納米技術在生物醫學的應用

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納米技術在生物醫學的應用范文第1篇

【關鍵詞】納米金；生物醫學技術；應用現狀

1前言

如今納米技術隨著時代的發展已經得到了很大的發展，成為了科學研究的熱點，納米金是指直徑0．8～250mm的締合金溶膠，它屬于納米金屬材料中研究最早的種類，納米金具有良好的納米表面效應、量子效應以及宏觀量子隧道效應，它具有很多良好的化學特性，比如抗氧性和生物相容性。

2納米金在病原體檢測技術中的應用現狀

近些年來生物醫學界對于流行病學的研究和對病原微生物的診斷已有了不小的進展，傳統的分離、培養及生化反應逐漸被時代所淘汰，運用納米金的免疫標記技術作為新的高通量的、操作簡單的檢測技術被廣泛應用于臨床病原體的檢測，這種檢測技術快速且準確，十分適合在臨床上使用。1939年，兩位科學家Kausche和Ruska做了一個小小的納米金實驗，他們將煙草花病毒吸附在金顆粒上，并在電子顯微鏡下觀察，發現金離子呈高電子密度，就此打下了納米金在免疫電鏡中的應用基礎。從1939年后生物醫學技術不斷發展，納米金標記技術也廣受世人關注，成為了現代社會四大免疫標記技術之一。作為一種特殊標記技術，納米金在免疫檢測領域受到了廣泛的應用，使用納米金粒子做探針，觀察抗原抗體的特異性反應，放大檢測信號，由此檢測抗原的靈敏性。納米金技術具有良好的檢測靈敏性，在早期還支持診斷并監控了急性傳染性病毒，根據這一特性，秦紅設計了快速檢測黃熱病病毒的技術，在納米金顆粒上標記上金SPA－復合物的標志，通過免疫反應實驗我們發現病毒抗體與納米金顆粒結合，并形成了人眼可見的紅線。這種檢測方法的優點有:不需要器材、簡單、迅速、廉價、高效，極大地推動了黃熱病病毒檢測技術的更新，在黃熱病的防控事業上有著深遠意義。利用納米金作為免疫標記物來檢測的除了黃熱病病毒，還有致病寄生蟲。我國的民族種類多樣，一些少數民族人民由于自身的文化特點，喜食生食或半生食物，這就形成了寄生蟲病的傳播，我國經濟大發展后，人民的生活水平得到了提高，但還是喜食半生動物肉或者內臟，造成了食源性寄生蟲病發病率的上升，嚴重影響人民身體健康。目前我國的臨床診斷寄生蟲病技術包括三方面:病原學檢查、免疫學檢查以及影像學檢查。運用納米金檢測技術，不僅縮短了取材時間、縮小了取材范圍，而且檢出率高、創傷性小，受到了患者的廣泛歡迎。

3納米金在核酸、蛋白質檢測中的應用現狀

納米金粒子具有特殊的表面等離子體共振現象，被應用在核酸構建和分析檢測蛋白質領域中，可以把生物識別反映轉換為光學或電學信號，因此人們將其與DNA、RNA和氨基酸相結合，在檢測核酸和蛋白質方面收效頗豐，并且這種檢測方法制備簡單，同時還具有很多優點，比如良好的抗氧化性和生物相容性，下面具體講一下納米金檢測技術在核酸和蛋白質檢測中的應用。首先是在核酸檢測中的應用。美國首先利用納米金連接寡核苷酸制成探針檢測核酸，將納米金做標記與靶核酸結合形成超分子結構，由此來檢測核酸。利用納米金技術檢測特定病原體和遺傳疾病首先要做的就是檢測核酸的特定序列，在芯片點陣上整齊排列納米金顆粒，利用TaqDNA連接酶識別單堿基突變，等待連接后，就可以經過一系列步驟得出單堿基突變結果，得到所需信息。在臨床應用中使用納米金技術的表現有高靈敏檢測谷胱甘肽和半胱氨酸的新型電化學生物傳感器，這種機器對于谷胱甘肽和半胱氨酸的檢出限值更低，在檢測及預防糖尿病、艾滋病等疾病方面具有很大的臨床優勢。其次是在蛋白質檢測中的應用。納米金與蛋白質的作用方式非常多樣，有物理吸附方式、化學共價結合方式以及非共價特異性吸附等等方式，在此背景下，我們可以利用納米金檢測并治療疾病和檢測環境污染。

