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。

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。

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。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。其他人工角膜还有 BIOKOP 人工角膜、Seoul-type 工角膜、Cardona 工角膜等。

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。

13D 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。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。

23D 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ProE、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，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。

33D 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。