3D打印技术在骨肉瘤围手术期治疗中的应用进展(2)
时间：2023-04-14 09:05 来源：南极熊 作者：admin 阅读：次
4、3D打印骨组织工程支架在骨肉瘤中的应用
3D打印骨组织工程支架由生物材料和“生物墨水”组成的内部结构及个体化外形的支架构成。该生物支架通过结合不同“生物墨水”成分具有多种生物学功能。与传统制备的假体相比，3D打印骨组织工程支架在骨缺损修复及重建、诱导骨长入、抑制肿瘤复发的功能上具有突出的优势。Long等为解决术后肿瘤复发及大段骨缺损问题，创新性地设计PLGA/Mg多孔支架用于临床，该支架保留了Mg离子通过红外激光照射消灭残余肿瘤细胞的功能，同时Mg离子具有促进骨再生能力，赋予该支架促进骨缺损修复的功能；该支架由3D打印技术制备，具有分层多孔结构，也可促进骨长入，展现了出色的术后抑制肿瘤复发及促进骨再生修复的疗效，为3D打印骨组织工程支架在骨肉瘤的治疗前景提供了新的思路[32]。Wei等利用Mg离子抑制肿瘤、促进成骨和血管生成的功能，设计了由Mg离子修饰Ti6Al4V假体支架表面，通过体内及体外实验证明适当浓度的Mg离子释放通过激活AMPK/mTOR/ULK1信号通路可显著抑制癌细胞的增殖及迁移，证明Mg离子涂层Ti6Al4V支架具有抑制骨肉瘤术后复发能力，这为Mg涂层Ti6Al4V假体支架下一步的临床转化提供了有力证据[33]。另有研究发现，将具有光热效应的Cu、Fe、Mn、Co等元素与生物材料相结合，利用3D打印技术制备生物活性支架，该支架因多种元素的良好光热性能具有杀灭肿瘤细胞、抑制肿瘤生长的作用，同时具有共同诱导成骨细胞分化的功能，这为多功能生物活性离子与骨组织工程支架相结合治疗骨肉瘤提供新的思路[34]。另外，为解决骨肿瘤手术后手术部位感染的问题，Dang团队设计了一种多功能生物支架，该支架可装载药物如阿霉素、紫杉醇和头孢唑林，并通过大孔支架的微孔隙控制药物的释放，体外细胞实验证明该款新型支架可成功装载药物并持续性释放以防止术后感染等并发症的出现[35]。Piard等设计了3D打印双向骨样支架，该支架包含两个相互独立的成骨细胞群及血管源性细胞群，选用PCL基质与纤维蛋白“生物墨水”共同打印，具有机械强度高、稳定性强、降解速率低等诸多优点，并且其有诱导细胞附着及增生、促进血管生成的潜力[36]。
通过3D打印技术设计的骨组织工程支架不仅具有复杂且有序的内部三维结构，还拥有个性化匹配骨缺损部位的外部解剖结构。生物支架内部三维结构搭载的多种“生物墨水”，具有传递生物活性分子、促进成骨细胞增殖分化、抑制肿瘤复发的作用，同时因外部解剖结构选用适宜表面材料为成骨细胞黏附、增殖、迁移提供了良好的微环境，更重要的是该支架具有足以支撑整个结构的强度及与缺损部位高度匹配的外形。Adel-Khattab等通过3D打印技术制备一种新型二氧化硅支架，该支架含有磷酸钙基质，通过体外检测该支架展示出强效的抗压能力、二氧化硅释放能力、成骨细胞均匀定植能力及细胞外骨基质形成的潜力，表明该支架具有良好的体外抗压机械能力及模仿自体骨移植物优点的生物学功能[37]。Yu等通过将1, 6-己二醇l-苯丙氨酸基聚(酯脲)与羟基磷灰石纳米晶体混合，经3D打印技术制备孔隙率为75%的生物支架，搭载MC3T3-E1前体成骨细胞，体外检测结果表明羟基磷灰石促进成骨细胞分化并延长分化持续状态，同时支架表面含有羟基磷灰石成分具有良好的骨诱导及骨传导能力[38]。因3D打印生物工程支架的良好生物相容性、力学传导性、骨长入诱导性等优势，使其在瘤段骨切除后大面积骨缺损重建方面具有较大的应用前景，但仍受限于3D打印技术的材料选择，需要继续研制开发更多的高分子新型材料，加速3D打印技术的发展，进一步提升骨肿瘤外科保肢手术的治疗水平。