4納米金在生物傳感器制備中的應用現狀

目前納米金在生物傳感器檢測中的應用受到了人們的普遍關注，如上文所說，納米金具有特殊的表面等離子體共振現象，這是制備生物傳感器的基礎。利用這種特性，科學家們做了許多實驗，比如拉曼光譜試驗，使用Uv－Vis光譜和拉曼光譜儀測試金納米顆粒的表征，得出結論是可以根據納米金顆粒的不同形貌制作不同濃度分子的探針，受外周環境介電特性和顆粒尺寸大小的影響，納米金顆粒會表現出不同的形貌特征，比如吸收光譜、發生藍移。納米金是屬于一種非常微小的貴金屬，作為貴金屬，它具有很好的導電性能，利用納米金進行免疫檢測時會大量聚集納米金，從而增強反應體系的電導，順利通過電導檢測免疫反應。利用納米金的高檢測靈敏性可以進行電化學免疫傳感器的制備。

5其他領域的應用現狀

目前納米技術的研究中，納米金在生物醫學技術中的應用研究是重要研究課題，除了上文中說到的病原體檢測、核酸以及蛋白質檢測還有生物傳感器制備中的應用，納米金技術同時也被廣泛應用于腫瘤的診斷與治療、藥物載體以及CT成像。納米金具有特殊的組成結構，它可以輕易被修飾并負載化合物，可以用于檢測并治療腫瘤，還可以被用于肺癌的檢測及治療，目前的大量數據都表明納米金技術在診斷并治療肺癌上有極大的優勢。

6結語

21世紀生物醫學技術領域最關鍵的技術之一就是納米金標記技術，作為一種十分精細的技術，它幾乎不影響生物分子的活性，就這一點而言，它是非常好的標記物。我們可以想見，納米金技術因其自身的諸多優點，必會獲得更大的生物醫學發展空間。

參考文獻:

［1］艾桃桃．納米金在生物醫學領域中的應用［J］．陜西理工學院學報(自然科學版)，2010，04:63～68，95．

［2］王英澤，黃奔，呂娟，梁興杰．納米技術在生物醫學領域的研究現狀［J］．生物物理學報，2009(03):168～174．

［3］李家萌，曹穎，趙媛，楊毅梅．納米金在生物醫學技術應用的研究現狀［J］．中國寄生蟲學與寄生蟲病雜志，2016(02):1～5．

納米技術在生物醫學的應用范文第2篇

【關鍵詞】納米 電子學 趨勢

隨著納米技術的廣泛運用，已經延伸到社會中的各個領域。目前已經研究出的納米電子技術產品多種多樣，這些納米技術的產品不但性能優良，最主要的是功能奇特。但是值得注意的是科學家對于納米電子技術的研究還不夠深入，那么以后的還需要從新型電子元器件以及碳納米管等方向入手進一步研發。

1 納米電子技術的發展現狀

1.1 納米電子材料的應用

現階段納米材料主要有納米半導體材料、納米硅薄膜以及納米硅材料等類型。在這些納米電子材料中，可以說納米硅材料最有發展前景，同時還符合當前社會對于電子技術的實際需求。通過對納米硅材料與其他納米電子材料進行比較后，可以看出納米硅材料具有以下特點：首先，納米硅材料在不斷研發的背景下其成本處于逐漸降低的趨勢，其次，該材料還具有能耗低、準確性高以及不易受外界影響的特點。最后，由于納米硅材料中分子與分子所存在的距離較小，因此可以一定程度的提升納米電子材料的反映速度，最終達到提升工作效率的目標。

1.2 納米電子元件的應用

可以說納米電子元件是以集成元件以及超大規模集成元件為基礎的。其具體研發歷程是在上個世紀50年代美國研究者對集成電路進行研發之后而開始的，然后經過多年的發展后逐漸從中型、大型轉變為超大型的集成電路和特大類型的集成電路。在此背景下，其納米電子元件的尺寸越來越小，現階段的電子元件尺寸在0.1到100nm范圍之內。

1.3 應用于現代醫學領域

特別是在納米技術的不斷發展過程中，其納米電子技術逐漸應用到醫學的領域。可以說在醫學治療的過程中，可以利用納米電子技術的特點在細微部分的檢測與觀察方面。在普通顯微鏡無法觀測的物品可以通過納米電子技術進一步剖析。與此同時，還可以將電化學的信息檢測流程中融入納米傳感器的方式對生化反應進行診斷。同時，在納米電子技術不斷發展的背景下，產生了很多方面的高科技醫學產品，例如伽馬刀、螺旋CT以及MRI等。可以說生物醫學以及電子學的融合對于納米電子技術的發展具有重要的意義，納米電子技術在生物醫學的電子設備集成化具有很大的發展空間，在未來的發展中，可以將納米電子元件的尺寸控制在分子與原子的大小之間，進而就會將微小生物體的研究帶到一個新的領域。

