浅析纳米材料在生物医学领域的应用方向与特性的论文

浅析纳米材料在生物医学领域的应用方向与特性的论文（精选3篇）

1.浅析纳米材料在生物医学领域的应用方向与特性的论文 篇一

医学生物信息学在心血管研究领域的应用--数据与知识

随着生物技术的进步,特别是以基因组、蛋白质组为标志的导致高通量实验数据产生的工作的开展,大量的实验数据在各个领域堆积拥塞,与领域内的知识的累计出现了极为不平衡的发展,因此,对这些数据的处理成为了学科发展的.迫切需求.为了避免这些数据成为垃圾,数据库、统计学、信号处理、数据挖掘、知识管理、人工智能等多种技术被运用到医学生物学领域,使得医学生物信息学不再是医学、生物学和信息学、计算机科学的单纯交叉,而独立成为一门专业的学科, 重点也由原来单纯的研究计算机信息技术在医学生物信息学中的延展和运用,转变到研究、发现、开发、创新适合医学生物学自身特点的新思想和新方法上来[1,2].本文对近年来心血管领域内医学生物信息发展和运用的情况进行了回顾和分析,并对该领域可能的发展方向做出判断.

作 者：张其鹏 孙冬泳 卢铭 覃璞 尚彤 ZHANG Qi-Peng SUN Dong-Yong LU Ming QIN Pu SHANG Tong  作者单位：北京大学,医学部心血管研究所,北京,100083 刊 名：生理科学进展  ISTIC PKU英文刊名：PROGRESS IN PHYSIOLOGICAL SCIENCES 年，卷(期)： 36(2) 分类号：N949 关键词：医学生物信息学   数据库   数据挖掘   知识管理   心血管学  

2.浅析纳米材料在生物医学领域的应用方向与特性的论文 篇二

随着纳米技术的兴起,人们对羟基磷灰石(HAP)的研究热点逐渐向纳米领域发展,各种制备不同尺寸及形貌纳米羟基磷灰石的技术手段应运而生[1,2,3]。Nano-HAP因其良好的生物相容性、骨结合力等而广泛应用于骨组织工程、药物载体等领域。虽然已有研究发现,Nano-HAP具有促进成骨细胞分化的潜能[4,5],但也有文献报道了Nano-HAP由于提高了培养液中Ca2+的浓度,从而抑制了某些与成骨细胞分化相关蛋白的表达[6,7]。另外,Nano-HAP还具有一些HAP不具备的特殊性质,其可透过细胞膜上的孔隙进入细胞,甚至进入细胞内的各种细胞器,如细胞核、内质网、线粒体等。进入细胞内的Nano-HAP还可以与细胞内生物大分子结合,影响细胞内的基因表达等。实验已经证明Nano-HAP粒子在体外具有抑制肿瘤细胞生长的特性[8,9,10]。

作为骨组织工程材料,Nano-HAP介导干细胞向成骨细胞分化的具体机制目前尚不清楚,Nano-HAP是否进入了细胞内部并在其内介导了某些生化反应也尚未有研究报道。在抗肿瘤的应用领域,关于Nano-HAP粒子抑制肿瘤生长的机制尚不十分清楚,可能是由于Nano-HAP的体积小,可以通过细胞膜和核膜导致DNA损伤。在药物治疗领域,实现体内同步治疗和成像是临床治疗的新方向。Nano-HAP在药物缓释系统中发挥着药物载体的作用,随着同步治疗和成像理念的提出,通过修饰Nano-HAP从而实现实时监测体内药物动态释放过程显得尤为重要。

为了进一步深入研究Nano-HAP在骨组织、抗肿瘤及药物载体方面的应用,各种功能化Nano-HAP的制备技术迅速发展起来,主要包括荧光素标记Nano-HAP[11,12]、量子点标记Nano-HAP[13]、稀土元素掺杂Nano-HAP[14,15,16,17,18,19]、生物磁性Nano-HAP[20,21]等。通过荧光检测、核磁共振及计算机断层成像扫描等技术能实时监测Nano-HAP在细胞内及体内的定位及迁移过程。本文主要综述了各种功能化Nano-HAP的制备方法,及其在骨组织、抗肿瘤及药物缓释等方面的应用进展。

