工程3（2017）653研究增材制造-综述3D打印功能结构在医学组织和再生组织器官中的王侃c，何嘉哲c，张卓a，c，*，王本a，b，caH. Milton Stewart School of Industrial and Systems Engineering，Georgia Institute of Technology，Atlanta，GA 30332，USAb材料科学与工程学院，佐治亚理工学院，亚特兰大，GA 30332，美国c佐治亚理工学院制造学院，佐治亚理工学院，亚特兰大，GA 30332，美国ARt i clEINf oA b s tRAC t文章历史记录：2017年6月6日收到2017年8月7日修订2017年8月17日接受2017年10月31日在线提供保留字：3D打印3D生物打印再生组织/器官支架医学模型或它们越来越多地用于手术规划、医学计算模型、算法验证和确认以及医疗器械开发。这些新的应用需要高保真的、患者特异性的、仿组织的医疗体模，其不仅可以紧密地模仿人体器官的几何结构，而且还具有器官结构的性质和功能随着三维（3D）打印和3D生物打印技术的快速发展，许多研究人员已经探索了使用这些增材制造技术来制造用于各种应用的功能性医疗模型本文综述了3D打印和3D生物打印技术在功能性医学模型和生物结构制造中的应用这篇综述具体讨论了3D打印功能性医疗幻影的最新发展和趋势（即，组织模仿医学模型、放射学相关医学模型和生理学医学模型）和3D生物打印结构（即，混合支架材料、可转换支架和集成传感器）用于再生组织和器官。© 2017 The Bottoms.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版这是CC BY-NC-ND下的开放获取文章许可证（http：//creati v ecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍自从其在20世纪80年代发明以来，三维（3D）打印技术（其更正式地被称为增材制造（AM））已经被世界各地的大量研究人员和工业公司开发、成熟并应用于各种应用在早期，3D打印主要是一种快速成型技术;今天，它正在用新的工艺、材料和应用彻底改变制造业和许多其他行业。除了塑料原型，复杂的发动机部件、房屋、食物甚至人体器官现在都可以3D打印。3D打印行业正在经历快速增长：该行业的全球收入在2016年增长了17.4%，价值超过60亿美元。3D打印的一个主要市场是医疗领域。对于这个im-作为一个重要的应用领域，3D打印为个性化医疗和护理提供了有效3D打印的当前广泛实践的医疗用途包括定制假牙、助听器外壳、手术和医疗模型、矫正和假体组件以及人工髋关节和膝关节植入物[2-7]。3D打印技术的一个独特用途是用于制造“幻影”或身体部位的实体模型，以允许医生或外科医生在准备、计划或优化复杂的医疗手术或程序时可视化身体部位[5，6]。这样的幻影也可以是用于手术训练和患者教育目的的有效工具自21世纪初以来，3D生物打印技术已经被许多研究小组和生物技术公司开发和研究[8]。3D生物打印涉及将活细胞层沉积在凝胶介质上，以构建3D生物功能结构。的* 通讯作者。电子邮件地址：chuck. gatech.eduhttp://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2017.05.0132095-8099/© 2017 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。 这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http：//creati v ecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect工程杂志主页：www.elsevier.com/locate/eng654K。Wang等人/工程3（2017）653最终目标是将3D打印技术用于组织工程（TE）应用，以构建器官和身体部位[9，10]。随着3D打印和3D生物打印技术的快速发展，对这些技术存在大量的研究和实际应用。