2 納米電子技術的發展趨勢

通過對納米電子技術的發展現狀進行分析后可以看出納米電子技術在未來發展具有很大的空間，對此主要可以從新型電子元器件、石墨烯以及碳納米管等方向入手。

2.1 新型電子元器件

對納米電子技術的當前模式分析后，可以斷定在未來十年內必然會經過飛速發展的歷程。特別是當前市場對于新型電子元器件的需求逐漸增多的背景下，還需要根據實際需求來對新型電子元器件進行擴展與完善。對此，可以從單電子器件、共振隧穿電子器件、納米場效應晶體管、納米尺度MOS器件、分子電子器件、自旋量子器件、單原子開關等新型信息器件的方向入手，在保證了納米電子技術朝著良好的方向發展的同時，還可以延續摩爾定律以及CMOS的研究成果。

2.2 碳納米管

可以說碳納米管是納米電子技術的發展重要方式，碳納米管的本質是一種一維的納米材料，其最大的特點是具有重量輕以及完美六邊形的結構。因此在實際的運用中，碳納米管具有良好的傳熱性能、光學性能、導電性能、力學性能以及儲氫性能等。與此同時，碳納米管在納米電子方面具有重要的作用，并作為現階段晶體管中主要的材料，對此有效的碳納米管可以對集成電路的效率進行提升。

2.3 憶阻器

所謂憶阻器就是就是經過了繼電阻器、電容器以及電感元件發展之后而發展的一種模式。并且憶阻器是模擬信號的方式來對非線性動態納米元件而組成的具有交叉開關模式的納米電子技術。憶阻器的屬性不但與CMOS類似，更主要的是其具有功率低、體積小以及不受外界因素影響的特點，進而在未來的發展中可以有效的代替硅芯片等材料。

2.4 石墨烯

同時，石墨烯作為新型的納米材料來說，不但具有超薄的特征，最主要的是其質地還是非常堅硬的。并且在正常狀態下石墨烯電子的傳輸速度要比其他類型的納米電子材料快，正是由于多方面的因素使得對于石墨烯的研究具有重要的意義。石墨烯和其他導體具有很大的區別，進而在碰撞的過程中其能量不會有損失。在對石墨烯的未來進行研究與設想后，根據專家預計在10年后可成功研制性能優異的石墨烯類型的導體材料與晶體管。

2.5 納米生物電子

最后，納米電子技術還可以與生物技術進行有效的融合，也可以認為納米生物電子是以多個領域為核心共同建設的。在對納米電子技術帶入生物領域的過程中，利用納米電子技術的自身特點可以制造出關于納米機器以及附屬的納米生物醫用的材料產品等，進而可以在醫學領域中取得一定的成果，最終達到為人類健康做出巨大貢獻的目標。

3 結束語

總之，在電子科學不斷發展的背景下，其納米電子技術的發展越來越受到國際的重視。通過對納米電子技術的應用現狀進行分析后，可以發現其應用的領域越來越廣泛，也就是說納米電子技術完全融入到我們日常生活當中指日可待。通過采用納米電子技術可以實現一種高效、科學而環保的生物材料、電子晶體管以及醫學設備等，最終達到改善人們的生活現狀的目標，讓人們切切實實地體驗納米時代。

參考文獻

[1]葉原豐，王淮慶，郝凌云.碳納米管在電子器件中的應用[J].金陵科技學院學報，2010（02）.

[2]許高斌，陳興，周琪，王鵬. 碳納米管場效應晶體管設計與應用[J].電子測量與儀器學報，2010（10）.

[3]余巧書.納米電子技術的發展現狀與未來展望[J].電子世界，2012（12）.

[4]劉長利，沈雪石，張學驁，劉書雷.納米電子技術的發展與展望[J].微納電子技術，2011（10）.

[5]杜晉軍，李俊，洪海麗，劉振起.納米電子器件的研究進展與軍事應用前景[J].裝備指揮技術學院學報，2004（04）.

