Prospect and retrospect of 3D bio-printing

3D bioprinting has become a popular medical technique in recent years. The most compelling rationale for the development of 3D bioprinting is the paucity of biological structures required for the rehabilitation of missing organs and tissues. They're useful in a multitude of domains, including disease modelling, regenerative medicine, tissue engineering, drug discovery with testing, personalised medicine, organ development, toxicity studies, and implants. Bioprinting requires a range of bioprinting technologies and bioinks to finish their procedure, that Inkjet-based bioprinting, extrusion-based bioprinting, laser-assisted bioprinting, stereolithography-based bioprinting, and in situ bioprinting are some of the technologies listed here. Bioink is a 3D printing material that is used to construct engineered artificial living tissue. It can be constructed solely for cells, but it usually includes a carrier substance that envelops the cells, then there's Agarose-based bioinks, alginate-based bioinks, collagen-based bioinks, and hyaluronic acid-based bioinks, to name a few. Here we presented about the different bioprinting methods with the use of bioinks in it and then Prospected over various applications in different fields.     

3D bio-printing technology for body tissues and organs regeneration

In the last decade, the use of new technologies in the reconstruction of body tissues has greatly developed. Utilising stem cell technology, nanotechnology and scaffolding design has created new opportunities in tissue regeneration. The use of accurate engineering design in the creation of scaffolds, including 3D printers, has been widely considered. Three-dimensional printers, especially high precision bio-printers, have opened up a new way in the design of 3D tissue engineering scaffolds. In this article, a review of the latest applications of this technology in this promising area has been addressed.     

3D生物打印技术及其在组织工程中的应用

3D生物打印是在3D打印(three-dimensional printing,3DP)和组织工程等多学科融合的基础上发展出来的一种新兴应用技术,该技术能够根据数字化的模型设计将生物材料和/或细胞打印成三维生物功能体,被广泛应用于血管、骨骼等组织的再生与重建领域.     

生物三维打印细胞负载水凝胶类组织的精准优化

生物三维打印技术与水凝胶的完美结合,可为制造复杂结构功能的组织器官提供一种极具吸引力的解决方案。定制打印细胞负载水凝胶类组织的内部结构,可以更好地仿生真实组织器官的三维微环境,对打印后细胞生长、组织形成和功能再生至关重要。但水凝胶理化特性多变,精准打印与设计结构匹配的多孔结构仍然极具挑战。提出基于光学相干层析成像技术(OCT)的生物三维打印细胞负载水凝胶类组织的精准优化方法,通过自制的三维扫频OCT系统无损在线成像打印组织块和定量评价结构参数,迭代降低设计与打印间的结构差异,提高细胞负载水凝胶打印的精准性和稳定性。实验结果表明,基于OCT无损定量表征结果反馈优化打印参数设置,指导打印过程,使得细胞负载水凝胶类组织的结构形态参数与设计值的偏差从40%左右控制到7%以内,包括内部孔隙尺寸、支撑尺寸、孔隙率、表面积、体积五项关键参数;细胞培养两周后的存活率从80%左右显著提高到90%以上。研究表明OCT技术为批量定制细胞负载水凝胶类组织、生物三维打印组织和器官等提供了具有潜力的精准化工具。     

利用逆向工程技术开展脊柱三维稳定性测试的研究

目的:利用逆向工程技术建立脊柱三维稳定性测试方法,验证其测试精度。方法:人体枕颈段标本(O￣C5)上、下端包埋后在每个椎体处插入标志物,在M TS实验机上施加载荷模拟颈椎屈伸、侧弯及轴旋运动,由激光三维扫描仪采集标志物的运动信息,通过软件计算枕颈段椎骨各方向的运动范围及中性区;并将标志物固定于精度可达0.01m m及0.01°的K O H ZU精密测试平台上,由激光三维扫描仪采集标志物的运动信息,通过软件计算其运动参数,检测激光三维扫描仪的测试精度。结果:激光三维扫描仪采集脊柱标志物加载及卸载时的位置信息,通过软件中注册及变换功能,计算出各运动方向的运动范围及中性区,实现脊柱三维稳定性的测试;通过与K O H ZU精密测试平台的比较,发现利用激光三维扫描仪开展稳定性测试的精度可达到0.1°。结论:利用逆向工程技术可实现脊柱的三维稳定性测试,其精度可满足实验要求。     

基于3ds Max技术内耳模型的3D打印

目的利用3ds Max软件制作内耳模型,然后用熔融沉积型3D打印机进行内耳模型打印。方法首先用3ds Max软件以网格化修饰构建内耳模型,经Repetier-Host软件处理后利用熔融沉积型3D打印机进行打印。结果利用3ds Max软件制作的内耳模型可以通过熔融沉积型3D打印机打印内耳解剖模型,并能清晰显示内耳的解剖结构。结论将3ds Max技术与熔融沉积型3D打印机相结合进行人体解剖模型打印可以成功打印出人体解剖模型。     