本文综述了3D打印和3D生物打印技术的应用该综述具体讨论了3D打印功能结构和生物结构的最新技术水平和趋势，用于医学模型和再生组织和器官应用。2. 支持3D打印的医疗模型和结构2.1. 需要物理医疗幻影医学成像技术在过去的十年中取得了巨大的进步随着多探测器计算机断层扫描（MD-CT）和磁共振成像（MRI）等成像技术的发展，放射学诊断的侵入性降低，信息量增加[11，12]。可以在短时间内获得高分辨率的3D图像数据。图像处理在以高保真度呈现人体器官和结构方面发挥着越来越重要的作用，并在许多疾病和医疗状况的诊断和治疗中提供不可或缺的支持[13今天的图像引导手术说明了放射科医生如何与其他外科专家一起融入治疗团队。3D可视化、多平面重组和图像导航帮助放射学成为许多临床学科的关键[17]。然而，呈现医学数字成像和通信（DICOM）图像的需求尚未得到满足数字模型受限于使用平面屏幕进行3D成像数据的可视化。除了手术计划应用之外，有形的医学模型对于医学计算模型验证以及对于医学培训和患者教育非常有用。因此，非常需要用于临床实践和教育目的的高保真物理医学幻影。2.2. 医用模体传统上，物理医疗幻影是通过传统的制造工艺如铸造和模制来生产的。这样的制造过程涉及耗时且通常昂贵的工具准备步骤。此外，由于高的加工成本，制造个体的、患者特异性的医疗幻影是不经济的。因此，大多数这些幻影是大规模生产的，人口平均的，理想化的模型，用于一般规划和教育目的。2.2.1. 仿组织医用体模在医学成像中，体模通常用于开发和表征成像系统或算法，因为它们提供具有已知几何和材料组成的成像样本。仿组织医学体模可以模仿生物组织的特性，因此可以提供临床上更逼真的成像环境[18]。在过去，铸造或注射成型工艺已被用于制造仿组织医疗体模。这种体模的应用可以在医学成像模式的开发和验证中找到，例如超声[19，20]，MRI[21随着生物医学研究需求的增加，组织模拟医学模型的其他应用，如组织电磁特性模拟[27]、机械特性模拟[28]和聚焦超声消融[29]也得到了证实。在这些应用中，幻影被制造成人口平均的理想化模型，患者之间的个体差异被忽视。2.2.2. 3D打印医学模型3D打印技术克服了传统制造工艺的缺点，并且是用于以低成本快速生产患者特异性、高保真度、医疗假体的有效工具，因为消除了对工具的需要。根据CT、MRI或超声心动图数据制造的3D打印医学模型和体模提供了触觉反馈、直接操纵以及对患者解剖结构和基础病理的全面理解的优势。在许多情况下，3D打印医疗幻影可以帮助和促进手术，缩短医疗程序的周期[30例如，一名整形外科实习生使用CT扫描图像来创建患者骨骼的可打印副本。然后他打印了这些模型，并使用这些定制模型来计划患者3D模型也被神经外科医生用于手术计划[4，6]。这种3D打印的神经解剖模型可以提供人体中一些最复杂结构的物理表示。这些详细的高保真幻象可以帮助神经外科医生发现和可视化颅神经、血管、大脑结构和颅骨结构之间复杂的、有时模糊的关系，这些关系仅基于二维（2D）放射影像难以解释[35]。这可以减少错误并避免手术中潜在的破坏性后果。2.3. 功能性医学模型的研究进展与发展趋势2.3.1. 仿组织医学模型计算机辅助设计（CAD）、医学成像和3D打印技术的最新进展提供了一种快速且具有成本效益的方法，可根据计算模型生成患者特异性组织模拟医学体模，该计算模型是根据个体的CT或MRI结果重建的[36]。这些患者特异性体模在许多生物医学应用中具有无与伦比的优势，例如计算模型验证、医疗器械测试、手术规划、医学教育和医患互动。Biglino等人[37]证明了使用Strata- sys Ltd.（Eden Prairie，MN）的PolyJetTM在这项研究中使用了一种名为TangoPlus的橡胶状材料，其机械性能接近真实组织。Cloonan等人[36]对腹主动脉瘤体使用常见组织模拟材料和3D打印材料（包括TangoPlus）进行了比较研究。他们的结果表明，TangoPlus在可分散性方面是一种适合动脉建模的材料，其单轴拉伸性能优于通常用于熔模铸造工艺的聚（二甲基硅氧烷）（PDMS）SYLGARD弹性体2.3.2. 