should be improved because the image reconstruction technique is not suitable to imitate the ultrastructure of capillary.
中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

Key words: Tissue Engineering, Biocompatible Materials

王璐，胡为杰，聂昊，孙小夕，洪鲜，席姣娅. 3D打印与组织工程心肌、心脏瓣膜、大血管及血管网的构建[J]. 中国组织工程研究, 2015, 19(43): 7029-7034.

Wang Lu, Hu Wei-jie, Nie Hao, Sun Xiao-xi, Hong Xian, Xi Jiao-ya. 3D printing technology in the construction of tissue-engineered myocardium, heart valve, great vessels and vascular net[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2015, 19(43): 7029-7034.

图/表（结果） 2

2.1 3D打印的工具、原材料和基本步骤 3D打印所需的工具主要有图像信息获取工具、计算机图像处理器、打印材料及3D打印机类型。图像信息获取工具包括MRI、CT、彩超等临床常用的影像学工具^[7-8]，选择适合不同部位的影像工具和使用影像工具的技术水平，是决定3D打印精细度与分辨率的两个关键因素，对3D打印模型的使用价值有重要影响^[8]。计算机图像处理器作为将图像转为数字化信息的桥梁，其建模能力在一定程度上也影响3D打印的质量和效率^[7]。打印方式、打印材料及打印机类型需相互配合，可根据打印方式和具体的打印材料选择不同类型的3D打印机，以及打印原材料^[9]，保证在不影响打印材料生物活性的前提下提高打印效率。

3D生物打印的原材料可大致分为两类：骨架材料和种子细胞。目前用于3D打印的骨架材料主要有水凝胶、聚乳酸羟基乙酸共聚物、丙烯酸盐、纤维素、明胶、藻酸盐等^[10-13]。种子细胞类型多样，如脐带血内皮细胞、血管内皮细胞、心肌细胞、成纤维细胞等^[10-15]。根据不同的打印需求及打印环境自身所具备的特性，选取合适的打印方法与原材料是3D打印出结构与功能良好的组织或器官的关键。

3D打印的常规步骤如图1所示，包括图像获取、数据设计、材料选择、细胞选择、生物打印与应用^[42]。

2.2 3D打印与心血管组织工程

2.2.1 3D打印心脏瓣膜心脏瓣膜结构精细，具有重要的生理功能，为先天性、风湿性、感染性等疾病常易累及的组织，构建心脏瓣膜是生物组织工程及再生医学研究的热点之一^[4^，^16]。由于心脏瓣膜具备调控射血方向、弹性运动和承受液压高等动力学特点，3D打印技术在心脏瓣膜的研究尤为重要与实用。Mahmood等^[3^，^17]通过经食管心脏超声获取人二尖瓣的动态影像学数据，再使用立体光刻的3D打印技术分别构造出二尖瓣在收缩期和舒张期的实体模型，全过程仅仅使用30 min。该研究通过对模拟组织结构、大小、体积的3D图像重建与模拟定量可视化的打印，使得自体组织的移植及术前手术模拟成为可能，该研究重点着眼于心脏瓣膜生理运动参数的采集，而在瓣膜体内生理功能的研究上甚少。

为了进一步模拟人体内环境与重构组织的生物相容性，Lueders等^[5]通过分析心脏半月瓣在3D打印中的热力学、材料学特性及移植细胞的功能，在构建心脏瓣膜3D打印流程的基础上着重研究了瓣膜骨架材料和种子细胞种类对3D打印心脏瓣膜的影响。与之前研究不同的是，该研究认为通过CT获取瓣膜结构图像，以水凝胶和脐带血干细胞为原材料，采用激光烧结的3D打印方法制备出具有良好生物功能特性的心脏瓣膜，为3D打印心脏瓣膜研究提供了重要参考依据。

相比3D打印血管结构，组织工程瓣膜需要有良好的韧性及耐久度，便于在长期的心脏瓣膜活动中保持原有的功能结构，因此对于原材料及打印方式要求较高，对于生物活性要求较低^[4]。同时3D打印的瓣膜尚存在组织边缘粗糙、移植细胞选取困难、移植后功能难以完全恢复等缺陷，这些共性技术难题还有待进一步研究探讨^[3-5]。

