纳米技术在生物医学的应用
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纳米技术在生物医学的应用范文第1篇
【关键词】纳米金；生物医学技术；应用现状
1前言
如今纳米技术随着时代的发展已经得到了很大的发展，成为了科学研究的热点，纳米金是指直径0．8～250mm的缔合金溶胶，它属于纳米金属材料中研究最早的种类，纳米金具有良好的纳米表面效应、量子效应以及宏观量子隧道效应，它具有很多良好的化学特性，比如抗氧性和生物相容性。
2纳米金在病原体检测技术中的应用现状
近些年来生物医学界对于流行病学的研究和对病原微生物的诊断已有了不小的进展，传统的分离、培养及生化反应逐渐被时代所淘汰，运用纳米金的免疫标记技术作为新的高通量的、操作简单的检测技术被广泛应用于临床病原体的检测，这种检测技术快速且准确，十分适合在临床上使用。1939年，两位科学家Kausche和Ruska做了一个小小的纳米金实验，他们将烟草花病毒吸附在金颗粒上，并在电子显微镜下观察，发现金离子呈高电子密度，就此打下了纳米金在免疫电镜中的应用基础。从1939年后生物医学技术不断发展，纳米金标记技术也广受世人关注，成为了现代社会四大免疫标记技术之一。作为一种特殊标记技术，纳米金在免疫检测领域受到了广泛的应用，使用纳米金粒子做探针，观察抗原抗体的特异性反应，放大检测信号，由此检测抗原的灵敏性。纳米金技术具有良好的检测灵敏性，在早期还支持诊断并监控了急性传染性病毒，根据这一特性，秦红设计了快速检测黄热病病毒的技术，在纳米金颗粒上标记上金SPA－复合物的标志，通过免疫反应实验我们发现病毒抗体与纳米金颗粒结合，并形成了人眼可见的红线。这种检测方法的优点有:不需要器材、简单、迅速、廉价、高效，极大地推动了黄热病病毒检测技术的更新，在黄热病的防控事业上有着深远意义。利用纳米金作为免疫标记物来检测的除了黄热病病毒，还有致病寄生虫。我国的民族种类多样，一些少数民族人民由于自身的文化特点，喜食生食或半生食物，这就形成了寄生虫病的传播，我国经济大发展后，人民的生活水平得到了提高，但还是喜食半生动物肉或者内脏，造成了食源性寄生虫病发病率的上升，严重影响人民身体健康。目前我国的临床诊断寄生虫病技术包括三方面:病原学检查、免疫学检查以及影像学检查。运用纳米金检测技术，不仅缩短了取材时间、缩小了取材范围，而且检出率高、创伤性小，受到了患者的广泛欢迎。
3纳米金在核酸、蛋白质检测中的应用现状
纳米金粒子具有特殊的表面等离子体共振现象，被应用在核酸构建和分析检测蛋白质领域中，可以把生物识别反映转换为光学或电学信号，因此人们将其与DNA、RNA和氨基酸相结合，在检测核酸和蛋白质方面收效颇丰，并且这种检测方法制备简单，同时还具有很多优点，比如良好的抗氧化性和生物相容性，下面具体讲一下纳米金检测技术在核酸和蛋白质检测中的应用。首先是在核酸检测中的应用。美国首先利用纳米金连接寡核苷酸制成探针检测核酸，将纳米金做标记与靶核酸结合形成超分子结构，由此来检测核酸。利用纳米金技术检测特定病原体和遗传疾病首先要做的就是检测核酸的特定序列，在芯片点阵上整齐排列纳米金颗粒，利用TaqDNA连接酶识别单碱基突变，等待连接后，就可以经过一系列步骤得出单碱基突变结果，得到所需信息。在临床应用中使用纳米金技术的表现有高灵敏检测谷胱甘肽和半胱氨酸的新型电化学生物传感器，这种机器对于谷胱甘肽和半胱氨酸的检出限值更低，在检测及预防糖尿病、艾滋病等疾病方面具有很大的临床优势。其次是在蛋白质检测中的应用。纳米金与蛋白质的作用方式非常多样，有物理吸附方式、化学共价结合方式以及非共价特异性吸附等等方式，在此背景下，我们可以利用纳米金检测并治疗疾病和检测环境污染。