納米技術在生物醫學的應用范文第3篇

縱觀當今生物醫學領域跨學科組織，公認的跨學科研究和教育的先驅和典范當數美國哈佛大學與麻省理工學院(MIT)合作成立的“哈佛-MIT健康科學技術學部”(TheHarvard-MITDivisionorHealthSciencesandTechnology，HST)，現又稱為懷特健康科學技術學院［2］。HST是哈佛大學和MIT在生物醫藥工程等學科方面進行合作而成立的跨學科組織。哈佛大學充分利用MIT交叉學科的優勢，以通過跨領域合作改善人類健康為研究宗旨，主要在生物醫學成像、生物醫學信息與綜合生物學、再生和機能生物醫學技術等研究領域進行合作。這些領域的合作研究將對生物和健康知識的進步發揮出至關重要的作用。MIT自20世紀60年代進入大規模的跨學科研究時代，如今已擁有70余個跨學科研究中心和研究組織，如雷達研究組織、HST、計算機系統生物學研究所(ComputationalandSystemBiologyInitiative，CSBi)等［3］，并在5個學院內部以及學院之間構成不同形式、不同層次相互交叉的跨學科研究體系，為美國重大戰略性科學和技術的創新和發展做出了巨大的貢獻。其中，2003年成立的CSBi，作為MIT最具代表性的虛擬跨學科組織，是MIT最大的跨學科組織之一，其教育與科研成果在美國乃至全世界都達到了領先地位。CSBi主要通過特定的技術平臺把MIT的三個關鍵學科領域，即生物學、計算機科學和工學三者交叉融合而展開大型跨學科項目合作研究，運用跨學科研究方法對復雜的生物現象進行系統分析與計算機建模，同時培養相關領域跨學科人才。在世界大學跨學科研究領域，美國斯坦福大學“Bio-X”研究中心(又名“Bio-X”跨學科研究計劃)，已經成為跨學科研究的典范，尤其是開啟了生物學交叉學科研究的一個新時代，在生命科學跨學科研究領域已成為一個著名“品牌”［4］。

美國斯坦福大學“Bio-X”研究中心創立于1998年的一個跨學科研究和教育項目，主要涉及生物工程、生物醫學、生物科學三大領域，跨越文理學院、工程學院和醫學院三大學院。其實質就是一個由生命科學與數學、物理、化學、工程學、醫學、計算機科學等學科的多學科交叉研究機構［5］。Bio-X研究中心將基礎、應用和臨床科學中的邊緣研究結合在一起，進行從分子到機體各個層次的生物物理學研究，以實現生物工程、生物醫學、生命科學等領域新的發現和技術創新。發展至今，研究中心已取得包括成功破譯人類遺傳基因密碼，發展觀測人體細胞在人體中如何活動的技術等眾多的開創性成果，使硅谷的這所名牌大學在科學發現和教學方面處于領先地位。在歐洲，英國1990年已設立了包括牛津的分子科學與分子醫學等17個研究中心［6］。2001年，牛津大學和劍橋大學牽頭成立了由英國政府的工程和物理科學研究委員會、生物科學技術研究委員會、醫學研究委員會和國防部共同組成的納米技術跨學科研究伙伴機構(IRC)，開展了前沿生物納米技術方面的研究。德國慕尼黑工業大學(TUM)以工程、自然科學、生命與食品科學、醫學與運動科學等優勢領域，建立了與生命科學、營養和食品科學、生命技術學、生物信息學和醫學等學科的強有力的跨學科合作。

縱觀世界一流大學跨學科組織建設與管理，具有以下共性特點:①政府、學校宏觀政策的支持是跨學科組織發展的保障基石。如美國國家科學院協會2004年發表了《促進交叉學科研究》報告;哈佛大學就曾明文對該校跨學科動議項目的政策扶持作了規定。②組織結構與管理合理，強調多學科組織的強強聯合、優勢互補的組織合作，如MIT與哈佛大學共同合作的“哈佛－MIT健康科學技術學部”。③注重跨學科研究和教育的協同發展，如美國的HST就是主要通過研究影響疾病與保健的基礎原理，開發新的藥物與儀器，致力于培養醫師-科學家，通過跨領域合作改善人類健康。④提供跨學科研究經費，如美國國立衛生研究院(NIH)作為美國聯邦政府最大的生物醫學研究機構，強調對多學科、跨學科和多機構聯合的醫學研究項目的資助，如2007年就給9個科學研究聯合體提供了2．1億美元的研究經費［7］。⑤多樣化的激勵措施，重視獎金發放和提供實踐機會等。

2我國大學生物醫學跨學科組織建設與發展

我國學科交叉研究萌生于20世紀50年代，而80年代初召開“首屆交叉科學學術討論會”，基本就被認定為我國跨學科研究的全面展開。到20世紀90年代，我國大學關于跨學科研究的建制開始引人關注。特別是我國“985”二期工程，為突出重大科學問題和現實問題引導，凝聚了不同學科背景的研究者開展跨學科研究，著力建設了一批創新平臺。目前“985工程”科技創新平臺與基地是我國大學跨學科研究的重要組織形式，其中就包括大批生物學與醫學創新平臺的實體機構。2000年，北京大學成立了生物醫學跨學科研究中心。多年來，該中心將基礎科學、技術應用和臨床科學的前沿研究結合在一起，形成了以單細胞原位實時微納米檢測與表征研究，數字化診療儀器技術研究，醫學信號與圖像分析研究，大氣壓低溫等離子體生物學效應及醫學應用研究等四大主要研究方向，建立了跨學科的實驗室和研究平臺，組織了30余個跨學科研究項目，取得了系列跨學科研究成果［8］。