2.2.2 3D打印血管器官内毛细血管网与人体大血管空间结构精细而复杂，生理功能特殊。构建人工血管是在再生医学中是一个难点，也是热点^[18]。组织工程中构建大血管与毛细血管的目的存在一定差异。构建大血管的主要目的是获取管腔结构，为靶器官运输血液，在原材料的选取和材料生物活性上不必考究太多；构建毛细血管的目的不仅是改善血液微循环，更希望实现血细胞的功能，如血氧供应、免疫反应等^[10-11]。

3D立体打印与双光子聚合技术的结合，使得构建个体化精细的弹性血管成为可能^[19]。Biglino等^[20]着重研究了管壁厚度、压力和体积等主动脉打印的相关数据，完成了右心室带肺动脉瓣模型的构建，以及3D打印材料的功能测评。该研究组使用心血管MRI获取结构数据，采用Polyjet打印技术在Tangoplus打印机上用橡胶类似物打印出降主动脉及主动脉弓的模型，采用水平方向和垂直方向分层环形打印构建研究模型，为研究3D打印血管模型的生理变化规律及其在心脏介入治疗中的运用提供重要依据^[20]。

在打印大血管、心腔模型和探索其生理变化规律等研究的基础上，打印功能性微血管也有一定突破。Lee等^[10]围绕3D打印组织器官的血供难题，使用熔积成型3D打印技术，以胶原、水凝胶和脐带静脉血内皮细胞为原材料，打印出直径为1 mm、长5 mm、组织结构致密、可阻拦大分子物质渗出、具有血管动力学特性的微血管床模型；他们发现脐带静脉血内皮细胞可自然生长于由胶原和水凝胶构成的骨架上，并在生长和增殖过程中自然形成血管分支结构，构建出相对完美的毛细血管床模型，较好地实现了小血管微循环、血管渗透性功能及靶器官的血液供应。

与打印瓣膜结构相比，打印工程血管更加强调血管的生物活性，因此往往以自然组织的分化与构型为研究契机，通过先构建具有承载生物活性能力的骨架结构，再打印分化成熟的细胞或通过干细胞再分化来实现打印血管的生理功能^[11-13]。为了提高功能血管的存活率及生物稳定性，Christensen等^[11]使用喷墨打印技术，以CaCl₂为支持液、以藻酸盐为细胞外基质、以小鼠成纤维细胞为种子细胞，通过水平和垂直双向打印构建出微血管树模型；同时他们发现，细胞植入后24 h的细胞存活率达到90%，使得微血管打印在打印效率、结构功能、存活率上都得到了较大提高。为了进一步提高微血管的存活时间，Poldervaart等^[12]则重点研究了细胞因子缓释放对3D打印模型中种子细胞生存率的影响，他们使用明胶微粒包埋维持3D打印器官内血管内皮生长因子的浓度，促使微血管再生、种子细胞存活、增殖和分化，发现细胞植入3周后，人内皮祖细胞仍保持良好的活性与迁移率，提示细胞因子缓释能显著提高3D打印模型中种子细胞的生存率。他们的研究为提高打印功能血管的生物稳定性和存活率提供了新思路，为细胞因子缓释在3D打印中的运用提供了重要的理论基础。

研究者们也对如何提高打印血管的精度及效率提出了新的思考。Zhao等^[13]利用纤维素、胶原、聚乳酸羟基乙酸共聚物等原材料，先以3D打印构建具有内连接通道的骨架结构，再把脂肪干细胞打印到骨架结构内，诱导脂肪干细胞分化成为内皮细胞和平滑肌细胞，构建出人工血管，为打印具有良好生物相容性的血管结构，以及具有复杂供血系统的人工器官提供了研究基础，同时也为解决工程组织的血供问题提供了新方法。

2.2.3 3D打印与心肌组织工程工程心肌构建中细胞外基质的制备、功能细胞的选取及活性材料的生物组合一直是心肌组织工程研究的难点和热点，3D打印技术提供了解决问题的新途径。3D打印技术应用到心肌组织工程需满足以下条件：第一，打印环境要适应细胞外基质构建和种子细胞存活的生理微环境；第二，打印所需的骨架材料要具有可溶、可凝、可降解特性；第三，种子细胞应具有类似心肌细胞的电生理特性或具有向心肌分化的潜能^[5]。

