IS S N 1002-4956 C N11-2034/T-
Experimental Technology and Management
第37卷第11期2020年丨丨月
V o l.37 N o.11N o v.2020
DOI: 10.1679 l/jki.sjg.2020.11.007
李慧，柯渔，薛巍
张松才
(暨南大学生物医学工程系生物材料广东高校重点实验室，广东广州510632 ) 摘要：基于3D打印实验教学优势，该文探讨了3D打印技术融人组织工程学实验教学，以及“N+1”课程 体系设置模式及考核机制，并进一步规划基于3D打印的虚拟仿真实验教学，使学生在掌握组织工程学技术原理的基础上，深人T解3D打印先进增材制造技术；在自主选择并独立设计实验的过程中，提高
学生的创造力、科研思维能力和学科综合能力，为培养创新型复合人才提供新的教学思路。
关键词：组织工程学；3D打印技术；实验课程；教学改革
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2020)11-0030-05
Discussion on integrating 3D printing technology into
experimental course of tissue engineering
L I Hui,KE Yu,XUE W ei
(Key Laboratory of Biomaterials of Guangdong Higher Education Institutes, Department of
Biomedical Engineering, Jinan University, Guangzhou 510632, China)
Abstract: Based on the advantages of 3D printing experimental teaching, this paper discusses the teaching content of integrating 3D printing technology into tissue engineering experiment, and the “N+l” course system setting mode and assessment mechanism. The teaching of virtual simulation experiment based on 3D printing is planned, allowing students to master the basic principles of tissu
e engineering technology and understand the advanced additive manufacturing technology of 3D printing. This teaching reform has enhanced students’creativity, scientific research thinking ability and comprehensive ability in the process of independent selection and design of experiments, providing new teaching ideas for cultivating innovative comprehensive talents.
Key words: tissue engineering; 3D printing; experimental course; teaching reform
组织工程学是一门结合工程学和生命科学原理 兴起的新兴交叉学科m，其主要目的是研究和开发人 体各种组织或器官替代物，用于修复缺损的器官，恢 复其基本形态和生理功能，达到疾病的目的。从 1987年美国国家科学基金会提出这一概念距今已经 有30多年[2]，随着生命科学、材料学、医学、力学和 工程学等多学科的迅速发展和渗透交叉，组织工程学 的发展也取得了令人瞩目的成果。我国人口众多，对
收稿日期：2020-07-25
基金项目：国家自然科学基金面上项目（ 51572110 )
作者简介：李慧（1985 —），女，河南焦作，硕士，实验师，主要 从事生物化学、组织工程学等实验教学，细胞培养公共
实验平台管理，以及生物材料方向的研究。
E-mail:October h u i@126.c o m
通信作者：薛‘（1963—)，男，广东汕头，博士，研究员，主要 从事高分子与生物材料、药物载体.水凝胶类材料、缓
释、控释，靶向给药系统的研究。器官移植或修复的需求越来越大，因此急需培养一批 掌握组织工程先进技术的复合型专业人才，推动组织 工程研究和实验技术的全面发展。
3D打印又称为“快速成型”（rapid prototyping, RP)，最早由查尔斯赫尔于20世纪80年代提出[3]。3D 打印技术基于计算机数控模型，结合光、机、电及新 材料于一体，已广泛应用在生物医学下程领域，如体 外器官仿生模型打印、个性化假肢假体设计、个性化 植人体制造、组织工程支架的制造，以及活体细胞和 组织的打印等[4]，具体应用如图1所示。3D打印技术 作为一项先进的制造技术，越来越多地应用于组织T.程领域，并有望突破传统组织工程支架的障碍，因此，有必要在组织工程学实验课程引人3D打印，使学生 将理论与实践相结合，更深人地掌握组织工程领域最 先进的技术。
李慧，等：将3D打印技术融人组织工程学实验课程的探讨31