1 功能化Nano-HAP的制备

1.1 荧光素标记Nano-HAP的制备

荧光素是具有光致荧光特性的染料,其在特定波长光源的激发下可以发出不同颜色的荧光。荧光染料种类很多,目前常用于标记抗体的荧光素有以下几种:异硫氰酸荧光素、四乙基罗丹明、四甲基异硫氰酸罗丹明。

荧光素标记法修饰Nano-HAP最初是利用物理吸附[22]的方式,将荧光素分子直接标记至Nano-HAP上。然而此法所得荧光素与Nano-HAP之间的键合能力较差,大量的荧光素分子在后续的细胞培养等过程中游离出来,从而限制了其应用[11]。因此有研究者通过首先对Nano-HAP表面进行处理,然后利用其上的某些功能团如羟基、羧基等与荧光素上的某些功能团如羧基、氨基等通过共价键交联,将具有荧光特性的荧光素分子引入到Nano-HAP基体中,从而得到具有光致发光效应的Nano-HAP。此种方法一般可得到具有较好稳定性的荧光素标记Nano-HAP。

Yuang Zhang等[11]采用表面处理技术将荧光素分子固定到Nano-HAP上,得到了具有较好稳定性的荧光素标记Nano-HAP。他们采用AMPTES(3-氨基丙基三乙氧基硅烷)处理Nano-HAP,使其表面带上氨基基团,再通过酰胺键与荧光素分子上的羧基结合将荧光素分子固定至Nano-HAP上。实验结果证明,此种方法增强了荧光素与Nano-HAP之间的键合能力,从而得到了稳定的目的产物。同样,Yuan Yuan等[12]首先用AMPTES处理Nano-HAP,继而将异硫氰酸荧光素(FITC)分子固定到了Nano-HAP上。

利用荧光素标记Nano-HAP,可实现细胞内及体内实时监测Nano-HAP的目的。目前用于荧光成像分析的荧光探针是应用较广的有机荧光染料分子,如罗丹明、吖啶橙、溴化乙锭等,它们的灵敏度较高,但具有光漂白性[23,24,25],荧光寿命较短,使其在荧光成像寿命及长时间的实时动态连续测定方面具有较大的局限性。

1.2 量子点(QDs)标记Nano-HAP的制备

量子点是一种粒径在1～10nm的半导体纳米晶体,主要是由Ⅱ族-Ⅵ族或者是Ⅲ族-Ⅴ族的元素组成,自20世纪90年代开始被用作生物标记材料。这种荧光材料具有荧光强度高,抗光漂白性强,有很宽的激发光谱和窄的发射谱且荧光光谱可调等许多其他荧光染料无法比拟的优点,因此广泛应用于临床检测、药物筛选、分子标记、细胞生物学等方面[26,27]。

刘怡等[13]通过化学沉淀法制备了QDs标记的Nano-HAP, 具体方法是:在三颈烧瓶中首先加入一定量的QDs,通过水浴控制温度,滴加入一定量的Ca(NO3)2,同时用NaOH调节pH=11并保持稳定;后逐滴加(NH4)2HPO4,同样用NaOH调节pH值使其稳定在11,反应完成后将所得沉淀用双蒸水洗涤至上清无荧光,即得QDs标记的Nano-HAP粉体。研究结果发现,当反应时间为3h时复合材料的荧光强度最强。

1.3 稀土元素掺杂Nano-HAP的制备

三价稀土元素 Eu3+、Tb3+等掺杂的发光材料具有荧光寿命长、发射峰窄和 Stokes 位移大等发光性质,且 Eu3+、Tb3+的离子半径与 Ca2+的离子半径接近[28,29],易于取代宿主晶格中的 Ca2+[30],其生物毒性也相对较小。因此,Eu3+、Tb3+掺杂的Nano-HAP发光材料有望作为新型的荧光探针,解决有机荧光探针的光漂白以及量子点探针的生物毒性问题。

