3D打印技术在人工角膜制备中的研究

摘要： 针对目前人工角膜镜柱和支架黏合困难及眼角膜个性化较强的问题，本文将3D打印技术引入到人工角膜制备中，主要介绍了3D打印设备及材料的选择，3D打印人工角膜的步骤和3D打印人工角膜的试验研究。

Abstract： According to the problem of the column of artificial corneal mirror and bracket bonding difficultly and stronger personalized cornea， this paper introduces 3D printing technology into the preparation of artificial cornea， it mainly introduces the selection of 3D printing equipment and materials， the steps of 3D printing artificial cornea and the experimental study of 3D printing artificial cornea.

關键词： 人工角膜；个性化；3D打印

Key words： artificial cornea；personalized；3D printing

中图分类号：R318 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）04-0146-02

0 引言

角膜病是我国主要致盲眼病之一，据世界卫生组织统计，目前全球共有角膜盲患者约6000万人，而中国约占500万人。目前国内有41个角膜库，因供体角膜缺乏，全国各大医院每年完成的全部角膜移植手术仅有5000例左右。因此，迫切需要进行人工角膜的研制[1]。

目前人工角膜设计为光学镜柱和支架两部分，中央光学镜柱要求光学性能好，支架主要用来固定光学部件。在人工角膜的设计中，较为成功的是Dohlman-Doan和Osteo-Odonto等，Dohlman-Doan人工角膜由于免疫排斥多次移植失败且术前无严重炎症者预后最好，而Stevens-Johnson综合症等预后较差[2]。Osteo-Odonto人工角膜由意大利科学家Strampelli首创。该人工角膜相对其他人工角膜的长期保留率高，但主要问题有术后视野受限，无法测量眼内压等[3]。其他人工角膜还有BIOKOP人工角膜[4]、Seoul-type工角膜[5]、Cardona工角膜[6]等。

目前研究发现“镜柱-支架”型人工角膜存在镜柱和支架黏合困难，结合部强度较差，房水渗漏等缺点，此外，目前人工角膜都是按照相同参数进行制备的，但每个人的眼角膜是有差异性的，因此每个人的眼角膜是需要个性化定制的。

3D打印技术为人工角膜的研制提供了全新的手段，可以利用3D打印技术个性化性完成人工角膜光学中心和周边支架的打印，使其成为完整的一体化结构，解决镜柱和支架黏合困难，房水渗漏等问题。使用3D打印技术可以让人工角膜光学部成为致密无孔隙结构，从而具有良好的透光性，不吸附细胞，无后膜形成。同时使用3D打印技术也可以让人工角膜的周边支架成为海绵状多孔结构，使其具有合适的孔径大小，即具有一定的抗拉强度，不会引起缝合困难，且能支持细胞生长、增殖和基质分泌，能与宿主角膜愈合成一体。

1 3D打印设备及材料的选择

人工角膜植入受体后，需要提供组织细胞生长所需的支撑介质与环境，因此，对3D打印人工角膜的设备和打印材料要求较高。目前应用较多的3D打印设备有：光固化3D打印机（SLA）、选择性激光烧结打印机（SLS）及熔融沉积成型（FDM）打印机等。其中，应用较广泛的是选择性激光烧结打印机（SLS），其采用分层叠加的成型原理，可将粉末材料打印成任何形状的物体，已成为医学界研究的重点。激光选区烧结（SLS）以 CO2激光器为热源，激光波长为10.6μm，高分子材料对其吸收率较高，因此常用来制备个性化的医用植入体[7-8]。在打印材料的选择方面，适合激光选区烧结（SLS）的高分子材料有左旋聚乳酸（PLLA）、聚醚醚酮（PEEK）、聚乙烯醇（PVA）等，其中聚乙烯醇具有良好的生物相容性和柔韧性，可作为人工角膜打印的3D打印材料，具体信息可参考文献[9]。