放射学相关的医学幻影3D打印技术已经被用于制造具有不同衰减的区域的放射学逼真的体模[38]。在本研究中，Stratasys Ltd.的多材料PolyJetTM打印技术用于构建具有真实病理、解剖结构和异质背景的肝脏和脑模型。将患者的肝脏和头部CT图像分割为组织、血管、肝脏病变、白质和灰质以及脑脊液。在测试扫描后，将具有不同CT值的打印材料分配给这些对象最后，3D打印K. Wang等人/工程3（2017）653-662655在CT扫描仪上扫描模型并进行图像评价。结果发现，对于肝脏，患者和体模图像具有相似的纹理。脑体模的CT图像显示，感兴趣对象的CT数差异与患者图像中的CT数差异相似。这些模型具有异质背景和与真实组织相似的真实病理学，并且可以潜在地用于图像质量评估、辐射剂量降低以及其他研究和教育活动。2.3.3. 生理医学幻象患者特异性和仿组织医学模型包含个体信息，并且具有许多生物医学应用和临床益处的巨大潜力，例如计算模型验证、医疗设备测试、手术规划、医学教育和医患交互。如前所述，3D打印技术已被证明是制造这种体模的有效制造方法。然而，现有的技术仍然不足以完全模仿人体器官和组织。例如，许多人体器官结构，如心脏瓣膜，由于定向组织结构而具有各向异性机械性能;然而，常规3D打印体模不具有相同的特殊各向异性机械性能。因此，大多数3D打印的医疗幻影，即使是那些具有患者特异性和组织模拟特征的医疗幻影，也只是在解剖学上而不是生理学上接近人体器官结构。大多数医用假体都是用聚合物材料制成的尽管体模材料的单轴拉伸性能在小应变（3%）范围内可以接近软组织的单轴拉伸性能，但蠕变趋势（聚合物的固有特性）使其在较大变形下的行为与软组织完全不同。对于组织模仿医学体模，感兴趣的应变范围通常是组织的工作应变范围如图1 [39]所示，软组织通常最初表现出应变硬化行为，这在开始时由凸应力-应变曲线表示。随着应变的增加，曲线从凸形变为凹形，这表明材料屈服[40]。相反，聚合物材料通常在开始时具有凹形应力-应变曲线，表明应变软化。即使聚合物体模的初始杨氏Wang等人[39，41]展示了一种集成的超材料de-标志和多材料3D打印方法来制造具有真实软组织特性的医疗模型。变形材料是用于实现和操纵某些物理性质和/或现象的人工结构化材料。超材料的特性来源于图1.一、 软组织和聚合物的力学行为比较。（a）软组织（虚线）和聚合物（实线）的典型应力-应变曲线 软组织：i-趾部区域，ii-弹性区域，iii-塑性区域，iv-失效区域;聚合物：I-初级蠕变，II-次级蠕变，III-三级蠕变。（b）大多数仿组织医疗体模在感兴趣的应变范围内的曲线的磁共振视图[39]。它们的组成材料和这些材料的几何排列[42，43]。在组织模拟医学模型的背景下，“超材料”概念的关键价值是构建具有异质微结构的组织的人工模型的想法，尽管难以按照惯例构建-所有的手段，可以很容易地使用3D打印渲染。利用多材料3D打印技术，设计超材料的机械性能的可行性已经得到证明[39，41]。这些研究调查了使用双材料3D打印超材料模拟软组织的应变硬化行为的可行性，所述双设计并测试了三种类型的超材料：正弦波、双螺旋和联锁链设计（图2）[39]。尽管两种基础材料是应变软化聚合物，但有限元分析和单轴拉伸试验都表明，两种双材料设计能够表现出作为超材料的应变硬化效应。设计参数对超材料力学行为的影响也得到了证明（图3）[39]。结果表明，利用双材料3D打印超材料可以制造具有几何和机械精度的患者特定组织模仿医疗体模。2.3.4. 生理医学模型除了传统的医学模型应用在最近的一项研究中，Qian等人[44]证明了使用患者特定生理体模计划经导管主动脉瓣置换术（TAVR）的有效性。(TAVR对于手术风险高的严重主动脉狭窄患者，是一种侵入性较小的治疗选择。）为了实现最佳临床结局，对自体主动脉组织、假体和血流之间的相互作用进行个体化评估至关重要。本研究旨在使用3D打印的生理模型开发体外TAVR植入的手术模拟平台。图二、三种超材料的CAD模型和打印样本：（a）正弦波设计，（b）双螺旋设计，（c）联锁链设计[39]。图3.第三章。 正弦波（SW）设计的四种变体的应力-应变曲线[39]。656K。