1.3.1 沉淀法

宋志国等[14]采用沉淀法制备了Eu3+掺杂的Nano-HAP,将一定浓度的NH4H2PO4溶液滴加到等体积的Ca(NO3)2水溶液中,通过剧烈搅拌,并用NaOH及HCl调节体系的pH值,根据n(Eu3+)/n(Ca2+)=5%的比例加入EuNO3溶液,陈化24h即得具有发光效应的Nano-HAP粒子。结果表明,所制备的Nano-HAP粒子可在紫外及可见波段下被激发,发出617nm的荧光,可以作为生物荧光探针被实时观测。R. Ternane等[16]同样利用沉淀法制备了Eu3+掺杂的Nano-HAP。

1.3.2 水热法

水热法制备Nano-HAP粉体由CTAB(十六烷基三甲基溴化铵)、正丁醇、正辛烷和水构成微乳体系,Ca(NO3)2和NH4H2PO4在体系中反应,得到产物Nano-HAP,反应过程可以表示为:

Ca(NO3)2+(NH4)2HPO4→

Ca10(PO4)6(OH)2+NH4NO3

Eu3+、Tb3+掺杂Nano-HAP典型的制备过程[16,17,18]是:将一定量的Eu(NO3)3、Ca(NO3)2·4H2O和CTAB溶解在含有正丁醇和正辛烷的混合溶液中,得到反胶束Ⅰ;将 (NH4)2HPO4溶解在相同的微乳液溶液中且用NaOH调整pH值到10就得到了反胶束Ⅱ。然后,将两种反胶束溶液在剧烈的搅拌下快速混合均匀并转移到封闭的反应釜中,并且在160℃反应;将最终产物从反胶束溶液中离心分离出来,用甲醇和二氯甲烷的混合溶液洗涤,离心分离,干燥,即得Eu3+掺杂的Nano-HAP。Tb3+掺杂Nano-HAP可采用相似的方法制备,不同之处在于添加的发光源由Tb(NO3)3替代。实验结果表明,当n(Eu3+,Tb3+)/n(Ca2+)=5%及反应温度为140℃时效果最佳,其中Eu3+、Tb3+掺杂的Nano-HAP在365nm处即可发射强绿光和强红光。Piaoping Yang等[19]以阳离子活性剂作为模板,得到了具有生物活性、发光性能以及介孔特性的多功能Nano-HAP。

1.3.3 微波辅助微乳液法

用微波辅助微乳液法制备Eu3+掺杂HAP[31]的步骤为:首先制备反微乳液[32],按化学计量比准确称取Eu(NO3)3、Ca(NO3)2·4H2O和CTAB,然后加入到m(CTAB)∶m(正丁醇)∶m(正辛烷)∶m(H2O)=18.5∶15.1∶51.8∶14.6的混合溶剂中,得到反胶束Ⅰ。按化学计量比在相同的微乳液溶剂中溶解(NH4)2HPO4(n(Ca)/n(P)=1.67),并用2mol/L 的 NaOH调节pH值分别为7、9和12得到反胶束Ⅱ。将两种反胶束溶液在强烈的搅拌下快速混合均匀,并将所得溶液转移到配有回流系统的微波仪中,在N2保护的环境中反应一定的时间,最终的产物从反胶束溶液中离心分离出来,得到的沉淀用体积比为1∶1的甲醇和二氯甲烷混合溶液洗涤数次,之后离心分离回收产物,真空干燥,从而得到Eu3+掺杂的HAP。

1.4 生物磁性Nano-HAP的制备

近年来,纳米磁性粒子在生物医学领域的应用得到了极大的关注[33,34,35]。目前,Fe2+、Fe3+、Gd3+、La3+等金属离子已被广泛地应用于纳米磁性粒子[20,21]的制备。Anna Tampieri等[20]利用共沉积的方法制备了Fe2+及Fe3+(Fe-Nano-HAP)掺杂的Nano-HAP,并进一步研究了Fe-Nano-HAP的物理化学性质、微观结构及其磁性特征。结果表明,此种Fe-Nano-HAP具有与Nano-HAP非常相似的结构与良好的生物相容性;Fe2+和Fe3+的引入使得Nano-HAP具有了磁性特征,从而为热疗法在骨再生及抗肿瘤领域的应用提供了新的设计方向。Masato Wakamura 等[20]采用共沉淀法,通过离子交换的方式得到了Al3+、La3+和Fe3+替代Ca2+的Nano-HAP。Anusha Ashokan等[21]采用未添加表面活性剂的方法,即在100℃时通过水相的湿化学方法将Gd3+掺杂到Nano-HAP中,从而得到了具有顺磁特性的Nano-HAP。