3D打印技术在硬组织领域的应用进展*

[摘要]近年来，随着3D打印技术的不断发展与成熟，其在医学领域的应用大有增长的趋势，国内外不少专家、学者正在进行大量尝试，试图充分应用该技术服务人类的医疗行业。文章就3D打印技术的基本原理、3D打印材料及该技术在医疗领域应用现状作简要描述与说明，使读者对3D打印技术及其在医疗领域的应用有初步了解。     

3D打印骨组织工程支架的制备技术

近年来,随着3D打印技术的飞速发展,人们开始通过3D打印技术去不断完善适合不同需求的定制骨组织工程支架。由于组织工程制造的支架是需要植入生物体内的,这就对支架有着极为严苛的要求。3D打印技术作为一种新兴制备骨组织工程支架的技术,其最大的优点是可以依照需求来定制个性化形状、结构,良好的宏微观结构、润湿性、机械强度和细胞反应的新型骨组织工程支架。本文回顾了2014―2019年间对骨组织工程支架的研究,对3D打印骨组织工程支架进行了总结,并且介绍了在多功能骨组织工程支架设计与制作中的理念与研究。     

3D打印技术在生物学中的应用与进展

现代成像技术是生物医学领域中的一个重要组成部分。然而,由于传统的2D方法所具有的代表性,使得许多包含3D 重建的传统方法被限制。3D 打印,也被称作快速原形技术或者增材制造技术,它是通过电脑辅助,分层加工、逐层叠加的方式获得三维产品,曾经应用在工业与制造领域中。3D 成像分析会提供比2D 放射线照相技术更详细的信息,由于3D 打印的这些附加优点,因此它可以应用于术前计划以及再生治疗中。现如今,3D 打印技术已经被广泛的应用于医学领域。例如,3 D 打印技术的应用已经被延伸到组织或器官的生物细胞打印,组织工程中骨架的创造以及在多样的医学领域中的实际临床应用。本文就目前3D 打印技术在生物学中的应用及进展加以综述。     

3D打印多孔钛支架微观孔隙结构和力学性能

目的研究3D打印技术制造的钻石分子结构多孔钛支架的微观孔隙结构和力学性能,指导3D打印多孔钛骨科植入物的开发。方法采用选择性激光熔化(selective laser melting,SLM)和电子束熔化(electron beam melting,EBM)两种金属3D打印制造工艺,制造钻石分子结构多孔Ti6Al4V支架。使用光学显微镜和扫描电镜观察其微观孔隙结构,并使用万能材料试验机对这些支架进行压缩测试。结果两种3D打印制造工艺都会存在加工误差,并且在表面存在半熔融金属颗粒。SLM工艺相对误差为20.9%~35.8%。EBM工艺相对误差为-9.1%~46.8%,且制造不出杆件宽度为0.2 mm的支架。SLM工艺制造的支架抗压强度为99.7~192.6 MPa,弹性模量为2.43~4.23 GPa。EBM工艺制造的支架抗压强度为39.5~96.9 MPa,弹性模量为1.44~2.83 GPa。结论 SLM工艺比EBM工艺制造精度高。支架的孔隙率是影响其抗压强度和弹性模量的主要因素,相同工艺的情况下,孔隙率越大,抗压强度越小,弹性模量也越小;相近孔隙率的情况下,SLM工艺比EBM工艺强度高,弹性模量也高。     

Enhanced enrichment of prostate cancer stem-like cells with miniaturized 3D culture in liquid core-hydrogel shell microcapsules

Cancer stem-like cells (CSCs) are rare subpopulations of cancer cells that are reported to be responsible for cancer resistance and metastasis associated with conventional cancer therapies. Therefore, effective enrichment/culture of CSCs is of importance to both the understanding and treatment of cancer. However, it usually takes approximately 10 days for the widely used conventional approach to enrich CSCs through the formation of CSC-containing aggregates. Here we report the time can be shortened to 2 days while obtaining prostate CSC-containing aggregates with better quality based on the expression of surface receptor markers, dye exclusion, gene and protein expression, and in vivo tumorigenicity. This is achieved by encapsulating and culturing human prostate cancer cells in the miniaturized 3D liquid core of microcapsules with an alginate hydrogel shell. The miniaturized 3D culture in core–shell microcapsules is an effective strategy for enriching/culturing CSCs in vitro to facilitate cancer research and therapy development.     