Wang等人/工程3（2017）653仿组织医疗幻影研究人员还研究了应用该平台定量预测任何TAVR术后瓣周漏（PVL）的发生率、严重程度和位置在这项研究中，基于真实患者数据的生理主动脉心脏瓣膜（即，使用第2.3.3小节[39，41]中描述的集成超材料设计和多材料3D打印方法制造CT图像）。图4 [44]显示了患者主动脉根部的CT图像、3D计算模型和3D打印的生理体模。使用3D打印生理瓣膜的试验和分析结果表明，TAVR后存在一定程度PVL的12名患者的最终PVL位置，以及最大瓣环隆起指数（PVL发生的预测因子）的位置（图5）[44]。3D打印瓣膜的主要瓣周漏位置预测与患者的实际瓣周漏发生率匹配良好，准确度为75%[44]。在这项概念验证研究中，研究人员证明了使用3D打印的患者特定生理体模在体外定量评估TAVR术后主动脉根部应变的可行性。3. 再生组织和器官由于对组织器官移植需求的增加和组织器官供体的缺乏，在TE领域已经进行了大量的努力来开发生物替代物。图四、主动脉根部的CT图像、3D计算模型和3D打印生理体模的示例。(a)（b）和（c）分别示出了升主动脉和瓣膜处的CT横截面视图以及纵视图。(d)（e）和（f）分别示出了从升主动脉、左心室流出道（LVOT）和侧面观察的3D计算模型主动脉壁和瓣叶显示为半透明，钙化显示为红色，嵌入的纤维显示为绿色。(g)、（h）和（i）示出了3D打印的生理体模。钙化和纤维用黑色材料打印，以便更好地说明[44]。天然人体组织和器官的试管[45-47]。出于TE目的，可采用具有高孔隙率和互连性的可生物降解支架来提供用于细胞生长和重组的形状、机械支撑和微结构，以改善和加速愈合和修复过程[46，48]。在这方面，TE支架的设计在治疗的成功率中起着主导作用已经提出并研究了用于创建3D支架的不同策略，例如冷冻干燥[49，50]、气体发泡[51]、相分离[52]、致孔剂沥滤[53]和静电纺丝[54，55]。然而，通过这些途径制造的支架的孔隙率和内部微观结构的精确控制以操纵氧、营养物和可溶性生物分子用于促进细胞生长和分化仍然是困难的。此外，引导不同类型的细胞在TE细胞膜中生长以形成以复杂性水平组织的功能组织是主要的工程设计障碍[56]。尽管已经报道了一些令人兴奋的临床结果，即具有简单结构设计的自体细胞负载支架能够引导多功能组织和器官的再生[45，57，58]，但用于制造具有更高复杂性水平的无细胞或细胞负载生物支架的先进策略仍在进行中[46，59 -62]。AM技术的进步是TE和再生医学的最新突破。越来越多的兴趣集中在用特定的生物材料和细胞制造复杂和功能性的3D生物支架上，以便为TE应用提供与天然组织迄今为止，文献中已经描述了能够构建无细胞或载有细胞的水凝胶支架的几种类型的生物打印的三种最重要和完善的技术是激光诱导前向转移（LIFT）、喷墨生物打印和机器人分配。3.1. 生物打印策略LIFT是一种可以将细胞沉积到接收基底上的技术。通常，将激光脉冲束施加在含有源墨的供体载玻片或带上（即，水凝胶和细胞），然后蒸发油墨;这导致高压气泡喷射向放置在供体载玻片下方的接收基底。通过控制供体载玻片或基底的移动，可以构建沉积的2D图案，以逐层融合的方式形成3D构造[49，63例如，Michael体内实验的结果表明，打印的细胞存活良好，并且可以在皮肤构造中观察到新血管形成，这意味着激光打印可能是用于创建3D组织的适当策略。具有多种细胞类型的异质构建体也可以通过喷墨印刷来构建。Xu等人[67]使用热喷墨打印机制造了一种由干细胞、平滑肌细胞和内皮细胞组成的饼形3D结构。与通常将墨水喷射到固体基底上以获得3D构建体的喷墨生物打印的常见方法[68-聚合物溶液表面受墨滴冲击的部分由于Ca2+-海藻酸盐复合物的蛋盒结构的形成而瞬时固化。体外实验的结果表明，打印的细胞能够在3D构建体中存活、增殖并维持细胞功能。更重要的是，干细胞和内皮细胞在分别植入小鼠K. Wang等人/工程3（2017）653-662657图五. 预测12例存在一定程度TAVR术后PVL的患者的PVL位置。在凸出指数图像中，绿色箭头表示对显性PVL位点的正确预测;红色箭头表示最大凸出指数未预测显性PVL位点;黄色箭头表示次最大高凸出指数对应于显性PVL位点。