2 功能化Nano-HAP在生物医学领域的应用

2.1 在骨组织工程领域的应用

Nano-HAP作为天然骨组织的无机组成成分之一,广泛应用于骨组织工程、骨填充材料等领域[36,37]。目前已有大量文献报道,Nano-HAP具有促进成骨细胞粘附、增殖、分化等作用[38,39,40]。

Kyobum Kim等[5]将Nano-HAP负载到可降解的聚富马酸二羟丙酯支架上,并研究了Nano-HAP对复合材料的表面性质及小鼠骨髓间充质干细胞内早期成骨生长因子基因表达的影响。结果表明,Nano-HAP改善了材料表面的性质,提高了材料表面的粗糙度、亲水性、蛋白吸附以及最初的细胞粘附,促进了内源性成骨信号分子的表达,如BMP-2、FGF-2、TGF-β1以及Runx2;同时提高了与成骨分化相关的碱性磷酸酶活性、促进了骨钙素基因的表达并且增加了钙沉积量等。Lei Cai等[4]利用光交联法制备了Poly(e-caprolactone)diacrylate (PCLDA)/HAP 纳米复合材料,利用刀片切除复合材料表面以暴露出Nano-HAP,并将MC3T3-E1种植于未经处理的及暴露出Nano-HAP的复合材料表面。研究结果表眀,暴露出Nano-HAP的复合材料表面具有更高的硬度及粗糙的拓扑结构,同时显著地促进了MC3T3-E1在复合材料表面的粘附、增殖及其向成骨细胞的分化。

Shinnosuke Okada等[39]通过前驱体水解的方法,改变体系的pH值及离子浓度,制备了具有纤维状、针状及片状的Nano-HAP,并研究了不同形貌的Nano-HAP对小鼠骨髓间充质细胞的活性、增殖以及粘附的影响。结果表明,纤维状及针状的Nano-HAP抑制了细胞的相关活性,而细胞在片状的Nano-HAP上具有稳定的增殖活性。

大量研究已经证明不同粒径的Nano-HAP[40,41]对培养细胞的活性及成骨分化等的影响具有很大程度的差异。Mohamadreza等[41]分别制备了Nano-HAP/PLLA及Micro-HAP/PLLA复合支架,并研究了骨髓间充质干细胞在两类材料上的增殖及向骨分化的情况。实验通过MTT法对细胞增殖情况进行了检测,并通过ALP活性及其他与成骨相关因子的检测研究了其向成骨分化的程度。结果表明,Nano-HAP促进了支架上细胞的增殖,提高了ALP的活性,同时促进了细胞内与成骨相关的基因的表达。N. Ribeiro等[40]研究发现,骨粘连蛋白和纤连蛋白在不同尺寸的Nano-HAP上具有不同的粘附行为,两种蛋白更易吸附于具有较大尺寸的Nano-HAP上;同时较大尺寸的Nano-HAP上的MC3T3-E1细胞具有较高的细胞活性及细胞粘附量。

然而Nano-HAP如何具体介导间充质干细胞及其他成骨前体细胞系向成骨细胞分化的机制;Nano-HAP是否能够被此类细胞吸收;其进入细胞内的具体途径;进入细胞后Nano-HAP在细胞内的分布情况以及进入细胞内的Nano-HAP是否介导了细胞内某些蛋白、基因的表达;Nano-HAP能否与细胞内某些蛋白结合;其是否激活或者阻断了细胞内某些信号通道,目前尚未有相关的研究报道。但随着功能化Nano-HAP的合成,研究工作者可通过各种技术手段制备具有各种特性的Nano-HAP,通过激光共聚焦等手段实时监测其进入细胞内的情况,进而研究后续的相关问题。