同時，該中心注重各有關學科優勢互補、相互合作，對來自生命科學、物理化學、基礎醫學等基礎學科，以及來自電子學、計算機技術、生物醫學工程、臨床醫學等眾多應用和工程學科的研究生，開展生物醫學工程跨學科前沿領域的研究和人才培養，形成了新的學科生長點，培養出了具有交叉學科背景的新型人才。2006年，北京大學成立了前沿交叉學科研究院。生物醫學跨學科研究中心至此成為前沿交叉學科研究院的研究中心之一。2010年，基于系統生物學的研究現狀、發展趨勢及其廣闊的應用前景和重大的現實意義，北京大學建立了系統生物醫學研究所。該研究所注重復雜系統的研究和學科交叉，并且與環境因素相結合，主要針對重大疾病，如腫瘤、心腦血管疾病、代謝性疾病等研究領域作為重點和突破點進行系統生物學研究［9］。2004年，清華大學順應跨學科研究趨勢，改革科研體制，通過將分散于全校各院系的有關生命科學、醫學及相關的工程學科統一組織和協調起來，重點支持和建立了包括“清華大學生命科學與醫學研究院”在內的若干研究所(或研究平臺)，加強和促進生命科學與醫學的發展及其與其它工程學科間的交叉合作［10］。

同年，復旦大學組建生物醫學研究院。作為國家“985工程”二期建設的科技創新平臺，目前研究院以“轉化醫學”為目標，形成了包括疾病系統生物學、出生缺陷與發育生物學、疾病發生的分子機制、創新藥物和結構生物學等主要研究方向和研究團隊，建設了功能蛋白質組學、基因組學、癌癥研究、心血管研究、分子與細胞生物學、藥物與結構以及公共技術平臺等10個技術平臺，建立了基礎科學與臨床需求的緊密聯系，為重大科研項目的實施和跨學科合作研究工作的開展提供了有力支撐［11］。此外，研究院重點把學校所屬上海醫學院、生命科學學院、化學系、藥學院、公共衛生學院及相關附屬醫院等院系等有機地穿插在一起，在疾病蛋白質組學、化學生物學、生物化學與分子生物學、腫瘤學、干細胞生物學、分子藥理學等專業培養研究生，開展跨學科研究生教育。2000年，上海交通大學成立“Bio-X生命科學研究基地”。2005年，與神經生物與人類造化學研究室重組成立“Bio-X生命科學研究中心”(現改為研究院)，是繼美國斯坦福大學后的世界第二個、中國第一個Bio-X研究中心［12］。2007年，學校又成立了系統生物醫學研究中心。

該中心是集生物、醫學、物理、工程、數學、信息、計算等不同學科，集研究、教育、開發及服務于一體的生物醫學研究與開發的公共技術平臺。中心立足于以系統生物學的方法為基礎，致力于在生物整體水平、細胞和發育生物學以及單細胞分析領域開展多學科交叉融合的系統生物醫學研究。同年，隨著原上海第二醫科大學的并入，上海交通大學成立了Med-X研究院。Med-X研究院主要依托學校臨床醫學學科和理工科優勢，涉及生物醫學工程、生物學、影像醫學與核醫學、材料科學與工程四個研究領域，以解決臨床醫學問題為目標導向，進行前沿性醫學科學研究，開發高尖端領先性醫療技術產品，構建國際化、多學科交融、多資源共享、多方位服務的開放式醫學應用研究平臺，建立醫療技術產品研發－技術轉化－臨床應用體系［13］。

3我國大學生物醫學跨學科組織建設困境與借鑒

從建設與管理實踐看，我國依托大學建立的跨學科研究中心正在遭遇重重困難和種種挑戰，并突出體現在跨學科研究的管理體制和運行機制的障礙與缺失，跨學科研究的組織結構障礙與沖突，學科文化障礙與跨學科研究范式的缺失，跨學科研究的資源配置障礙與沖突，跨學科研究評價(利益)的障礙與沖突等方面。在管理體制和運行機制上，大學教師的跨學科研究意識還不強;大學現行的學術管理體制和運行機制對跨學科研究缺乏支撐力和推動力;行政權力與學術權力的失衡，競爭與合作的失衡，缺乏系統的執行架構和機制;缺乏跨學科研究改革與創新的切實措施和效率最大化的管理模式。在組織結構上，各學科仍相對封閉，跨學科研究的合作機制與條件缺失，學科間未能實現協調發展，跨學科組織內各要素尚不能完全產生協同作用，妨礙了跨學科組織系統的有序運行。在研究資源上，資源投入的主體和方式較為單一，力度小，持續性差，分散度較高，