4纳米金在生物传感器制备中的应用现状
目前纳米金在生物传感器检测中的应用受到了人们的普遍关注，如上文所说，纳米金具有特殊的表面等离子体共振现象，这是制备生物传感器的基础。利用这种特性，科学家们做了许多实验，比如拉曼光谱试验，使用Uv－Vis光谱和拉曼光谱仪测试金纳米颗粒的表征，得出结论是可以根据纳米金颗粒的不同形貌制作不同浓度分子的探针，受外周环境介电特性和颗粒尺寸大小的影响，纳米金颗粒会表现出不同的形貌特征，比如吸收光谱、发生蓝移。纳米金是属于一种非常微小的贵金属，作为贵金属，它具有很好的导电性能，利用纳米金进行免疫检测时会大量聚集纳米金，从而增强反应体系的电导，顺利通过电导检测免疫反应。利用纳米金的高检测灵敏性可以进行电化学免疫传感器的制备。
5其他领域的应用现状
目前纳米技术的研究中，纳米金在生物医学技术中的应用研究是重要研究课题，除了上文中说到的病原体检测、核酸以及蛋白质检测还有生物传感器制备中的应用，纳米金技术同时也被广泛应用于肿瘤的诊断与治疗、药物载体以及CT成像。纳米金具有特殊的组成结构，它可以轻易被修饰并负载化合物，可以用于检测并治疗肿瘤，还可以被用于肺癌的检测及治疗，目前的大量数据都表明纳米金技术在诊断并治疗肺癌上有极大的优势。
6结语
21世纪生物医学技术领域最关键的技术之一就是纳米金标记技术，作为一种十分精细的技术，它几乎不影响生物分子的活性，就这一点而言，它是非常好的标记物。我们可以想见，纳米金技术因其自身的诸多优点，必会获得更大的生物医学发展空间。
参考文献:
［1］艾桃桃．纳米金在生物医学领域中的应用［J］．陕西理工学院学报(自然科学版)，2010，04:63～68，95．
［2］王英泽，黄奔，吕娟，梁兴杰．纳米技术在生物医学领域的研究现状［J］．生物物理学报，2009(03):168～174．
［3］李家萌，曹颖，赵媛，杨毅梅．纳米金在生物医学技术应用的研究现状［J］．中国寄生虫学与寄生虫病杂志，2016(02):1～5．
纳米技术在生物医学的应用范文第2篇
【关键词】纳米 电子学 趋势
随着纳米技术的广泛运用，已经延伸到社会中的各个领域。目前已经研究出的纳米电子技术产品多种多样，这些纳米技术的产品不但性能优良，最主要的是功能奇特。但是值得注意的是科学家对于纳米电子技术的研究还不够深入，那么以后的还需要从新型电子元器件以及碳纳米管等方向入手进一步研发。
1 纳米电子技术的发展现状
1.1 纳米电子材料的应用
现阶段纳米材料主要有纳米半导体材料、纳米硅薄膜以及纳米硅材料等类型。在这些纳米电子材料中，可以说纳米硅材料最有发展前景，同时还符合当前社会对于电子技术的实际需求。通过对纳米硅材料与其他纳米电子材料进行比较后，可以看出纳米硅材料具有以下特点：首先，纳米硅材料在不断研发的背景下其成本处于逐渐降低的趋势，其次，该材料还具有能耗低、准确性高以及不易受外界影响的特点。最后，由于纳米硅材料中分子与分子所存在的距离较小，因此可以一定程度的提升纳米电子材料的反映速度，最终达到提升工作效率的目标。
1.2 纳米电子元件的应用
可以说纳米电子元件是以集成元件以及超大规模集成元件为基础的。其具体研发历程是在上个世纪50年代美国研究者对集成电路进行研发之后而开始的，然后经过多年的发展后逐渐从中型、大型转变为超大型的集成电路和特大类型的集成电路。在此背景下，其纳米电子元件的尺寸越来越小，现阶段的电子元件尺寸在0.1到100nm范围之内。
1.3 应用于现代医学领域