2.2 在抗肿瘤领域的应用

随着纳米技术的兴起,研究发现将HAP制备成纳米级之后,其还具有一些HAP不具备的特殊性质:可以透过细胞膜上的孔隙进入细胞,甚至是细胞内的各种细胞器,如细胞核、内质网、线粒体、溶酶体、高尔基体;可以在细胞内产生自由基;跟生物大分子结合;催化细胞内生化反应;影响细胞内的基因表达等。实验已经证明Nano-HAP粒子在体外具有抑制肿瘤细胞生长的特性[8,9,10]。一种可能的机制就是肿瘤细胞较正常组织细胞有更高的吞噬活性,Nano-HAP溶胶由于粒径较小,容易被吞噬,进入细胞后与初级溶酶体结合形成次级溶酶体,在其内降解产生游离酸或其他细胞毒性产物,从而启动了溶酶体的凋亡途径[42,43]。随着功能化Nano-HAP制备技术的兴起,为了进一步深入研究Nano-HAP与肿瘤细胞之间的相互作用机制,各研究工作者采用各种技术手段制备具有发光效应的Nano-HAP,以正常细胞作为对照,探讨了不同形貌及粒径的Nano-HAP进入肿瘤细胞内的途径及其在细胞内的分布[12]。同时进一步研究了Nano-HAP在蛋白及基因水平的抗肿瘤机制。

Yuan Yuan等[12]研究了不同尺寸Nano-HAP对肝癌细胞活性及凋亡信号蛋白表达水平的影响。实验利用FITC标记Nano-HAP,得到具有发光效应的功能化Nano-HAP,以及不同尺寸Nano-HAP在细胞内的定位情况。结果表明,所有Nano-HAP均可进入细胞内,且主要集中于细胞核周围,并未进入细胞核,此外Nano-HAP的抗肿瘤效应与其尺寸具有极大的相关性,其中45nm的Nano-HAP具有最佳的抗肿瘤效应。

武奎等[44]采用水热合成及微波合成法制备了Eu3+标记的Nano-HAP,用其处理Bel-7402细胞和L02细胞,再用DAPI作为细胞核特异荧光探针对两种细胞的细胞核染色,然后用DioC6(3)作为内质网特异荧光探针对两种细胞的内质网染色,最后在激光共聚焦显微镜下观察经荧光探针标记的Bel-7402细胞和L02细胞,发现Nano-HAP处于内质网中,且分布于肝癌细胞内质网中的Nano-HAP明显多于正常干细胞。而内质网是参与分泌性蛋白的合成、分泌、空间折叠、蛋白质糖基化修饰的重要细胞器,对蛋白的合成有着至关重要的作用。这表明Nano-HAP进入肝癌细胞后的作用靶点为内质网,并可能通过内质网影响相关关键蛋白的合成、分泌、空间折叠、蛋白质糖基化修饰等功能,进而抑制肝癌细胞生长。

近年来随着热疗技术在抗肿瘤领域的应用及生物磁性Nano-HAP制备技术的兴起,已有研究工作者利用Nano-HAP的生物磁性采用热疗法治疗肿瘤。Chunhan Hou等[45]采用共沉积的方法制备了具有磁性的Fe2+掺杂的Nano-HAP,选取小鼠作为试验模型研究了磁性Nano-HAP体内热疗法治疗肿瘤的效率。他们将试验模型置于热感应的高频变化的磁场中,以未掺杂Fe2+的Nano-HAP作为对照组,处理15天后,发现只有注射了磁性Nano-HAP并且有外加高频磁场存在的实验组才极大地降低了肿瘤组织的体积,同时皮下注射后小鼠的血液相容性试验表明该磁性Nano-HAP具有良好的生物相容性和极低的毒性。

2.3 在药物载体领域的应用

Nano-HAP粒子具有良好的组织相容性、无毒、无免疫原性、比表面积大、生物粘附性强且能结合和传递大分子药物等特点。Nano-HAP粒子作为药物载体系统能提高药物在生物膜中的透过性,有利于药物透皮吸收并发挥其在细胞内的药效。Nano-HAP作为药物载体十分安全,因为其与人或动物的骨骼、牙齿成分相同,且不为胃肠液所溶解,在释放药物后可降解吸收或全部随粪便排出。此外,Nano-HAP在生成过程中很方便引入放射性元素,可用于癌细胞的灭活[46]。目前新型Nano-HAP的制备为其在药物载体领域的应用注入了新的血液,利用其生物磁性、发光性能等特性,实现了实时监测药物载体在药物治疗过程中的行为及药物释放情况的目的,为临床治疗及治疗效率的提高带来了希望。

