3D打印在生物医学工程教育中的应用：图夫茨大学的创新课程
2024年6月28日，图夫茨大学的学生在工程学院开设的“3D打印人体”课程中探索了3D打印在生物医学领域的应用。课程由生物医学工程系的研究助理教授文森特·菲茨帕特里克和讲师肖光共同教授，旨在激发学生的创新思维。学生团队通过使用有机墨水从褐藻化合物制成的生物墨水，打印了一个膝盖关节软骨——半月板的复制品，可帮助患者再生失去的软骨。另一团队设计了一个更易于操作的夹子原型，用于固定切口，减少组织损伤的机会。学生们还尝试打印跟体内韧带具有相同弹性的跟腱，以支持义肢的灵活性和弹性。课程还包括嘉宾演讲，介绍推动3D打印边界的企业家和世界首款触摸感应仿生手。学生们在课程中学习了不同材料的化学、生物和机械特性，以及它们在不同应用中的适用性。他们通过实践小型项目，如打印基于患者数据的匿名化的模型，加深了对3D打印的理解。学生们在团队项目中尝试解决骨折问题，设计了可提供临时结构支持并促进骨细胞生长的3D打印骨支架。这些项目展示了学生们对复杂问题解决的热情和创造力，以及他们对3D打印技术的兴趣和信心。
3D打印在生物医学工程教育中的重要性
3D打印技术在生物医学工程教育中的应用不仅仅是技术的展示，更是培养学生创新思维和解决实际问题能力的重要手段。2024年6月17日，纽约长岛探索博物馆举办的第七届Maker Faire上，斯托尼布鲁克大学展示了生物医学工程和机械工程系以及艺术与科学学院数学系的教授、研究人员和学生的作品。教授Anurag Purwar展示了SnappyXO Design Robotics kit，鼓励孩子们进行梦想、设计和发明。教授Ete Chan展示了“VIP BEAR and Friends Booth”，展示了生物医学应用的创新和如何利用简单工艺、3D打印和电路改善人类健康和生活质量。数学系教授Moira Chas展示了“Playful Math”展位，展示了不同形状、对称性和谜题。Maker Faire是庆祝科学、技术、工程、艺术和数学创造力的活动，自2015年以来吸引了来自纽约三州地区和世界各地的100多名制作者和2000多名参观者。活动旨在激发年轻人对技术的终身热情，为各年龄段的人提供一个共同庆祝创造精神的机会。
有机墨水在3D打印中的应用
图夫茨大学的学生在课程中使用的有机墨水是从褐藻化合物制成的，这种材料在3D打印中的应用具有重要意义。荷兰代尔夫特理工大学的研究人员利用3D打印技术创造了一种由藻类制成的活性材料。该材料结合了活性微藻和非活性细菌纤维素，具有光合作用和耐用性。研究人员通过生物打印技术将藻类沉积到细菌纤维素中，创造出生态友好、可生物降解的独特材料。这种材料类似植物，可以利用光合作用自我供能，并具有感知环境刺激的能力。研究者表示，这种材料可用于制造人工叶片，用于生产可持续能源，尤其适用于植物不易生长的地方，如外太空殖民地。该项目展示了生态设计的潜力，为发展新型光合作用和响应性活性材料打下基础。该研究于2024年6月18日由代尔夫特理工大学研究人员发布。
3D打印半月板的设计与应用
在图夫茨大学的课程中，学生们成功打印了一个膝盖关节软骨——半月板的复制品，这一成果在生物医学领域具有重要意义。2024年2月15日，《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》发表了一篇题为《3D printed osteochondral scaffolds: design strategies, present applications and future perspectives》的综述文章。文章由大连交通大学机械工程学院和大连大学附属中山医院骨科的研究人员共同撰写，主要探讨了三维打印技术在骨软骨（OC）修复中的应用及其未来前景。骨软骨缺损是全球范围内的临床问题，现有的手术治疗方法无法完全修复OC单元的所有组成部分并恢复其原有功能。三维打印技术的发展为骨和软骨重建提供了新的策略，具有速度快、精度高和个性化定制的优势，能够满足关节OC支架的不规则几何形状、分化组成和多层边界层结构的要求。
文章首先介绍了关节OC组织的梯度结构和生物学特性，重点总结了三维打印OC支架开发的考虑因素，包括材料类型、制造技术、结构设计和种子细胞。从材料组成和结构设计的角度，文章总结了离散梯度支架（双相、三相和多相支架）和连续梯度支架（梯度材料和/或结构、梯度界面）的分类、特征和最新研究进展。最后，文章还描述了三维打印技术在OC界面再生中的重要进展和应用前景。
三维打印技术在OC重建中应模拟软骨下骨和软骨的梯度结构。因此，必须加强对OC结构的基础研究，并继续探索三维打印技术在OC组织工程中的作用，以实现OC支架更好的结构和功能仿生，最终改善OC缺损的修复效果。
文章还详细讨论了OC组织的结构，包括关节软骨、钙化层和软骨下骨。关节软骨主要由透明软骨组成，覆盖在可动关节的表面，具有耐磨、抗摩擦和润滑关节的特性。软骨下骨位于钙化层下方，是一种高度血管化的生物矿化结缔组织，承受来自软骨的应力负荷，缓冲关节冲击。
在三维打印OC修复材料方面，研究人员开发了多种材料，包括天然聚合物、合成聚合物、无机材料、金属及其复合材料。每种材料都有其独特的优点和局限性，研究人员通过交联、材料改性和复合等策略来提高其机械性能和生物活性。
文章还介绍了多种三维打印技术，包括基于粉末的选择性激光烧结和选择性激光熔化技术、基于纤维丝的熔融沉积建模和熔融电写技术、基于液体的喷墨打印和挤出打印技术以及基于光源的立体光刻和数字光处理技术。这些技术各有优缺点，适用于不同类型的OC支架制造。