納米技術在生物醫學的應用范文第4篇

【關鍵詞】 3-D打印； 全膝關節置換； 臨床應用

3-D打印技術，是以計算機三維設計模型為藍本，通過軟件分層離散和數控成型系統，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、細胞組織等特殊材料進行逐層堆積黏結，最終疊加成型，制造出實體產品。最早起源于19世紀末的美國，隨著智能化的發展，3-D打印技術逐步成熟，并應用于各行業，影響著人們的生活。近年來，3-D技術應用于醫學行業有廣泛的報道，蘇格蘭科學家 Faulkner-Jones等利用細胞打印出人造肝臟組織[1]。本院將3-D打印技術運用于全膝關節置換，取得良好的臨床效果，現報道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料 本組6例患者，男3例，女3例，68～81歲，平均74.6歲。納入標準：（1）符合骨關節炎診斷標準。（2）所有病例手術前均全面體檢及輔助檢查，并經1位資深主任醫師手術治療，手術后住院2周以上。（3）所有骨關節炎病例均為Holden Ⅳ級病例（即嚴重硬化、關節間隙消失）。

1.2 方法

1.2.1 術前準備 術前行關節X線片、膝關節CT掃描。術前有內科疾病的請相關內科科室會診、治療。待病情平穩，無明顯手術禁忌證時進行手術。

1.2.2 方法 CT掃描范圍：包括髖關節、膝關節、踝關節。所需的解剖結構包括：獲得軸向平面的所有切片髖關節影像（髂前上棘至恥骨聯合）；膝關節影像（膝關節上下100 mm，包括脛骨結節附著的髕韌帶）；踝影像（踝關節以下至跟骨中央）。切片厚度和間距：建議軸向平面切片1.25 mm×1.25 mm或1 mm×1 mm，當需要增加層厚時，層厚不得低于2 mm。視野（FOV）使用同一的視野，在掃描過程中不要改變，需要仔細對準腿以獲得股骨頭、膝關節和踝。切片時，不要隨意改變X和Y軸的坐標原點，即所有CT切面具有同一個坐標系，數據格式：DICOM，CT設備通用格式。圖像通過計算機建模軟件（CAD）建模，再將建成的三維模型“分區”成逐層的截面，后通過成快速成型文件格式STL將三維數字化模型輸入3-D打印機。打印機將打印出膝關節模型，術前根據模型畸形的矯正程度，假體安放位置評估、模擬操作，并制定合適的假體。本文對患者左腿手術進行股骨假體設計及脛骨假體設計。術中根據術前測量截骨量進行截骨，并安放定制的假體，記錄手術時間及假體的匹配度。

1.3 術后處理 術后3 d使用抗生素預防切口感染，術后24～48 h拔除引流管，3 d后下床行膝關節功能鍛煉。

2 結果

患者平均手術時間為45 min，較過去減少；出血量減少；下床時間為術后3 d，術中假體使用與術前定制假體匹配，截骨及假體放置均一次成功。隨訪3個月～1年，未出現關節感染、假體松動現象。患者膝關節HSS評分均大于85分，屈伸活動功能好，改善明顯。

3 討論

3.1 3-D打印技術的原理 3-D打印技術是一種數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。其基本原理為：（1）設計過程：首先通過計算機建模軟件（CAD）建模，再將建成的三維模型“分區”成逐層的截面，后通過成快速成型文件格式STL將三維數字化模型輸入3-D打印機。（2）打印過程：打印機通過讀取文件中的橫截面信息，用液體狀、粉狀或片狀的材料利用激光束或熱熔噴嘴等方式，在平面方向X-Y方向黏結成截面形狀，然后在Z坐標方向將各層截面進行逐層疊加，粘合起來從而制造出一個實體。與傳統的“切削去除”材料方法（如3-D雕刻）不同，3-D打印采用“逐層增加”材料的方式來制作三維實體[2]。

