生物打印在神经外科领域中的研究进展

生物3D打印技术代表着当前医疗及科研行业的重点发展方向之一，率先在骨科获得广泛临床应用，在神经外科、口腔、肝胆及肿瘤等科室领域内也已获得一定的探索应用，具体应用研究涵盖了医学模型、复杂组织工程支架制造、组织再生与修复、个性化肿瘤精准医疗模型以及高端植入类器械的制造等多个方面[1]。针对神经外科领域的研究，生物3D打印技术与临床已形成紧密结合，在手术治疗及前沿研究等方面均有深度融合。本文主要聚焦神经外科领域，根据神经外科中常见的专业分类，并结合国内外开展生物3D打印技术发展情况，探讨生物3D打印技术在神经外科领域中的发展和应用机遇，现综述如下。

一、生物3D打印技术概况

生物3D打印技术是指以加工生物材料、活性物质及活细胞等作为打印对象，经特殊的打印装置，按照设定好的程序运行后，所形成具有三维立体结构的类组织体，可广泛应用于细胞生物学、再生医学以及组织工程修复等领域[2,3]。对于神经外科临床科室，脑肿瘤、颅骨修补、神经和血管再生修复等研究一直属于热点，也是急需解决的重大民生问题，国内外已有很多团队结合生物3D打印技术在上述领域开展相关研究。

二、生物3D打印技术在国内外神经外科领域的研究现状

（一）脑肿瘤治疗领域

脑肿瘤已成为危害人类生命健康的重要肿瘤之一，全球发病率逐年升高。基于患者的影像数据，3D打印医学模型可用于辅助临床手术，缩短手术时间，提高手术成功率，目前在临床癌症治疗方面已有多方面研究报道。2015年，日本Mashiko等[4]和Kimura等[5]研究团队分别利用3D打印技术制作出医学3D打印血管模型，从颅内结构、材质以及手术入路方式等多方面高度仿真真实动脉瘤血管的解剖部位。2015年中国Tai等[6]研究团队开发出可用于脑室穿刺手术训练的教学培训的医学3D打印模型，并且为了用于降低材料成本，设计和打印上采用拆卸后再组装方式，辅助临床医师提高手术技能掌握。2016年，苏州大学附属第二医院兰青团队在国内率先使用3D打印全彩医学模型用于重构动脉瘤模型，辅助术前选择合适的手术器械以及最佳的手术入路方式，精准指导手术[7]。3D打印医学模型主要是在体外应用，在术前帮助医生和患者更加直接地了解病情或是辅助临床手术，提供更加精准的个性化手术治疗方案。3D打印医学模型具有多色彩、多材质等特点，便于临床观察以及仿真解剖结构，但是无法满足临床上对手术切除后缺损处的组织部位再生修复等方面的需求。

随着生物3D打印技术的不断发展，已逐渐形成结合临床需求和应用为出发点的再生修复和肿瘤领域内的研究。2018年，苏州大学附属第二医院和清华大学团队合作研究了生物3D打印技术在胶质瘤细胞模型、肿瘤微环境以及成血管化等方面进行研究，对比传统的二维细胞培养方式，研究证实生物3D打印后的肿瘤细胞在细胞增殖、分化、干性能力保持以及动物体内致瘤实验上均表现出明显的差异性，为脑肿瘤的发生机制及个性化药物精准治疗提供理论研究模型[8-11]。生物3D打印通过模拟肿瘤细胞生长的微环境，能够成功构建出具有三维立体结构的脑肿瘤模型，但是该模型中选取了细胞系作为研究对象，对于临床应用指导癌症患者用药方面，与患者肿瘤组织在生物学特性上存在一定的差别，难以实际反映患者的真实情况，无法真正指导临床。然而，2019年韩国Dong-Woo Cho研究团队在应用层面率先利用生物3D打印技术结合患者来源的原代细胞，成功构建了针对特定患者的个性化胶质母细胞瘤（glioblastoma，GBM）芯片，将患者来源的肿瘤细胞、血管内皮细胞以及猪来源的脑组织脱细胞后的细胞外基质构建了具有同心环结构的肿瘤组织芯片，高度仿生模拟真实GBM组织特性，用于观察体外环境下放射、化学治疗对患者肿瘤芯片的细胞学行为变化，并对比临床观察不同患者对替莫唑胺同步放射、化学治疗的特异性反应，帮助评估不同药物组合方式对肿瘤患者的治疗效果，为临床方案的精准用药指导提供依据[12]。

（二）再生型颅骨修复

因交通事故、疾病发生等各种原因导致的颅脑创伤患者数量逐年升高，临床上颅骨修补产品种类多样，按材料划分以人工合成材料为主，其中包括硅胶、聚甲基丙烯酸甲酯、钛网、聚醚醚酮等，这些材料均为不降解材料，且具有一定的生物惰性，这些材料能够满足颅骨缺损处的修补，但是缺少生物活性，与自体骨之间骨融合性差，尤其对于小儿患者，无法满足颅骨再生的需求。因此，对于可再生型颅骨的研究具有一定的临床需求。据报道，2016年美国Atala团队通过对下颌骨缺损患者进行CT扫描并获取其影像数据后，采用生物3D打印技术，以人来源的羊水干细胞（human amniotic fluidderived stem cells，hAFSCs）和聚己内酯/磷酸三钙为打印原料，制备出3.6 cm×3.0 cm×1.6 cm可用于缺损处填充的生物活性个性化骨组织支架，体外培养1 d后，细胞存活率达到91%±2%，体外培养28 d后茜素红染色可观察到明显的成骨分化；通过打印出直径为8 mm、厚度为1.2 mm的圆块支架并复合hAFSCs植入到SD大鼠的颅骨缺损模型中，5个月后观察到支架内部有大量含血管的新生骨组织生成，而阴性对照和无细胞支架实验组仅能观察到纤维组织的长入[13]。2019年第四军医大学西京医院费舟团队利用动物自体骨瓣来源，经冷冻研磨处理成活性骨粒，并通过向材料中引入自体骨髓间充质干细胞，结合生物3D打印技术以不同填充率及层间角度基于影像学数据成功制备出具有可再生型功能的多元个性化颅骨修复支架，并对自体骨髓间充质干细胞在支架中的细胞增殖、存活率以及成骨分化相关基因等进行检测，并建立了兔颅骨缺损模型，评价支架植入新西兰大白兔体内后3个月后的成骨能力，可观察到大量新生骨组织。生物3D打印技术具有个性化设计、仿生定制等特点，一方面能够满足缺损部位形状的精准匹配实现结构仿生；另一方面，选择自体的生物活性物质作为打印原材料又可实现组分仿生，从而促进打印支架植入后的功能仿生[14]。

文章来源：《临床神经外科杂志》 网址: http://www.lcsjwkzzzz.cn/qikandaodu/2021/0309/422.html