Correlation of vascular endothelial growth factor-D expression and VEGFR-3-positive vessel density with lymph node metastasis in gastric carcinoma

Lymph node metastasis is an important prognostic factor in gastric cancer. Vascular endothelial growth factor-D (VEGF-D) is a lymphangiogenic growth factor that activates VEGF receptor (VEGFR)-3, a receptor expressed in the lymphatic endothelium. We investigated the clinical value of VEGF-D expression and VEGFR-3 positive vessel density in gastric carcinoma with regard to lymphangiogenesis. Immunohistochemical staining was used to determine the expression of VEGF-D and VEGFR- 3 in specimens from 104 cases of resected gastric cancer. VEGF-D expression was observed in 62.5% of the gastric cancers and in 9.6% of the non-neoplastic gastric tissue. The VEGFR-3-positive vessel density was significantly greater in the VEGFD positive group than the negative group. VEGF-D expression was significantly associated with lymph node metastasis, increased serum CEA levels, and the nonsignet ring cell type. The VEGFR-3-positive vessel density was correlated with tumor size, lymphatic invasion, and lymph node metastasis. The VEGF-D expression and high VEGFR-3-positive vessel density were significant poor prognostic factors for relapse-free survival. These results suggest that VEGF-D and VEGFR-3-positive vessel density are potential molecular markers that predict lymphatic involvement in gastric carcinoma.     

骨科个体化治疗与3D打印技术

个体化治疗是骨科发展的一个重要方向,无论是个体化假体的应用还是常规假体的个体化植入,理论上均可改善骨关节假体与邻近骨性结构的匹配,从而改善病患功能状态。个体化治疗理论上的优越性无法代偿其在术前规划、设计、制造等方面程序上复杂及时限上滞后的缺陷,因而,个体化治疗常常停留在一种曲高和寡的概念。伴随图像技术的发展及3D打印技术的成熟,个体化设计及制造的生产效率有望显著提高,从而弥补传统个体化治疗效率上的不足,将个体化从概念落地为治疗理念。     

Multi-generational analysis and visualization of the vascular tree in 3D micro-CT images

Micro-CT scanners can generate large high-resolution three-dimensional (3D) digital images of small-animal organs, such as rat hearts. Such images enable studies of basic physiologic questions on coronary branching geometry and fluid transport. Performing such an analysis requires three steps: (1) extract the arterial tree from the image; (2) compute quantitative geometric data from the extracted tree; and (3) perform a numerical analysis of the computed data. Because a typical coronary arterial tree consists of hundreds of branches and many generations, it is impractical to perform such an integrated study manually. An automatic method exists for performing step (1), extracting the tree, but little effort has been made on the other two steps. We propose an environment for performing a complete study. Quantitative measures for arterial-lumen cross-sectional area, inter-branch segment length, branch surface area and others at the generation, inter-branch, and intra-branch levels are computed. A human user can then work with the quantitative data in an interactive visualization system. The system provides various forms of viewing and permits interactive tree editing for "on the fly" correction of the quantitative data. We illustrate the methodology for 3D micro-CT rat heart images.     

利用2D/3D配准技术开展直立位颈椎椎间孔形态学测量的可行性研究

目的　探讨利用2D/3D配准技术开展直立位颈椎椎间孔形态学测量的可行性研究。 方法　采集7位健康成年志愿者颈椎的CT影像,对其进行三维重建获得颈椎三维模型,并采集同一志愿者保持同一姿势时的颈椎直立正侧位X线平片,在图像处理软件Mimics中建立虚拟X线场景,采用2D/3D图像配准还原摄平片时颈椎的位置,并利用Rapidform XOR3软件测量两种位置的椎间孔面积。 结果　利用2D/3D图像配准方法,可获得颈椎直立位的三维位置数据,共测得56个椎间孔卧位及直立位两位置椎间孔面积,卧位椎间孔面积为(50.9±14.2) mm2,直立位椎间孔面积为(83.6±23.5) mm2,差异具有统计学意义（t=-8.107,P<0.05）。 结论 利用2D/3D配准技术可获得颈椎直立位椎间孔的形态学参数,直立位与卧位椎间孔有显著差异,但其准确性需要进一步的研究验证。     

3D打印技术应用于关节置换术的现状及问题对策探讨

近年来,个体化、精确化成为骨科发展的一个重要方向。3D打印技术是材料领域中出现的一项快速成型的新技术,能够将抽象的三维数字模型转变为直观、立体的实物模型。目前该技术已广泛应用于骨科手术中,不仅协助医师进行术前规划,并且能降低术中及术后并发症的发生。本文主要探讨3D打印技术应用于人工关节置换术中的现状、存在的问题并提出对策分析,进一步对其应用前景进行展望。     