3.2 3-D打印技術在外科中的應用 3-D打印技術作為一種新發展的技術，發展迅速，目前已在工業制造、生物醫療等得到了長足發展，并取得了一定的成效，近年來已逐漸應用于骨科領域，完善了骨科復雜手術的術前準備，使手術由復雜變簡單化。它通過采集術前CT、X線等影像數據，經過CAD計算機軟件處理，輸入快速成型機器，制成實體硬組織一致的模型，有助于術前準確了解硬組織的細微解剖結構及病變與周圍結構的關系，提示截骨線、骨塊移動的位置信息等，起到指導手術的作用[3]。在口腔頜面部應用上，Levine等[4]將該技術應用于下頜骨重建術、正頜手術、頜面部創傷修復和顳頜關節重建術等70余例手術，取得良好的重建及手術效果。Mazzoni等[5]通過打印導板，術前模擬引導手術，并在術前及術后和CT影像進行手術的傳統術中下頜骨4個解剖位點（髁突外側點、下頜骨正中點、下頜骨牙弓曲度和髁突空間位置）進行術中具置與術前規劃的偏差，認為在導板引導下的個性化骨板植入術可大大縮短手術時間，提高手術精確性，尤為在髁突空間位置和下頜骨牙弓曲度作用明顯。將該技術應用于脊柱及復雜骨盆手術應用研究方面，有報道取得良好的手術效果。Guarino 等[6]將3-D打印技術應用于10例小兒脊柱側凸及3例復雜骨盆骨折，結果表明該技術提高復雜骨盆骨折分類的準確性及椎弓根釘植入的準確性，減少醫源性脊髓損傷幾率，并縮短手術時間。Sun等[7]分別將3-D打印技術應用于骨盆腫瘤患者，在打印的骨盆模型上切除半骨盆，然后設計個性化人工半骨盆假體，取得了滿意臨床效果。而在一些特異性高的手術上，3-D打印技術不僅可以模擬骨骼實體，還可以根據手術要求制備個體化手術器械。Lee等[8]應用該技術制備了個體化股骨假體和股骨髓腔導向器，使手術更精準，成功為2例石骨癥患者施行人工全髖關節置換術。在關節外科應用上，3-D打印技術因其可以為患者“量身定制”個體化模型，使關節置換中假體型號的選擇、假體安放位置的準確性以及畸形的矯正程度等技術難題得到解決。這使得關節嚴重畸形、軟組織嚴重攣縮的患者的術前手術方案的制定簡單化、準確化，從而提高關節外科復雜高難度手術的成功率，使手術更精確、更安全。Won等[9]報道利用該技術成功為21例髖關節嚴重畸形患者制定手術方案術中明顯縮短了手術時間、出血量，術后影像學提示假體匹配良好。Sciberras等[10]首次將該技術應用于1例復雜髖關節翻修術，根據3-D打印技術制作的假體，進行詳細的術前評估和模擬操作，手術獲得了成功。He等[11]利用3-D打印技術制備了半膝關節和人工骨模具，分別通過快速鑄造和粉末燒結成型技術制備出個體化鈦鋁合金半膝關節和多孔生物陶瓷人工骨，并將組裝后的復合半膝關節假體植入患者體內，術后隨訪表明該復合半膝關節假體與周圍組織、骨骼匹配良好，并且具有足夠的機械強度。

本院應用3-D打印技術應用于全膝關節表面置換術，有利于制定最佳手術方案，指導開展個體化關節外科手術，術前有效確定植入物的類型、大小和位置，使手術操作更精準，手術一次性完成，減少了操作、術中使用工具數量，從而減少了手術時間，取得了良好的臨床療效。這與報道的臨床實踐相符合[12]。

3.3 3-D打印技術目前存在的缺點 3-D打印技術可以將抽象的三維數字模型轉變成為直觀、立體的實物模型，降低了高難度手術的術前準備、減少了手術時間、提高了手術的成功率，作為一項革命性的新技術，其顛覆了傳統醫療模式。但3-D打印目前仍然存在使用上的缺點。（1）因該項技術尚未得到廣泛推廣，3-D打印的使用費用高，包括3-D打印設備的購置、運行，打印材料及相關專業人員費用，大多數患者不能承擔其費用，在部分地區僅用于醫學研究。（2）打印材料不能滿足臨床醫學的需求。目前大多打印的假體因其材料使用有限，不具有生物相容性、可降解性，大多僅用于模型供術前準備，而不是作為實體安放于體內。（3）3-D技術因打印模型的個體化，使得在打印部分要求較高的模型時，耗時時間較長，且該項技術要求院內學科合作，這使得急診手術在3-D打印技術中不占優勢。