此外，文章还讨论了OC支架的分类，包括单相支架、双相支架、三相支架和多相支架。每种支架类型都有其独特的设计和应用场景，研究人员通过不同的材料组合和结构设计来实现OC组织的仿生修复。
最后，文章强调了种子细胞在OC组织工程中的重要性，常用的细胞来源包括原代细胞和干细胞。干细胞由于其多向分化能力和自我更新能力，成为OC组织工程研究的热点。
3D打印夹子的开发与应用
图夫茨大学的学生团队设计了一个更易于操作的夹子原型，用于固定切口，减少组织损伤的机会。这一创新在生物医学领域具有重要意义。2023年12月20日，NASA在国际空间站进行的生物打印研究取得重要进展。利用微重力环境，生物打印技术可以制造人体组织和器官，为治疗伤病和器官移植提供可能。研究项目包括使用BioFabrication Facility（BFF）在轨打印心脏组织样本，成功在轨打印人类膝盖半月板，并探索制造人工视网膜以恢复视力。此外，ESA和德国航天局合作展示了便携式手持生物打印机的原型，可加速伤口愈合。生物打印技术还有望在未来太空任务中实现按需生产食物和药物。这一技术的发展将有助于减少太空任务所需材料的质量和成本，为航天员提供更好的健康保障。
3D打印跟腱的开发与应用
图夫茨大学的学生们还尝试打印跟体内韧带具有相同弹性的跟腱，以支持义肢的灵活性和弹性。这一创新在生物医学领域具有重要意义。3D打印技术的发展为生物医学工程提供了新的可能性，能够制造出具有高度仿生特性的组织和器官，从而改善患者的生活质量。
嘉宾演讲与3D打印技术的前沿
图夫茨大学的课程还包括嘉宾演讲，介绍推动3D打印边界的企业家和世界首款触摸感应仿生手。2024年7月4日至5日，意大利Pescara的工业区将举办第四届Additive Days活动，由3D打印服务和咨询公司Treddy以及全球领先的3D打印机、扫描仪和CAD设计软件官方经销商Rimas 3D共同组织。活动将探讨工业3D打印的前沿及其对各个行业的革命性影响，展示最新行业新闻、尖端技术和3D打印材料的应用。活动将展示工业3D打印的潜力、新的添加材料以及二者结合以环保方式创建复杂定制物体的方法。参与者将通过来自HP 3D打印、Caracol AM、Markforged、DWS Systems、AM Solutions和Guzman Polymers等公司的演讲，了解塑造增材制造未来的最新技术和创新材料。活动还将邀请摩托车界标志性人物Loris Capirossi和Danilo Petrucci等进行见证，并有艺术家Erica Abelardo进行沙画表演。Additive Days由VoxelMatters赞助，是了解工业3D打印未来及有效利用的必参活动，得到Pescara市、Confindustria和AITA（Associazione Italiana Tecnologie Additive）等机构的支持。活动将在Pescara的Treddy总部举行，对所有企业和个人免费开放。
3D打印材料的化学、生物和机械特性
在图夫茨大学的课程中，学生们学习了不同材料的化学、生物和机械特性，以及它们在不同应用中的适用性。这一知识对于理解和应用3D打印技术至关重要。不同的3D打印材料具有不同的特性，适用于不同的应用场景。例如，天然聚合物、合成聚合物、无机材料、金属及其复合材料都有其独特的优点和局限性。研究人员通过交联、材料改性和复合等策略来提高其机械性能和生物活性。
3D打印骨支架的开发与应用
图夫茨大学的学生们在团队项目中尝试解决骨折问题，设计了可提供临时结构支持并促进骨细胞生长的3D打印骨支架。这一创新在生物医学领域具有重要意义。3D打印技术的发展为骨和软骨重建提供了新的策略，具有速度快、精度高和个性化定制的优势，能够满足关节OC支架的不规则几何形状、分化组成和多层边界层结构的要求。
总结
图夫茨大学的“3D打印人体”课程展示了3D打印技术在生物医学工程教育中的重要性。学生们通过实践项目，学习了不同材料的化学、生物和机械特性，探索了3D打印在生物医学领域的应用。这些项目展示了学生们对复杂问题解决的热情和创造力，以及他们对3D打印技术的兴趣和信心。通过使用有机墨水、设计3D打印半月板、开发3D打印夹子和跟腱，学生们展示了3D打印技术在生物医学领域的巨大潜力。嘉宾演讲和前沿技术的介绍进一步激发了学生们的创新思维，为他们未来的研究和职业发展打下了坚实的基础。图夫茨大学的这一课程不仅是技术的展示，更是培养学生创新思维和解决实际问题能力的重要手段，为生物医学工程教育提供了新的可能性。
参考新闻资料:
- Students at Tufts University Explore 3D Printing for Biomedical Applications
- Encouraging Others to Dream and Invent at the Maker Faire
- TU Delft Researchers Use 3D Printing to Create Living Material from Algae
- 3D printed osteochondral scaffolds: design strategies, present applications and future perspectives
- 3D Bioprinting – NASA
- Treddy to showcase the future of industrial 3D printing at Additive Days 2024
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