Feng Chen等[47]采用微波合成法合成了多功能的Eu3+、Gd3+共掺杂的Nano-HAP,通过Eu3+和Gd3+的引入,使得此Nano-HAP同时具有发光性和生物磁性两种特性,且Nano-HAP的发光强度可通过改变Eu3+和Gd3+的浓度而调整,而其磁性则随着Gd3+浓度的增大而增强。体外生物相容性试验表明此多功能的Nano-HAP几乎没有细胞毒性,更为重要的是它还具有很高的药物吸附能力。他们以此功能化Nano-HAP作为药物载体,以布洛芬作为模型药物,通过皮下注射的方式将其注入裸鼠体内,利用Nano-HAP的发光特性及生物磁性,通过发光成像及计算机断层扫描技术实现了无创监测药物在体内的释放过程。此法为影像介导的多功能药物释放系统的建立奠定了基础。

Marija Vukomanovic等[48]制备了PLGA/Nano-HAP纳米复合微球作为药物载体,并研究了克林霉素在此微球中的分布。其中分别以5-氨基荧光素、茜素红、罗丹明-B标记PLGA、Nano-HAP、克林霉素。通过3种组分在荧光显微镜下所显示出的不同颜色的荧光分布,得到了克林霉素在纳米微球中的分布情况。此法为实时监测药物及其载体在体内治疗过程中的活动情况提供了可能。

Tse-Ying Liu等[49]利用具有顺磁性的Fe2O3修饰Nano-HAP,得到了具有生物磁性的Fe3+掺杂的Nano-HAP,并将其涂覆于载药脂质体表面。体外实验研究发现该药物载体能够在超声作用下引发药物释放,并通过超声诱发磁共振影像扫描发生变化。因此,此药物载体不仅可以用于在磁共振影像介导下利用超声刺激引发药物释放,同时还可以通过磁共振报告探测药物载体的位置。

3 结语

近年来随着纳米技术的兴起,纳米物质的特性被不断地发现,人们对HAP的研究热点逐渐向纳米领域发展,各种制备不同尺寸及形貌Nano-HAP的技术手段应运而生[1,2,3],同时纳米技术与生物学技术的结合也成为了生物学发展的新趋势。在此趋势推动下,各种荧光素标记、量子点标记、稀土元素掺杂以及磁性Nano-HAP的制备技术开始兴起,从而得到了具有了发光、生物磁性等特性的新型Nano-HAP。利用Nano-HAP的发光、磁性特征,可以通过荧光检测、核磁共振及计算机断层成像扫描等技术实时监测Nano-HAP在细胞内及体内的定位及迁移过程,为深入探讨Nano-HAP在骨诱导、抗肿瘤及介导药物释放等领域的作用机制提供了强有力的技术支持。相信随着研究的深入,对新型功能化Nano-HAP性能的了解将会越来越多,其用途也会越来越广泛。

摘要：介绍了各种生物化学方法如荧光素法、稀土元素掺杂法、量子点标记法等修饰纳米羟基磷灰石的技术,并着重阐述了生物化学修饰后的纳米羟基磷灰石在骨组织、抗肿瘤及药物载体方面的应用及其优势。相信随着研究的深入,对新型纳米羟基磷灰石性能的了解会越来越多,其用途也会越来越广泛。

3.浅析纳米材料在生物医学领域的应用方向与特性的论文 篇三

首先，什么是3D打印？3D打印（3DP)即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D 打印技术出现在 20 世纪 90 年代中期，实际上是利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型装置。它与普通打印工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。近年来，随着打印设备和打印材料的不断研发，该技术在医学中的应用得到了长足的发展。

现阶段，3D打印在医疗领域的应用大致分为四个层次。一是快速成型层面，这个层面的应用主要是根据数字影像资料打印出立体三维模型，帮助医生分析病情，拟定手术方案。另外，立体三维模型便于医生与患者沟通交流，这方面的应用在技术上已逐渐成熟。二是利用3D打印技术制造出辅助手术工具或 器 械。由于每台手术 的独特性，需要特定的手术工具或器械以满足医生的特定需求，３Ｄ 打印技术为满足个性化的手术器械提供了技术保障，可以制造出个性化的手术器械用于某例特定手术。三是3D打印技术可直接打印出植入体内的修复体，即快速制造层面。在这个层面上打印出的个性化修复体可以植入到人体内，更好地与病人的病灶结合，做到精准医治疾病。四是组织工程生物活体的3D打印技术，可制造出具有生物活性的人体组织和器官，这是目前生物3D打印的研究热点和研究方向。