在经食管超声心动图（TEE）图像中，白色箭头表示主要PVL部位，黄色箭头表示次要PVL部位[44]。六个星期与LIFT技术相比，喷墨生物打印的主要缺点是，当生物墨水通过喷嘴并沉积在基底上时产生的临界剪切应力会显著降低打印细胞的活力[59，66]。此外，由于打印期间细胞聚集而发生细胞沉降，并导致喷嘴堵塞和构建体中的不均匀细胞分布[65，68，71]。尽管这两种技术都具有按需精确创建由多种细胞类型组成的3D构建体的能力，但这些打印策略通常产生小规模构建体，这是临床应用中实际使用的障碍[63，71]。受到使用LIFT和喷墨生物打印创建3D细胞构建体的出色表现的启发，大量研究集中在用于生物打印的机器人分配系统的开发上基于挤出的生物打印，或EBB），由于其易于使用的性质和与不同生物墨水的良好兼容性[72]。EBB允许通过生物聚合物或合成生物聚合物以逐层方式的机械或机械驱动分配来制造毫米级的3D结构[72微型组织（即，由多种细胞类型组成的类球体和类器官）可以用作使用EBB打印的大组织和器官的构建块[76，77]。然而，为了提高这些3D结构的结构和组件自由度，需要解决几个技术差距主要限制是每个打印过程只能使用一种生物墨水;这增加了构建具有高复杂度的3D架构的难度。增加水库数量打印机可以完成以实现用多种生物墨水打印当然，由于打印过程中包含更多步骤，因此降低了结构的打印速度[72，73，78]。 最近，Liu等人开发了一种化学驱动的多材料生物打印机[72]。他们开发的打印机能够通过将不同的储液器路由到单个打印头中，单独或同时喷射七种类型的生物墨水有趣的是，注意到打印头的新颖设计允许不同的生物墨水在挤出之前以可控的进料速率混合，以便在单个支柱中实现梯度打印。3.2. 近期进展和未来趋势AM技术的最新进展使几种新的TE途径成为可能。特别是，随着新的AM技术的出现，以下三种策略正在获得动力：①开发混合支架材料，以实现支架的稳定性能;②设计特殊的微结构，以实现支架的可转换性;③集成传感器，以实现内置过程监控能力。下文讨论了每项战略的细节和未来预测3.2.1. 混合脚手架材料生物聚合物如聚己内酯（PCL）、聚乳酸（PLA）和聚（乳酸-共-乙醇酸）（PLGA）是用于支架的最常用的基础材料。 在大多数情况下，它们并不完全适合TE，因为它们的机械性能相对较弱。 物理性质、差的细胞粘附或近惰性生物活性。通过658K。Wang等人/工程3（2017）653将添加剂掺混到生物聚合物中，可以减轻这些缺点。这些添加剂中的许多是粉末形式的生物陶瓷。例如，α-磷酸三钙（α-TCP）已被添加到PCL[53]中以改善机械性能，细胞种子-和扩散。β-磷酸三钙（β-TCP）已用作PCL[79，80]、PLA[81]和PLGA[82]中的添加剂，以增强机械和亲水性能。在骨TE中，由于其生物可吸收性和与骨矿物相的化学相似性，它还可以改善生理环境中的生物相容性和骨传导性。临床证明β-TCP促进成骨分化和牙源性分化在不同类型的细胞中。羟基磷灰石（HA）是一种更常见的骨TE添加剂，因为其化学成分与天然骨骼的无机部分相似。已用于PCL[83-具有HA添加剂的生物聚合物对骨组织表现出优异的化学和生物亲和力。支架生物聚合物中使用的其他添加剂包括生物活性玻璃颗粒[101-最近的研究已经探索了各种纳米材料作为生物聚合物的这些纳米材料通常为基础材料添加新的功能例如，将氧化镁（MgO）[83]添加到PCL中会影响信号转导、能量代谢和细胞增殖的调节，从而促进新骨形成。在PCL中加入磁性纳米颗粒（Fe3 O4或γ-Fe2O3）[89，111]可其他纳米材料，如纳米粘土[112]，单壁碳纳米管（SWCNT）[113，114]，多壁碳纳米管（MWCNT）[85，114-目前制造具有混合材料的支架的方法都是从预混合生物聚合物和添加剂开始的。然后将制备的混合物用于通过3D打印或任何自上而下的方法构建支架。该程序确保添加剂在生物聚合物基质中的均匀分布。然而，缺点是明显的：混合材料的组成是固定的。如果目标是再生复杂的多细胞型器官，则在支架上的不同位置需要不同的组合物。使用更新的AM技术，可以在scaf-折叠印刷期间原位混合生物聚合物和添加剂。图6示出了用于多材料3D生物打印的概念设置。