特别是在纳米技术的不断发展过程中，其纳米电子技术逐渐应用到医学的领域。可以说在医学治疗的过程中，可以利用纳米电子技术的特点在细微部分的检测与观察方面。在普通显微镜无法观测的物品可以通过纳米电子技术进一步剖析。与此同时，还可以将电化学的信息检测流程中融入纳米传感器的方式对生化反应进行诊断。同时，在纳米电子技术不断发展的背景下，产生了很多方面的高科技医学产品，例如伽马刀、螺旋CT以及MRI等。可以说生物医学以及电子学的融合对于纳米电子技术的发展具有重要的意义，纳米电子技术在生物医学的电子设备集成化具有很大的发展空间，在未来的发展中，可以将纳米电子元件的尺寸控制在分子与原子的大小之间，进而就会将微小生物体的研究带到一个新的领域。
2 纳米电子技术的发展趋势
通过对纳米电子技术的发展现状进行分析后可以看出纳米电子技术在未来发展具有很大的空间，对此主要可以从新型电子元器件、石墨烯以及碳纳米管等方向入手。
2.1 新型电子元器件
对纳米电子技术的当前模式分析后，可以断定在未来十年内必然会经过飞速发展的历程。特别是当前市场对于新型电子元器件的需求逐渐增多的背景下，还需要根据实际需求来对新型电子元器件进行扩展与完善。对此，可以从单电子器件、共振隧穿电子器件、纳米场效应晶体管、纳米尺度MOS器件、分子电子器件、自旋量子器件、单原子开关等新型信息器件的方向入手，在保证了纳米电子技术朝着良好的方向发展的同时，还可以延续摩尔定律以及CMOS的研究成果。
2.2 碳纳米管
可以说碳纳米管是纳米电子技术的发展重要方式，碳纳米管的本质是一种一维的纳米材料，其最大的特点是具有重量轻以及完美六边形的结构。因此在实际的运用中，碳纳米管具有良好的传热性能、光学性能、导电性能、力学性能以及储氢性能等。与此同时，碳纳米管在纳米电子方面具有重要的作用，并作为现阶段晶体管中主要的材料，对此有效的碳纳米管可以对集成电路的效率进行提升。
2.3 忆阻器
所谓忆阻器就是就是经过了继电阻器、电容器以及电感元件发展之后而发展的一种模式。并且忆阻器是模拟信号的方式来对非线性动态纳米元件而组成的具有交叉开关模式的纳米电子技术。忆阻器的属性不但与CMOS类似，更主要的是其具有功率低、体积小以及不受外界因素影响的特点，进而在未来的发展中可以有效的代替硅芯片等材料。
2.4 石墨烯
同时，石墨烯作为新型的纳米材料来说，不但具有超薄的特征，最主要的是其质地还是非常坚硬的。并且在正常状态下石墨烯电子的传输速度要比其他类型的纳米电子材料快，正是由于多方面的因素使得对于石墨烯的研究具有重要的意义。石墨烯和其他导体具有很大的区别，进而在碰撞的过程中其能量不会有损失。在对石墨烯的未来进行研究与设想后，根据专家预计在10年后可成功研制性能优异的石墨烯类型的导体材料与晶体管。
2.5 纳米生物电子
最后，纳米电子技术还可以与生物技术进行有效的融合，也可以认为纳米生物电子是以多个领域为核心共同建设的。在对纳米电子技术带入生物领域的过程中，利用纳米电子技术的自身特点可以制造出关于纳米机器以及附属的纳米生物医用的材料产品等，进而可以在医学领域中取得一定的成果，最终达到为人类健康做出巨大贡献的目标。
3 结束语
总之，在电子科学不断发展的背景下，其纳米电子技术的发展越来越受到国际的重视。通过对纳米电子技术的应用现状进行分析后，可以发现其应用的领域越来越广泛，也就是说纳米电子技术完全融入到我们日常生活当中指日可待。通过采用纳米电子技术可以实现一种高效、科学而环保的生物材料、电子晶体管以及医学设备等，最终达到改善人们的生活现状的目标，让人们切切实实地体验纳米时代。
参考文献
[1]叶原丰，王淮庆，郝凌云.碳纳米管在电子器件中的应用[J].金陵科技学院学报，2010（02）.