3D打印技术在髋臼双柱骨折手术治疗中的辅助作用

目的探讨3D打印技术在髋臼双柱骨折手术治疗中的辅助作用。方法回顾性分析2012年1月至2018年11月本院创伤骨科治疗并获得随访的19例髋臼双柱骨折患者,在术前采用3D打印技术制作骨盆髋臼模型并在该模型上完成预手术、钢板塑形、术前规划,最终实施切开复位内固定手术。所有患者术前均采集骨盆髋臼CT数据,进行三维重建,将数据输入3D打印计算机软件,采用3D打印技术打印骨盆模型,进行术前规划及模拟手术。统计患者的手术时间、术中出血量、术后骨折复位情况及髋关节功能评分。末次随访根据改良的Merle d’Aubigne和Postel评分标准评定临床结果。结果本组19例髋臼双柱骨折患者均获得良好的骨折复位。手术时间为1.5~3.6 h,平均2 h;术中出血量为220~1 300 mL,平均523 m L;骨折愈合时间为9~16周,平均13.2周。末次随访根据改良的Merle d’Aubigne和Postel评分标准:优10例,良7例,可1例,差1例,优良率89.5%。结论利用3D打印技术,在术前能为髋臼双柱骨折患者制定精准的手术方案,缩短手术时间,缩短创伤骨科医师的学习曲线,临床效果良好。     

3D打印个体化治疗方案在复杂肩胛骨骨折中的应用

目的探讨3D打印个体化治疗方案在复杂肩胛骨骨折中的临床疗效。方法收集南京医科大学第二附属医院复杂肩胛骨骨折患者9例,所有病例采用3D打印技术建模,术前模拟手术,定制个性化解剖钢板后进行手术治疗,记录手术所需时间、出血量多少、定制解剖钢板的长度、弧度以及螺钉方向和数量,术后复查X片及CT,观察骨折愈合时间,Hardegger肩关节功能评定标准评定疗效。结果所有病例术后随访3~8月,手术时间(90±15)min,术中出血量(180±60)m L手术入路与术前设计一致,所用内固定物的长度、弧度、螺钉数量和方向与设计手术方案完全一致;骨折愈合时间7~11周,平均8.8周;参照Hardegger肩关节功能评定标准,优良率100%。结论 3D打印个体化治疗方案治疗复杂肩胛骨骨折,可以给每一位复杂肩胛骨骨折患者设计个体化解剖形内固定物,制定个性化手术方案,并且具有减少手术创伤、缩短手术时间、降低手术难度等优势,临床疗效满意,值得推广。     

3D打印个体化治疗方案在骨盆骨折中的应用

目的探讨3D打印个体化手术治疗方案在骨盆骨折中的临床疗效。方法收集南京医科大学第二附属医院骨盆骨折的患者22例,随机分为3D组和对照组,3D组病例采用3D打印技术建模,术前模拟手术,定制个体化解剖钢板后进行手术治疗,对照组常规手术治疗,所有病例记录手术所用时间、出血量和内固定物的长度、弧度、螺钉数量和方向,术后应用Matta评分评估疗效,比较两组病例手术时间、术中出血量的差异。结果所有病例术后随访2~8月,Mata评估标准均为优,3D组手术时间为(60±12)min,较对照组明显缩短,术中出血量为(218±63)m L,较对照组明显减少,手术入路与术前设计一致,内固定位置与术前手术方案设计完全一致。结论 3D打印个体化治疗方案治疗骨盆骨折,可以给每一位骨盆骨折患者设计个体化解剖形内固定物,制定个性化手术方案,并且具有减少手术创伤、缩短手术时间、降低手术难度等优势,临床疗效满意,值得推广。     

骨髓间充质干细胞联合3D生物打印技术治疗骨缺损的研究进展

骨缺损一直以来都是临床治疗中的难题,目前主要是行自体骨或人工骨移植治疗。但自体骨取骨的损伤和人工骨资源有限且价格昂贵使得骨移植手术在临床广泛应用受到限制。近年来国内外学者对骨髓间充质干细胞诱导分化成骨的研究愈加重视,对其分离提取和定向分化的研究取得了长足的进步。骨髓间充质干细胞可向成骨细胞、软骨细胞等分化且不存在排斥反应及伦理问题,其结合3D生物打印技术修复骨缺损具有精准化和可控性的优势,是一种极具潜力和应用前景的新型骨缺损修复技术。文章对骨髓间充质干细胞的生物学特性、成骨诱导及结合载体支架治疗骨缺损的研究进行阐述,为今后在骨缺损的临床治疗中提供理论依据。