通过这种方式，未来的杂化支架将具有可调的性质和额外的设计功能，这将有利于多种细胞类型的分化和生长，以形成复杂的生物结构。3D生物打印还可以与直接写入技术相结合，哎呀。直写技术通常用于印刷电子工业中作为平版印刷或丝网印刷的替代。通过整合直接写入技术，3D生物打印过程可以在支架化期间进行选择性表面改性。 图图7展示了使用挤出和气溶胶喷射打印技术进行原位生长因子接枝的3D生物打印的概念设置。图8比较了用多种生长因子制造支架的两种策略。虽然预混方法需要更多的材料准备步骤，但其打印过程相对于多头3D打印机来说是比较直接的。这两种生长因子在印刷过程中也不太可能交叉污染。原位嫁接方法不需要材料制备步骤，但需要集成3D打印和建筑层涂层每一层。根据涂层技术的不同，两种生长因子之间存在交叉污染的风险。然而，涂覆步骤独立于支架印刷步骤，这使得能够实现更高程度的设计自由度和更详细的涂覆图案。3.2.2. 可转换脚手架生物打印技术提供了对打印构造中的初始细胞分布的精确控制。然而，一旦细胞开始在生物反应器中生长并通过自组装过程再生为组织，目前没有控制方法可用于确保整个支架始终保持最佳微环境。换句话说，目前在生物打印TE场景中，太多的细胞生长过程是不受控制的。细胞生长是一个时空过程，在质量、数量、产量和其他指标方面具有固有的高度可变性。虽然每个单个细胞的行为不容易预测，但在大群体中细胞培养物的生长在很大程度上是受环境因素控制的，包括局部细胞密度[75，81]和离子交换率[108，111]。在没有支架的细胞培养过程中，通常使用某些搅拌或灌注机制来确保接近均匀的局部细胞分布并促进营养物、生长因子和废物交换。支架会阻碍细胞的营养、研究表明，一旦细胞密度达到某一点，支架上的细胞生长在生长速率[102，108]和细胞活力[92]方面不是最佳的使用3D打印的拉胀超材料作为支架可以促进在不久的将来找到解决方案。相变超材料[119，120]是具有重复微观结构的材料，在宏观尺度上表现出负泊松3D打印的进步已经实现并加速了拉胀超材料的新颖设计和应用[93，104，121]。用拉胀超材料，图六、多材料3D生物打印的概念设置。见图7。原位表面改性的概念设置。K. Wang等人/工程3（2017）653-662659见图8。预混法与原位接枝法制备复合生长因子支架的比较。(a)预混合方法：（i）将支架材料与生长因子混合，（ii）在A区打印支架材料/生长因子A（S/GF-A）作为支架，（iii）在B区打印支架材料/生长因子B（S/GF-B）作为支架(b)原位移植方法：（i）用纯支架材料打印支架，（ii）用生长因子A涂覆区域A，（iii）用生长因子B涂覆区域B在支架中，改变体积的能力提供了控制局部细胞密度的有效方法。此外，随着体积变化而发生的孔隙率变化意味着培养基流入和流出支架，为内部细胞补充营养并带走废物。 图图9示出了双箭头类型的拉胀超材料。3.2.3. 集成传感器直写技术是一类AM方法，可以在没有掩模的情况下制造电子电路[122]。这些相对新的技术包括喷墨印刷、气溶胶喷射印刷、注射器分配、激光辅助化学气相沉积、激光颗粒引导、基质辅助脉冲激光蒸发和聚焦离子束。直写过程快速灵活，并且具有很高的容错能力。一些直写技术，例如气溶胶喷射印刷，不需要基底是平坦的。这为将传感器集成到生物打印支架中提供了机会在大多数情况下，直接写入技术用于创建导电图案。在这种情况下，金属纳米颗粒糊剂或分散体用作油墨这些包括银、金和铜纳米粒子作为三种最常见的材料。碳基油墨也是最近在许多直写技术及其应用中采用的流行系列。这包括碳纳米管、石墨、石墨烯、修饰的碳纳米管及其混合物。一些研究人员报告说，油墨与碳基纳米材料和金属纳米颗粒的混合物在可拉伸电子印刷中具有潜力[122]。随着印刷电子产品的功能和设计越来越复杂，除了导电油墨之外，还需要更多类型的专用油墨。例如，氮化硼纳米管（BNNT）可以分散到某些溶剂中以产生压电油墨。图案化介电材料的薄层有许多应用已经开发了无机和聚合物介电油墨，并且半导体纳米颗粒油墨和聚合物半导体油墨已上市。最近的一些研究正在研究可以通过气溶胶喷射打印来打印的生物墨水见图9。双箭头拉胀设计。(a)计算机辅助设计;（b）通过GeSiM™生物打印机打印的支架的显微照片（标记之间的距离为1 mm）。