[2]许高斌，陈兴，周琪，王鹏. 碳纳米管场效应晶体管设计与应用[J].电子测量与仪器学报，2010（10）.
[3]余巧书.纳米电子技术的发展现状与未来展望[J].电子世界，2012（12）.
[4]刘长利，沈雪石，张学骜，刘书雷.纳米电子技术的发展与展望[J].微纳电子技术，2011（10）.
[5]杜晋军，李俊，洪海丽，刘振起.纳米电子器件的研究进展与军事应用前景[J].装备指挥技术学院学报，2004（04）.
纳米技术在生物医学的应用范文第3篇
纵观当今生物医学领域跨学科组织，公认的跨学科研究和教育的先驱和典范当数美国哈佛大学与麻省理工学院(MIT)合作成立的“哈佛-MIT健康科学技术学部”(TheHarvard-MITDivisionorHealthSciencesandTechnology，HST)，现又称为怀特健康科学技术学院［2］。HST是哈佛大学和MIT在生物医药工程等学科方面进行合作而成立的跨学科组织。哈佛大学充分利用MIT交叉学科的优势，以通过跨领域合作改善人类健康为研究宗旨，主要在生物医学成像、生物医学信息与综合生物学、再生和机能生物医学技术等研究领域进行合作。这些领域的合作研究将对生物和健康知识的进步发挥出至关重要的作用。MIT自20世纪60年代进入大规模的跨学科研究时代，如今已拥有70余个跨学科研究中心和研究组织，如雷达研究组织、HST、计算机系统生物学研究所(ComputationalandSystemBiologyInitiative，CSBi)等［3］，并在5个学院内部以及学院之间构成不同形式、不同层次相互交叉的跨学科研究体系，为美国重大战略性科学和技术的创新和发展做出了巨大的贡献。其中，2003年成立的CSBi，作为MIT最具代表性的虚拟跨学科组织，是MIT最大的跨学科组织之一，其教育与科研成果在美国乃至全世界都达到了领先地位。CSBi主要通过特定的技术平台把MIT的三个关键学科领域，即生物学、计算机科学和工学三者交叉融合而展开大型跨学科项目合作研究，运用跨学科研究方法对复杂的生物现象进行系统分析与计算机建模，同时培养相关领域跨学科人才。在世界大学跨学科研究领域，美国斯坦福大学“Bio-X”研究中心(又名“Bio-X”跨学科研究计划)，已经成为跨学科研究的典范，尤其是开启了生物学交叉学科研究的一个新时代，在生命科学跨学科研究领域已成为一个著名“品牌”［4］。
美国斯坦福大学“Bio-X”研究中心创立于1998年的一个跨学科研究和教育项目，主要涉及生物工程、生物医学、生物科学三大领域，跨越文理学院、工程学院和医学院三大学院。其实质就是一个由生命科学与数学、物理、化学、工程学、医学、计算机科学等学科的多学科交叉研究机构［5］。Bio-X研究中心将基础、应用和临床科学中的边缘研究结合在一起，进行从分子到机体各个层次的生物物理学研究，以实现生物工程、生物医学、生命科学等领域新的发现和技术创新。发展至今，研究中心已取得包括成功破译人类遗传基因密码，发展观测人体细胞在人体中如何活动的技术等众多的开创性成果，使硅谷的这所名牌大学在科学发现和教学方面处于领先地位。在欧洲，英国1990年已设立了包括牛津的分子科学与分子医学等17个研究中心［6］。2001年，牛津大学和剑桥大学牵头成立了由英国政府的工程和物理科学研究委员会、生物科学技术研究委员会、医学研究委员会和国防部共同组成的纳米技术跨学科研究伙伴机构(IRC)，开展了前沿生物纳米技术方面的研究。德国慕尼黑工业大学(TUM)以工程、自然科学、生命与食品科学、医学与运动科学等优势领域，建立了与生命科学、营养和食品科学、生命技术学、生物信息学和医学等学科的强有力的跨学科合作。