3.4 3-D打印技術在關節外科應用中的展望 盡管3-D打印在目前存在部分缺點，但其在未來關節外科發展中必會起到決定性的作用。目前在生物醫學領域，3-D打印技術已被應用于器官模型的制造與手術分析策劃、個性化組織工程支架材料和假體植入物的制造，以及細胞或組織打印等方面[13]。3-D打印技術被廣泛應用于組織工程骨和軟骨研究領域，在關節外科修復重建領域展示了良好的應用。采用3-D打印技術制備的組織工程支架材料不僅具有與缺損組織相匹配的解剖外形，同時也具有滿足細胞黏附、增殖的內部三維多孔結構[14]。Billiet等[15]應用該技術輔以微米、納米技術，可根據需要設定特定的孔隙率、交聯，顯著提高支架的生物學及力學性能，使其有利于細胞黏附、增殖、分化，從而促進骨組織生長及骨折愈合等。Lee等[16]和Woodfield等[17]將3-D打印的骨軟骨支架應用于動物實體，取得良好的效果。Xu等[18]利用靜電紡絲和噴墨打印相結合的方法制作組織工程軟骨。將活細胞和支架材料一同打印是3-D打印技術在關節外科基礎研究領域應用的進步性標志，但如何實現細胞在支架內按照預制組織結構進行精準分布、如何構建營養通道血管、如何提高打印組織的機械性能等，都是未來研究方向[18]。隨著3-D打印技術的不斷發展，自體“生物型人工關節”將在未來成為可能。

參考文獻

[1] Faulkner-Jones A，Greenhough S，King J A，et al.Development of a valve-based cell printer for the formation of human embryonic stem cell spheroid aggregates[J].Biofabrication，2013，5（1）： 15 013.

[2] Rengier F，Mehndiratta A，Von Tengg-Kobligk H，et al.3D printing based on imaging data： review of medical applications[J].Int J Comput Assist Radiol Surg，2010，5（4）：335-341.

[3] Olszewski R.Three-dimensional rapid prototyping models in craniomaxillofacial surgery： systematic review and new clinical applications[J].P Belg Roy Acad Med，2013，11（2）：43-77.

[4] Levine J P，Patel A，Saadeh P B，et puter-aided design and manufacturing in craniomaxillofacial surgery： the new state of the art[J].J Craniofac Surg，2012，23（1）：299-293.

[5] Mazzoni S，Marchetti C，Sgarzani R，et al.Prosthetically guided maxil-lofacial surgery： evaluation of the accuracy of a surgical guide and custom-made boneplate in oncology patients after mandibular recon-struction[J].Plast Reconstr Surg，2013，131（6）：1376-1385.

[6] Guarino J，Tennyson S，Mc Cain G，et al.Rapid prototyping technology for surgeries of the pediatric and pelvis[J].J Pediatr Orthop，2007，27（8）：955-960.

[7] Sun W，Li J，Li Q，et al.Clinical effectiveness of hemi pelvic recon-struction using computer-aided custom-made prostheses after resec-tion of mal ignant pelvic tumors[J].J Arthroplasty，2011，26（8）：1508-1513.

[8] Lee M，Wu B M.Recent advances in 3D printing of tissue engineering scaffolds[J].Methods Mol Biol，2012，868（15）：257-267.

[9] Won S，Lee Y，Ha Y，et al.Improving pre-operative planning for com-plex total hipreplacement with a rapid prototype model enabl ing surgical simulation[J].Bone Joint J，2013，95B（11）：1458-1463.

[10] Sciberras N，Frame M，Bharadwaj R，et al.A novel technique for pre-operative planning of severe acetabular defects during revision hip arthroplasty[J].Bone Joint J，2013，95B（30）：63.

[11] He J，Li D，Lu B，et al.Custom fabrication of a composite hemi-knee joint based on rapid prototyping[J].Rapid Prototyping Journal，2006，12（4）：198-205.

[12] Zhang S，Liu X，Xu Y，et al.Application of rapid prototyping for tem-poromandibular joint reconstruction[J].J Oral Maxillofac Surg，2011，69（2）：432-438.

[13] Klein G T，Lu Y，Wang M Y.3D printing and neurosurgery-ready for prime time？[J].World Neurosurg，2013，80（3-4）：233-235.

[14] Pang L，Hao W，Jiang M，et al.Bony defect repair in rabbit using hybridrapid-prototyping-polylactic-co-glycolicacid/ β-tricalciumphosphate collagen I/apatite scaffold and bone marrow mesenchymal stem cells[J].Indian J Orthop，2013，47（4）：388-394.

[15] Billiet T，Vandenhaute M，Schelfhout J，et al.A review of trends and limitations in hydrogel-rapid prototyping for tissue engineering[J].Bio-materials，2012，33（26）：6020-6041.

[16] Lee C H，Cook J L，Mendelson A，et al.Regeneration of the articular -surface of the rabbit synovial joint by cell homing： a proof of concept study[J].Lancet，2010，376（9739）：440-448.

[17] Woodfield T B，Malda J，De Wijn J，et al.Design of porous scaffolds for cartilage tissue engineering using a three-dimensional fiber-deposition technique[J].Biomaterials，2004，25（18）：4149-4161.