图10总结了各种直写技术最常用的油墨。在制造层面上，使用直接写入技术将传感能力引入智能支架遇到了一系列挑战，包括可扩展性、产量、毒性、对人体的影响和供应链设计。不同的直接写入技术处于不同的制造就绪水平（MRL）。总体而言，该策略仍处于概念验证阶段。智能支架领域的总体前景表明，在过去十年中，将传感器集成到TE中的兴趣和关注度显著增加有理由相信，在不久的将来，越来越多的4. 结论本文综述了AM技术在构建功能性医学模型和再生组织器官中的各种应用讨论了现有的工作、成果、最新进展和未来的发展趋势。在功能性医疗幻影领域，最近在3D打印方面的工作660K Wang等人/工程3（2017）653图10个。用于各种直写技术的典型油墨，包括（a）金属纳米颗粒，（b）碳纳米管，（c）石墨，（d）碳纳米管/银纳米颗粒，以及(e) 聚酰亚胺。已经提出了仿组织医学体模、放射学相关医学体模和生理学医学体模对生理医学模型的设计与制作进行了详细的讨论。介绍了将这种生理医学模型应用于TAVR手术手术计划的病例。在再生组织和器官领域，综述了这些功能生物结构的3D生物打印的现有工作和结果。介绍了近年来新兴的AM技术在该领域中的应用，包括混合支架材料、可转换支架和集成传感器。通过对以往和新的研究工作和结果的回顾，可以看出新兴的AM技术具有巨大的潜力，可以产生有效的功能结构，用于医疗保健的进步和个性化医疗的实现。遵守道德操守准则Kan Wang、Chia-Che Ho、Chuck Zhang和Ben Wang声明他们没有利益冲突或财务冲突需要披露。引用[1]基扬湾Wohlers报告2017-3D打印和增材制造行业状况-年度全球进展报告。柯林斯堡：沃勒斯公司; 2017年。[2]吴军，李英，张英.口内扫描和三维打印在为张口受限患者制作可摘局部义齿中的应用。美国牙科杂志2017;148（5）：338[3]在增材制造中增加价值：单位王国和欧洲的研究人员期待3D打印进行定制。IEEEPulse 2013;4（6）：22-6.[4]Klein GT，Lu Y，Wang MY.3D打印和神经外科-准备好迎接黄金时代了吗？世界神经外科2013;80（3[5]Gross BC，Erkal JL，Lockwood SY，Chen C，Spence DM.评估3D打印及其对生物技术和化学科学的潜在影响。 Anal Chem 2014;86（7）：3240-53.[6]国立卫生研究院。NIH 3D打印交换[互联网]。[2014年7月9日]。可从以下网址获得：http://3dprint.nih.gov[7]Zopf DA，Hollister SJ，Nelson ME，Ohye RG，Green GE. 用三维打印机制作的可吸收气道夹板。新英格兰医学杂志2013; 368（21）：2043-5。[8]Peltola SM，Melchels FP，Grijpma DW，Kellomäki M.组织工程快速成型技术《医学年鉴》2008;40（4）：268[9]Mironov V，Boland T，Trusk T，Forgacs G，Markwald RR.器官打印：计算机辅助的基于喷射的3D组织工程。Trends Biotechnol 2003;21（4）：157[10]Murphy SV，Atala A.组织和器官的3D生物打印Nat Biotechnol 2014;32（8）：773-85。[11]Kido T，Kurata A，Higashino H，Sugawara Y，Okayama H，Higaki J，et al.使用256排探测器四维CT进行心脏成像：初步临床报告。放射医学2007;25（1）：38[12]Meaney JF，Goyen M.对比增强磁共振血管造影的最新进展。欧洲放射学2007;17（增刊2）：B2[13]Rengier F ， Mehndiratta A ， von Tengg-Kobligk H ， Zechmann CM ，Unterhinning- hofen R，Kauczor HU等人，基于成像数据的3D打印：医学应用综述。