纵观世界一流大学跨学科组织建设与管理，具有以下共性特点:①政府、学校宏观政策的支持是跨学科组织发展的保障基石。如美国国家科学院协会2004年发表了《促进交叉学科研究》报告;哈佛大学就曾明文对该校跨学科动议项目的政策扶持作了规定。②组织结构与管理合理，强调多学科组织的强强联合、优势互补的组织合作，如MIT与哈佛大学共同合作的“哈佛－MIT健康科学技术学部”。③注重跨学科研究和教育的协同发展，如美国的HST就是主要通过研究影响疾病与保健的基础原理，开发新的药物与仪器，致力于培养医师-科学家，通过跨领域合作改善人类健康。④提供跨学科研究经费，如美国国立卫生研究院(NIH)作为美国联邦政府最大的生物医学研究机构，强调对多学科、跨学科和多机构联合的医学研究项目的资助，如2007年就给9个科学研究联合体提供了2．1亿美元的研究经费［7］。⑤多样化的激励措施，重视奖金发放和提供实践机会等。
2我国大学生物医学跨学科组织建设与发展
我国学科交叉研究萌生于20世纪50年代，而80年代初召开“首届交叉科学学术讨论会”，基本就被认定为我国跨学科研究的全面展开。到20世纪90年代，我国大学关于跨学科研究的建制开始引人关注。特别是我国“985”二期工程，为突出重大科学问题和现实问题引导，凝聚了不同学科背景的研究者开展跨学科研究，着力建设了一批创新平台。目前“985工程”科技创新平台与基地是我国大学跨学科研究的重要组织形式，其中就包括大批生物学与医学创新平台的实体机构。2000年，北京大学成立了生物医学跨学科研究中心。多年来，该中心将基础科学、技术应用和临床科学的前沿研究结合在一起，形成了以单细胞原位实时微纳米检测与表征研究，数字化诊疗仪器技术研究，医学信号与图像分析研究，大气压低温等离子体生物学效应及医学应用研究等四大主要研究方向，建立了跨学科的实验室和研究平台，组织了30余个跨学科研究项目，取得了系列跨学科研究成果［8］。
同时，该中心注重各有关学科优势互补、相互合作，对来自生命科学、物理化学、基础医学等基础学科，以及来自电子学、计算机技术、生物医学工程、临床医学等众多应用和工程学科的研究生，开展生物医学工程跨学科前沿领域的研究和人才培养，形成了新的学科生长点，培养出了具有交叉学科背景的新型人才。2006年，北京大学成立了前沿交叉学科研究院。生物医学跨学科研究中心至此成为前沿交叉学科研究院的研究中心之一。2010年，基于系统生物学的研究现状、发展趋势及其广阔的应用前景和重大的现实意义，北京大学建立了系统生物医学研究所。该研究所注重复杂系统的研究和学科交叉，并且与环境因素相结合，主要针对重大疾病，如肿瘤、心脑血管疾病、代谢性疾病等研究领域作为重点和突破点进行系统生物学研究［9］。2004年，清华大学顺应跨学科研究趋势，改革科研体制，通过将分散于全校各院系的有关生命科学、医学及相关的工程学科统一组织和协调起来，重点支持和建立了包括“清华大学生命科学与医学研究院”在内的若干研究所(或研究平台)，加强和促进生命科学与医学的发展及其与其它工程学科间的交叉合作［10］。
同年，复旦大学组建生物医学研究院。作为国家“985工程”二期建设的科技创新平台，目前研究院以“转化医学”为目标，形成了包括疾病系统生物学、出生缺陷与发育生物学、疾病发生的分子机制、创新药物和结构生物学等主要研究方向和研究团队，建设了功能蛋白质组学、基因组学、癌症研究、心血管研究、分子与细胞生物学、药物与结构以及公共技术平台等10个技术平台，建立了基础科学与临床需求的紧密联系，为重大科研项目的实施和跨学科合作研究工作的开展提供了有力支撑［11］。此外，研究院重点把学校所属上海医学院、生命科学学院、化学系、药学院、公共卫生学院及相关附属医院等院系等有机地穿插在一起，在疾病蛋白质组学、化学生物学、生物化学与分子生物学、肿瘤学、干细胞生物学、分子药理学等专业培养研究生，开展跨学科研究生教育。2000年，上海交通大学成立“Bio-X生命科学研究基地”。2005年，与神经生物与人类造化学研究室重组成立“Bio-X生命科学研究中心”(现改为研究院)，是继美国斯坦福大学后的世界第二个、中国第一个Bio-X研究中心［12］。2007年，学校又成立了系统生物医学研究中心。