在快速成型层面，日本筑波大学和大日本印刷公司组成的科研团队2015 年 7 月 8 日宣布，已研发出用3D打印机低价制作可以看清血管等内部结构的肝脏立体模型的方法。据称，该方法如果投入应用就可以为每位患者制作模型，有助于术前确认手术顺序以及向患者说明治疗方法。这种模型是根据 CT 等医疗检查获得患者数据用 3D打印机制作的。模型按照表面外侧线条呈现肝脏整体形状，详细地再现其内部的血管和肿瘤。由于肝脏模型内部基本是空洞，重要血管等的位置一目了然。但由于价格昂贵等原因，利用3D打印技术制作的内脏器官模型主要用于研究，在临床上没有得到普及。科研团队表示，他们一方面争取到 2016 实现肝脏模型的实际应用；另一方面将推进对胰脏等器官模型制作技术的研发。

在临床范围，快速制造已被临床医生应用与实例中。2014 年 8 月，北京大学研究团队成功地为一名 12岁男孩植入了 3D 打印脊椎，这属全球首例。据了解，这位小男孩的脊椎在一次足球受伤之后长出了一颗恶性肿瘤，医生不得不选择移除掉肿瘤所在的脊椎。不过，这次的手术比较特殊的是，医生并未采用传统的脊椎移植手术，而是尝试先进的 3D 打印技术。此项手术取得了成功，北京大学第三医院公开宣布，世界首个金属 3D 打印定制 19 厘米人造脊椎植入顺利完成。这也标志着中国 3D 打印技术正式开启人工椎体时代。

3D打印技术的制造的假体植入人体在骨科应用较为广泛，技术较为成熟。３Ｄ 打印植入性假体主要包括颅骨、下颌骨、义齿、人工关节、骨小梁髂臼假体等。在颅面外科直接使用钛合金３Ｄ 打印的费用很高，因此可先根据缺损颅骨的形状、厚度打印出一个模具，然后运用倒模技术制作一块与缺损部位高度吻合的钛合 金人工骨。据２０１４年８月２８日中新社报道，中国陕西西京医院的外科医生为患者打印了一个３Ｄ 钛网植入物，用于治疗其从三楼坠落所致的左脑损伤。张庆福等采用医用钛合金３Ｄ 打印技术为１例下颌骨半侧切除患者设计和制作了解剖形态高度个体化仿真的下颌骨植入体，取得了满意效果。吴江等等利用逆向工程软件制作出了全口义齿钛基托的计算机模型，然后利用送粉方式 ３Ｄ 打印技术（四路送粉装置）制造了全口义齿钛基托。这种方式比传统工艺更简单，而且打印成形后的全口义齿钛基托外形良好。王臻等针对提取的股骨髁关节软骨三维轮廓数据进行了个体化人工半膝关节的计算机辅助设计，获得了股骨髁关节的计算机三维模型，然后再将三维模型进行切片分层，使用 ＬＰＳ６００树脂快速成型机打印出三维树脂模型，通过对树脂模型进行修整、抛光得到了个性化的人工半膝关节模型，经过硅胶翻模、制作蜡模、成壳、浇注 后最终获 得了钛合 金 关 节。在 金 属 ３Ｄ打印口腔假体方面，唐志辉采用金属３Ｄ 打印机打印出了与牙齿相同的金属牙，它可取代传统方法制造出的标准种植体，可以完全根据口腔患者的牙齿形状量身定制。

在发达国家，药物与医疗设备的市场份额基本相等，而在中国，医疗器械远低于药品的市场份额，这就意味着中国的医疗设备还有很大的发展空间，３Ｄ 打印在骨科医疗行业的应用为中国医疗器械的发展起到了不可替代的作用。目前，在新型生物材料和３Ｄ 打印个性化植入物方面还存在着很多问题。如医疗效果被不良媒体夸大、医疗注册许可政策亟待突破、材料成本及种类的限制等。