国际计算机辅助放射外科杂志2010;5（4）：335[14]Mitsouras D ， Liacouras P ， Imanzadeh A ， Giannopoulos AA ， Cai T ，Kumamaru KK等人。射线照相2015;35（7）：1965- 88.[15]土井湾过去50年的诊断成像：医学成像科学和技术的研究与发展物理医学生物学2006;51（13）：R5[16]作者：Kirchgeorg MA，Prokop M.通过后处理提高螺旋CT的优势应用. 欧洲放射学杂志1998;28（1）：39[17]马赫什·M通过多排探测器从传统CT中寻找各向同性分辨率。射线照相2002;22（4）：949[18]Cook JR，Bouchard RR，Emelianov SY.用于光声和超声成像的仿组织体模。Biomed Opt Express 2011;2（11）：3193[19]Madsen EL，Kelly-Fry E，Frank GR.用于评估压迫乳房超声成像系统的拟人模型。超声医学生物学1988;14（增刊1）：183-201。[20]Madsen EL，Zagzebski JA，Frank GR.一种包含中等大小散射体的拟人超声乳腺体模。超声医学生物学1982;8（4）：381-92。[21]Blechinger JC，Madsen EL，Frank GR.用于磁共振成像体模的组织模拟明胶琼脂凝胶。医学物理1988;15（4）：629[22]Fong PM，Keil DC，Does MD，Gore JC.正常室内大气辐射剂量分布磁共振成像用聚合物凝胶。物理医学生物学2001;46（12）：3105-13.[23]Madsen EL，Fullerton GD.用于核磁共振成像体模的前瞻性组织模拟材料。MagnReson Imaging 1982;1（3）：135[24]Surry KJ，Austin HJ，Fenster A，Peters TM.超声和MR成像用聚乙烯醇冷冻凝胶体模物理医学生物学2004;49（24）：5529[25]Kruger RA，Kopecky KK，Aisen AM，Reinecke DR，Kruger GA，Kiser WL Jr.无线电波热声CT：医学成像范例。放射学1999;211（1）：275-8。[26]D'Souza WD，Madsen EL，Unal O，Vigen KK，Frank GR，Mr.用于多成像模态前列腺体模的组织模拟材料。 医学物理2001;28（4）：688-700。[27][10]杨文辉，李文辉，李文辉.用于窄带和超宽带微波应用的仿组织体模物理医学生物学2005;50（18）：4245-58。[28]王瑞康，马智，柯克帕特里克SJ.用于软组织实时应变率和应变绘图的组织多普勒光学相干弹性成像。应用物理学报2006;89（14）：144103.[29]Sun MK，Shieh J，Lo CW，Chen CS，Chen BT，Huang CW等.可重复使用的组织模拟水凝胶体模用于聚焦超声消融。Ultrason Sono-chem 2015;23：399-405.[30]Schubert C，van Langeveld MC，Donoso LA. 3D打印的创新：从光学到器官的3D概述。英国眼科杂志2014;98（2）：159[31]利普森·H 3D打印的新世界提供了IEEE Pulse 2013;4（6）：12-4.[32]霍伊湾3D打印：在图书馆里做东西。Med Ref Serv Q 2013; 32（1）：94-9。[33][11] Jiang J，et al.使用3D PolyJet打印制造患者特定血管体模的挑战和局限性。Proc SPIE Int Soc Opt Eng 2014;9038：90380 M.[34]3D打印骨预算[互联网].纽约：Shapeways公司; c2008- 2017 [2011年9月14日更新;2017年6月6日引用]。网址：https：//www.shapeways.com/blog/archives/995-3D-Printing-Bone-on-a-budget!. 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