该中心是集生物、医学、物理、工程、数学、信息、计算等不同学科，集研究、教育、开发及服务于一体的生物医学研究与开发的公共技术平台。中心立足于以系统生物学的方法为基础，致力于在生物整体水平、细胞和发育生物学以及单细胞分析领域开展多学科交叉融合的系统生物医学研究。同年，随着原上海第二医科大学的并入，上海交通大学成立了Med-X研究院。Med-X研究院主要依托学校临床医学学科和理工科优势，涉及生物医学工程、生物学、影像医学与核医学、材料科学与工程四个研究领域，以解决临床医学问题为目标导向，进行前沿性医学科学研究，开发高尖端领先性医疗技术产品，构建国际化、多学科交融、多资源共享、多方位服务的开放式医学应用研究平台，建立医疗技术产品研发－技术转化－临床应用体系［13］。
3我国大学生物医学跨学科组织建设困境与借鉴
从建设与管理实践看，我国依托大学建立的跨学科研究中心正在遭遇重重困难和种种挑战，并突出体现在跨学科研究的管理体制和运行机制的障碍与缺失，跨学科研究的组织结构障碍与冲突，学科文化障碍与跨学科研究范式的缺失，跨学科研究的资源配置障碍与冲突，跨学科研究评价(利益)的障碍与冲突等方面。在管理体制和运行机制上，大学教师的跨学科研究意识还不强;大学现行的学术管理体制和运行机制对跨学科研究缺乏支撑力和推动力;行政权力与学术权力的失衡，竞争与合作的失衡，缺乏系统的执行架构和机制;缺乏跨学科研究改革与创新的切实措施和效率最大化的管理模式。在组织结构上，各学科仍相对封闭，跨学科研究的合作机制与条件缺失，学科间未能实现协调发展，跨学科组织内各要素尚不能完全产生协同作用，妨碍了跨学科组织系统的有序运行。在研究资源上，资源投入的主体和方式较为单一，力度小，持续性差，分散度较高，
纳米技术在生物医学的应用范文第4篇
【关键词】 3-D打印； 全膝关节置换； 临床应用
3-D打印技术，是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。最早起源于19世纪末的美国，随着智能化的发展，3-D打印技术逐步成熟，并应用于各行业，影响着人们的生活。近年来，3-D技术应用于医学行业有广泛的报道，苏格兰科学家 Faulkner-Jones等利用细胞打印出人造肝脏组织[1]。本院将3-D打印技术运用于全膝关节置换，取得良好的临床效果，现报道如下。
1 资料与方法
1.1 一般资料 本组6例患者，男3例，女3例，68～81岁，平均74.6岁。纳入标准：（1）符合骨关节炎诊断标准。（2）所有病例手术前均全面体检及辅助检查，并经1位资深主任医师手术治疗，手术后住院2周以上。（3）所有骨关节炎病例均为Holden Ⅳ级病例（即严重硬化、关节间隙消失）。
1.2 方法
1.2.1 术前准备 术前行关节X线片、膝关节CT扫描。术前有内科疾病的请相关内科科室会诊、治疗。待病情平稳，无明显手术禁忌证时进行手术。