5、讨论
随着3D打印技术的不断发展进步，其在医学领域也展现出巨大的应用前景，如3D打印技术通过术前1:1实物化模型展示患者肿瘤位置及周围重要解剖结构的毗邻关系，为外科医生提供反复模拟手术的机会，同时3D打印模型将肿瘤病灶实物化，方便外科医生与患者及其家属沟通，提供了良好的术前“天时”基础；3D打印导航截骨缩短手术时间辅助外科医生精准切除肿瘤病灶，同时尽量保留肿瘤周围正常组织，提供了良好的术中“地利”基础；3D打印骨组织工程支架选择不同生物材料及“生物墨水”使支架具有多种生物学功能，并高度匹配骨缺损部位，该技术得到了广大骨肿瘤专科医生的热情欢迎，提供了良好的术后“人和”基础。具有“天时”、“地利”、“人和”基础的3D打印技术有望在未来完全融入骨肉瘤患者整个治疗围手术期的临床管理中，显著改善骨肉瘤患者的预后。
虽然3D打印技术拥有广阔的应用前景，但也仍存在一些亟待解决的问题：(1)因为3D打印设备及打印材料费用较高，导致经济成本较高；(2)3D打印技术需要重塑肿瘤病灶及周围复杂解剖结构，骨组织工程支架需要设计不同孔径、搭载不同生物活性分子、设计不同外形，因此制作过程耗时较长；(3)制作3D打印模型、导航截骨导板或骨组织工程支架等均需要与MRI等临床影像数据相结合，需要图像融合工程师、力学工程师、材料学工程师等交叉学科的工程技术人员与医生反复沟通与交流，但目前交叉复合型人才较少；(4)3D打印假体技术涉及人体组织器官，涉及伦理相关制度，而相关法律法规现今尚不够完善。
综上所述，3D打印技术的优势使其在医学方面的应用具有极大的潜能，不仅术前可以辅助外科医生为患者制定个体化治疗方案，术中辅助肿瘤的精准切除，而且术后生物组织支架在抑制肿瘤复发、促进骨长入等方面发挥重要作用。但我们也要积极面对3D打印技术的诸多缺点，逐步完善相关不足，如进一步深度挖掘开发生物原材料，降低假体制备成本，培养拥有医工结合等交叉学科知识的储备人才，并完善相关医学伦理等，积极推广3D打印技术在骨肉瘤临床围手术期的应用。相信随着科技的不断快速发展及科研人员的不懈努力，3D打印技术会更好、更快、更精准地为骨肿瘤患者保肢保关节治疗带来更多可能性。
作者简介
博士，副主任医师，硕士研究生导师，郑州大学附属肿瘤医院、河南省肿瘤医院骨与软组织科副主任。中华医学会骨科学分会骨肿瘤学组青年委员、中国抗癌协会肉瘤专业委员会委员、中国抗癌协会肉瘤专业委员会放化疗学组委员、中国抗癌协会肉瘤专业委员会基础研究与转化学组委员、中国抗癌协会肉瘤专业委员会脊柱学组委员、中国抗癌协会骨肿瘤和骨转移瘤专业委员会青年委员、河南省抗癌协会青年理事、河南省抗癌协会肉瘤专业委员会副主任委员、河南省研究型医院学会肿瘤科普委员会常委、河南省科协评审咨询专家库入库专家等学术兼职。获得河南省肿瘤医院科技拔尖人才、河南省直优秀共产党员等荣誉称号，以第一完成人获得河南省卫生新技术引进奖一等奖等科技成果。主持河南省中青年卫生健康科技创新人才培养杰青人才项目等省厅级科研攻关项目7项，横向科研攻关课题4项，作为第一或主要完成人获省厅级科技成果一等奖2项、二等奖3项。
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