Pati等^[14]以脂类薄膜包裹的液滴为原材料，应用3D生物打印技术制备出网状细胞外基质，其质地与大脑或脂肪类似，具有肌肉样折叠、神经元样通信网格结构的特性，是修复衰竭器官的良好材料；原材料液滴只有 5 µm(约为5个心肌细胞的大小)，能保证打印出的组织结构的整体性及精细度更高。Petrochenko等^[15]使用特殊的生物可降解尿烷和以丙烯酸盐为基础的光弹性材料，通过激光烧结3D打印技术打印出能够适宜骨髓干细胞生长的，具有良好弹性、可塑性及生物活性的光化学心肌生物组织材料。这标志着3D生物打印技术与生物化学、物理化学、结构学等技术的完美结合，3D打印无论在选材、打印技术和结构整体构建上均发展到科技前沿水平。

但是，作为组织工程心血管构建的最终目标，心肌组织的生物打印还存在很多亟待解决的问题，比如如何实现工程心肌的整体电生理协调性，如何提高工程心肌的韧性与耐久度，以及如何提高工程心肌组织的血供等^[33-34]。

2.2.4 3D打印心血管组织和疾病模型的临床应用 3D打印技术的发展方向之一是从构建解剖模型向构建功能模型的转型^[21-23]；器官模型的构建也为临床外科医生的手术前方案的制定及医学生的解剖教学提供了特殊途径^[24-29]。Dankowski等^[24]为了使得心脏介入术能够更为精准地进行，3D打印出心肌与瓣膜模型，提前分析入心手术的途径与方法，提高了经皮心脏二尖瓣环形成形术的成功率，并减少术中射线下的曝光时间。心脏肿瘤较为罕见，Schmauss等^[25]用3D打印技术构建出原发性心脏肿瘤模型，较好地展现出心脏肿瘤导致的心脏解剖结构上的变异，为肿瘤病理生理学功能的评估及手术方案的制定提供预判依据。Samuel等^[26]3D打印出充血性心力衰竭模型，与其他的生物仿真心力衰竭模型相比，3D打印模型能够更加真实地反映心脏整体的结构变化与未知的局部病变，更加详细地为病变结构对心脏功能的影响提供可靠信息，可用于心力衰竭程度的评估与临床精准化用药、医学教学、手术方案的制定和病变转归的预后等。

由于心血管疾病模型的3D打印产物并不需要植入到机体组织，仅仅用于疾病评估与治疗方案的选取，不需要考虑其生物活性和生物兼容性，因此相对难度较小，进展迅速，目前已经逐渐应用于临床研究和教学工作中。但由于影像学技术的高度发展及临床工作人员良好的影像掌握能力，临床解剖定位往往可以通过单纯的影像学诊断解决，3D打印器官模型在临床应用中还比较局限，主要用于复杂精细或动态功能解剖中^[22-25]。

此外，3D打印技术在构建在包括心脏起搏器在内的医疗材料方面也发挥着重要作用^[30-31]。Erkal等^[32]采用不同的导电与绝缘材料，通过3D打印技术控制材料注入的方向与剂量，将生物相容的封装材料注入体内固化成型，实现活体靶组织的介入打印。

2.3 存在的问题目前，3D打印技术涉及了心血管研究和应用的各个方面，在工程心肌^[33-34]、工程心脏瓣膜^[35]、工程大血管及血管网的构建上已经有突破性进展^[36-37]，3D打印方案逐渐完善，原材料的选取及打印技术的不断成熟，其应用已从实验室研究走向临床应用^[38-42]。但在更广泛的运用前，还有很多亟待攻克的难题。技术的优点和缺陷如图2所示，其中最为突出的问题之一是如何保证打印器官或组织的血供问题。尽管目前3D打印的管状结构已经基本保证了组织器官的血供需求，但毛细血管的超微结构难以通过图像重建模仿；在构建局部微循环时，如何提高血细胞在毛细血管中的可渗透性和实际组织获氧含量等方面还有待进一步突破^[41]。此外，组织或器官图像的获取与分析、打印机的类别选取不当或现有技术的不完善均可能导致表面分辨率低，引起产品失真^[3]，因此如何选取既适于打印又符合打印需求的生物材料也是不能忽视的难题，选取何种种子细胞以降低或避免免疫排斥反应也需要进一步研究^[10-13]。最后，3D打印产品易复制模仿所带来产权问题、现有3D打印总体成本高难以应用于市场也是3D技术研究和应用需要解决的问题。

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3D打印与组织工程心肌、心脏瓣膜、大血管及血管网的构建

3D printing technology in the construction of tissue-engineered myocardium, heart valve, great vessels and vascular net

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