1.2.2 方法 CT扫描范围：包括髋关节、膝关节、踝关节。所需的解剖结构包括：获得轴向平面的所有切片髋关节影像（髂前上棘至耻骨联合）；膝关节影像（膝关节上下100 mm，包括胫骨结节附着的髌韧带）；踝影像（踝关节以下至跟骨中央）。切片厚度和间距：建议轴向平面切片1.25 mm×1.25 mm或1 mm×1 mm，当需要增加层厚时，层厚不得低于2 mm。视野（FOV）使用同一的视野，在扫描过程中不要改变，需要仔细对准腿以获得股骨头、膝关节和踝。切片时，不要随意改变X和Y轴的坐标原点，即所有CT切面具有同一个坐标系，数据格式：DICOM，CT设备通用格式。图像通过计算机建模软件（CAD）建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，后通过成快速成型文件格式STL将三维数字化模型输入3-D打印机。打印机将打印出膝关节模型，术前根据模型畸形的矫正程度，假体安放位置评估、模拟操作，并制定合适的假体。本文对患者左腿手术进行股骨假体设计及胫骨假体设计。术中根据术前测量截骨量进行截骨，并安放定制的假体，记录手术时间及假体的匹配度。
1.3 术后处理 术后3 d使用抗生素预防切口感染，术后24～48 h拔除引流管，3 d后下床行膝关节功能锻炼。
2 结果
患者平均手术时间为45 min，较过去减少；出血量减少；下床时间为术后3 d，术中假体使用与术前定制假体匹配，截骨及假体放置均一次成功。随访3个月～1年，未出现关节感染、假体松动现象。患者膝关节HSS评分均大于85分，屈伸活动功能好，改善明显。
3 讨论
3.1 3-D打印技术的原理 3-D打印技术是一种数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。其基本原理为：（1）设计过程：首先通过计算机建模软件（CAD）建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，后通过成快速成型文件格式STL将三维数字化模型输入3-D打印机。（2）打印过程：打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的材料利用激光束或热熔喷嘴等方式，在平面方向X-Y方向黏结成截面形状，然后在Z坐标方向将各层截面进行逐层叠加，粘合起来从而制造出一个实体。与传统的“切削去除”材料方法（如3-D雕刻）不同，3-D打印采用“逐层增加”材料的方式来制作三维实体[2]。
3.2 3-D打印技术在外科中的应用 3-D打印技术作为一种新发展的技术，发展迅速，目前已在工业制造、生物医疗等得到了长足发展，并取得了一定的成效，近年来已逐渐应用于骨科领域，完善了骨科复杂手术的术前准备，使手术由复杂变简单化。它通过采集术前CT、X线等影像数据，经过CAD计算机软件处理，输入快速成型机器，制成实体硬组织一致的模型，有助于术前准确了解硬组织的细微解剖结构及病变与周围结构的关系，提示截骨线、骨块移动的位置信息等，起到指导手术的作用[3]。在口腔颌面部应用上，Levine等[4]将该技术应用于下颌骨重建术、正颌手术、颌面部创伤修复和颞颌关节重建术等70余例手术，取得良好的重建及手术效果。Mazzoni等[5]通过打印导板，术前模拟引导手术，并在术前及术后和CT影像进行手术的传统术中下颌骨4个解剖位点（髁突外侧点、下颌骨正中点、下颌骨牙弓曲度和髁突空间位置）进行术中具置与术前规划的偏差，认为在导板引导下的个性化骨板植入术可大大缩短手术时间，提高手术精确性，尤为在髁突空间位置和下颌骨牙弓曲度作用明显。将该技术应用于脊柱及复杂骨盆手术应用研究方面，有报道取得良好的手术效果。Guarino 等[6]将3-D打印技术应用于10例小儿脊柱侧凸及3例复杂骨盆骨折，结果表明该技术提高复杂骨盆骨折分类的准确性及椎弓根钉植入的准确性，减少医源性脊髓损伤几率，并缩短手术时间。Sun等[7]分别将3-D打印技术应用于骨盆肿瘤患者，在打印的骨盆模型上切除半骨盆，然后设计个性化人工半骨盆假体，取得了满意临床效果。而在一些特异性高的手术上，3-D打印技术不仅可以模拟骨骼实体，还可以根据手术要求制备个体化手术器械。