2 3D打印人工角膜制备步骤

2.1 建立并导入人眼视觉模型

采用CT扫描或MRI影像数据资料为基础采集眼角膜的三维数据，用CAD 软件（比如Pro/E、UG、SolidWorks等）建立眼角膜的三维实体模型，再通过有关软件（如Mimic）利用特征数据点重构眼角膜的三维模型。在建立模型时要尽量与患者的眼角膜匹配性趋于一致。

将构成的三维模型文件进行逐层切片，转化为三维打印系统能识别的STL文件，然后这些信息传送到3D打印机上。当模型文件转换为STL格式文件时，可能会出现一些数据的丢失，需要使用Magics等软件进行模型数据修复。

2.2 3D打印机导入数据

将上述步骤得到的患者眼球模型数据导入计算机内，利用离散程序将模型进行切片处理，设计扫描路径，产生的数据将精确控制激光扫描器和升降平台的运动。

2.3 打印材料的准备

以选择性激光烧结打印机（SLS）为例，如图1所示，可选择打印材料为粒度为150μm的聚乙烯醇粉末。

2.4 实施3D打印

3D打印过程中关键是工艺参数的设置，工艺参数主要有激光功率、分层厚度、烧结温度等。以聚乙烯醇粉末为例，参数设置如表1所示。

3 3D打印人工角膜的试验研究

3D打印人工角膜是否符合植入标准还需进行一系列的检测，主要的检测指标有含水率，拉伸强度、折射率等。以含水率的测定为例，将试样用滤纸擦干表面的水份后称重，得试样的重量W1，然后将试样在70℃真空干燥后称重，得干样的重量W2；含水率CW的计算如式（1）所示。

CW=（W1-W2）/W1×100% （1）

式样含水率≥50%为合格。其他指标的检测标准如表2所示。

4 结论

3D 打印技术特有的成型机理使得其广泛应用在各个行业。本文介绍了3D打印技术在医学界的应用，以人工角膜的制备为例，详细讲解了3D打印技术在人工角膜制备中的应用。3D打印技术有效解决了传统“镜柱-支架”型人工角膜存在的问题，并可根据不同人的眼角膜进行个性化定制，具有广泛的应用前景。

参考文献：

[1]Polisetti N， Islam MM， Griffith M. The artificial cornea. Methods Mol Biol. 2013， 1014： 45-52.

[2]Aquavella JV， Qian Y， McCormick GJ， Palakuru JR. Keratoprosthesis： the Dohlman-Doane device. Am J Ophthalmol. 2005， 140（6）： 1032-1038.

[3]Norris JM， Kishikova L， Avadhanam VS， Koumellis P， Francis IS， Liu CS. Comparison of 640-Slice Multidetector Computed Tomography Versus 32-Slice MDCT for Imaging of the Osteo-odonto-keratoprosthesis Lamina. Cornea. 2015， 34（8）： 888-894.

[4]Alio JL， Mulet ME， Haroun H， Merayo J， Ruiz Moreno JM. Five year follow up of biocolonisable microporous fluorocarbon haptic （BIOKOP） keratoprosthesis implantation in patients with high risk of corneal graft failure. Br J Ophthalmol. 2004， 88（12）： 1585-1589.

[5]Lee SM， Kim MK， Shin MS， Wee WR. Matrix metalloproteinase-9 expression in the Seoul-type keratoprosthesis implanted corneas with concurrent cultivated autologous oral mucosal epithelial cell transplantation. Graefes Arch Clin Exp Ophthalmol. 2013， 251（2）： 619-622.

[6]Vijayasekaran S， Robertson T， Hicks C， Hirst L. Histopathology of long-term Cardona keratoprosthesis： a case report. Cornea. 2005， 24（2）： 233-237.

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[8]黄卫东，吕晓卫，林鑫.激光成形制备生物医用材料研究现状与发展趋势[J].中国材料进展，2011，30（4）：1-10.

[9]潘腾，朱伟，闫春泽，等.激光选区烧结3D打印成形生物高分子材料研究进展[J].高分子材料科学与工程，2016，32（3）：178-183.