Lee等[8]应用该技术制备了个体化股骨假体和股骨髓腔导向器，使手术更精准，成功为2例石骨症患者施行人工全髋关节置换术。在关节外科应用上，3-D打印技术因其可以为患者“量身定制”个体化模型，使关节置换中假体型号的选择、假体安放位置的准确性以及畸形的矫正程度等技术难题得到解决。这使得关节严重畸形、软组织严重挛缩的患者的术前手术方案的制定简单化、准确化，从而提高关节外科复杂高难度手术的成功率，使手术更精确、更安全。Won等[9]报道利用该技术成功为21例髋关节严重畸形患者制定手术方案术中明显缩短了手术时间、出血量，术后影像学提示假体匹配良好。Sciberras等[10]首次将该技术应用于1例复杂髋关节翻修术，根据3-D打印技术制作的假体，进行详细的术前评估和模拟操作，手术获得了成功。He等[11]利用3-D打印技术制备了半膝关节和人工骨模具，分别通过快速铸造和粉末烧结成型技术制备出个体化钛铝合金半膝关节和多孔生物陶瓷人工骨，并将组装后的复合半膝关节假体植入患者体内，术后随访表明该复合半膝关节假体与周围组织、骨骼匹配良好，并且具有足够的机械强度。
本院应用3-D打印技术应用于全膝关节表面置换术，有利于制定最佳手术方案，指导开展个体化关节外科手术，术前有效确定植入物的类型、大小和位置，使手术操作更精准，手术一次性完成，减少了操作、术中使用工具数量，从而减少了手术时间，取得了良好的临床疗效。这与报道的临床实践相符合[12]。
3.3 3-D打印技术目前存在的缺点 3-D打印技术可以将抽象的三维数字模型转变成为直观、立体的实物模型，降低了高难度手术的术前准备、减少了手术时间、提高了手术的成功率，作为一项革命性的新技术，其颠覆了传统医疗模式。但3-D打印目前仍然存在使用上的缺点。（1）因该项技术尚未得到广泛推广，3-D打印的使用费用高，包括3-D打印设备的购置、运行，打印材料及相关专业人员费用，大多数患者不能承担其费用，在部分地区仅用于医学研究。（2）打印材料不能满足临床医学的需求。目前大多打印的假体因其材料使用有限，不具有生物相容性、可降解性，大多仅用于模型供术前准备，而不是作为实体安放于体内。（3）3-D技术因打印模型的个体化，使得在打印部分要求较高的模型时，耗时时间较长，且该项技术要求院内学科合作，这使得急诊手术在3-D打印技术中不占优势。
3.4 3-D打印技术在关节外科应用中的展望 尽管3-D打印在目前存在部分缺点，但其在未来关节外科发展中必会起到决定性的作用。目前在生物医学领域，3-D打印技术已被应用于器官模型的制造与手术分析策划、个性化组织工程支架材料和假体植入物的制造，以及细胞或组织打印等方面[13]。3-D打印技术被广泛应用于组织工程骨和软骨研究领域，在关节外科修复重建领域展示了良好的应用。采用3-D打印技术制备的组织工程支架材料不仅具有与缺损组织相匹配的解剖外形，同时也具有满足细胞黏附、增殖的内部三维多孔结构[14]。Billiet等[15]应用该技术辅以微米、纳米技术，可根据需要设定特定的孔隙率、交联，显著提高支架的生物学及力学性能，使其有利于细胞黏附、增殖、分化，从而促进骨组织生长及骨折愈合等。Lee等[16]和Woodfield等[17]将3-D打印的骨软骨支架应用于动物实体，取得良好的效果。Xu等[18]利用静电纺丝和喷墨打印相结合的方法制作组织工程软骨。将活细胞和支架材料一同打印是3-D打印技术在关节外科基础研究领域应用的进步性标志，但如何实现细胞在支架内按照预制组织结构进行精准分布、如何构建营养通道血管、如何提高打印组织的机械性能等，都是未来研究方向[18]。随着3-D打印技术的不断发展，自体“生物型人工关节”将在未来成为可能。
参考文献
[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.