3D打印技术-教学和外科手术策划：体外器官仿生 模型打印
康复医学：个性化假肢假体设计
个性化医疗：个性化植人体（面颊骨、头颅骨等）制造____________________
组织工程学：组织工程支架制造
组织或器官移植：生物活体组织及
器官打印（活体细胞3D打印）
新药研发：药物筛选、研制
图13D打印技术在生物医学工程领域的应用
1组织工程学实验教学现状
我校生物医学工程系是我国最早从事生物材料研 究的单位之一，于1999年获批广东省高校生物材料重 点实验室，2011年获批人工器官与材料教育部工程中 心，2016年获批广东省生物医学工程实验教学示范中 心，具有良好的生物材料研究基础。3D打印作为一种 新兴的材料加工成型方式，对生物材料学科的发展起 到了重要的作用。组织工程学研究的内容主要包括种 子细胞、生物材料、构建组织器
官的方法和技术、组 织工程的临床应用等4个方面。我校开设的组织工程 学实验课，面向生物医学工程专业本科生，主要围绕 种子细胞培养和组织工程支架构建两方面，并从课程 内容、课程设置等方面不断进行改革。考虑到课程安 排在三年级，学生已在低年级学习了基础的生物学、生物材料学、生物材料加工工艺等课程。因此，2012 年我们对实验课程内容进行调整，在组织工程支架制 备上引人了先进的静电纺丝技术。通过采用该技术，制备PLA等聚合物组织工程支架，然后培养种子细胞，研究细胞在支架上的黏附、增殖及分化。
台湾三党是哪三党随着近几年组织工程技术的更新和实验室3D打 印设备的引进，我们认为很有必要再次对实验内容进 行改革，在支架材料制备上引人3D打印技术，使学 生将课堂上学到的先进技术引人实验室，同时对实验 内容、教学方式和考核机制进行调整，不仅有利于培 养学生扎实的组织工程学基础知识和技能，掌握先进 技术，而且能激发学生开展组织工程学相关领域科学 研究的兴趣与潜能。
2 3D打印实验教学的优势
3D打印技术是近年来新兴的一种快速成型技术，实验技术要求较高，面向学生开设3D打印实验教学 具有以下优点。
U )提升学生创新思维和设计能力。3D打印技 术能够打破传统材料加工技术的限制，实现个性化、精细化打印。打印过程需要学生不断调整参数对模型 进行优化，并可以把自己的创意转化为现实的功能
化 产品，能够有效开发学生的创新思维，激发学生的创 作设计热情，充分发挥学生的主观能动性。
(2)促进学科间的交叉融合。3D打印技术集先 进材料技术、三维建模技术、加工制造技术等多门专 业知识于一体，是多门课程和学科的融合，要求学生 具有材料学、加工工艺学、机械制图、计算机等专业 知识，还要求有生物学知识背景，因此有助于实现学 科间实验的有机整合，促进学科间的交叉渗透，为培 养复合型人才奠定有力的基础。
(3 )丰富教学模式。在传统的实验教学中不断融 入新的技术能够有效丰富教学模式，提高学生的实验 兴趣。3D打印技术作为一种新型实验技术和教学方 式，在传统的实验教学中引人数字化、智能化的概念，使实验内容和教学手段多样化，能调动学生的积极性 和参与度，使课堂气氛更为活跃，教学效果更为突出。
3 3D打印技术融入组织工程学实验的教学内
容探讨
在组织工程学原有实验内容基础上，引人3D打 印技术，不仅要让学生了解3D打印的原理、构造、操作流程等基础知识，还要让学生掌握可用于3D打 印的生物材料，同时结合原有的静电纺丝增材制造技 术，比较几种组织工程支架制造先进技术之间的差异，拓宽学生的知识面，让其知识更成体系。为此，设计 了几种实验教学项目。
3.1综合实验——3D打印与静电纺丝对比
组织工程研究的关键是尽可能模拟人体细胞外基 质，作为细胞支架保持细胞存活并行使正常功能。最 近的发展趋势包括使用静电纺丝技术制造纤维网络支 架。静电纺丝技术利用高压电场力连续制备纤维，形 成的支架比表面积大、孔隙率高。这种微纳结构接近 天然细胞外基质环境，利于细胞粘附、生长、迁移以 及组织再生，在组织工程中显示出较大的应用潜力[5]。静电纺丝制作的纤维材料常为二维膜，存在孔径尺寸 不足和厚度低于“块状支架”的问题，在临床应用中 存在一些挑战。3D打印技术基于电fei控制和计算机 辅助设计（CAD )或计算机断层扫描技术（CT )，运 用粉末状材料逐层打印[6]。3D打印精度较高，可打印 复杂结构并可快速成型，但机械强度较低。
单纯从理论上为学生讲解上述两种技术的原理、特点和优缺点，较为抽象，容易导致学生机械式记忆，不能深刻领悟先进技术的精髓。因此，在组织工程实
32实验技术与管理
验课程的原有静电纺丝制备支架基础上加人3D打印 技术，将其设计成综合性实验，让学生对同一种生物 材料（如可降解性脂肪族聚酯PLA、PCL等）采取不 同的加工制造技术，之后再对不同技术制备的支架材 料从形貌、力学性能、生物学功能等方面进行对比，让学生亲自操作仪器、通过查阅文献资料，调整参数，不仅可以使学生掌握先进仪器的操作技能，还能使学 生更直观、更深刻地理解两种技
术的原理、制备材料 的设计思路，以及不同技术的特点和优缺点，进一步 加强学生的认知能力和实践能力。
3.2开放实验——3D打印与静电纺丝结合
基于非纤维结构的3D打印支架机械强度很低，不适合组织再生，因此最近组织工程领域许多研究集 中在将静电纺丝技术与3D打印技术结合，实现两种 先进技术的优势互补。费城天普大学G e rs te n h a b e教 授团队使用3D打印机，结合静电纺丝技术，发明了 一种直接打印到患者皮肤上的生物基个性化绷带，实 现了提高舒适度和促进伤口愈合的完美契合。上海大 学刘媛媛等将3D生物打印和静电纺丝技术结合，制备了复合生物可吸收血管支架用于血管狭窄的[\
麦子店街道办事处
东华大学莫秀梅教授（通信作者）等将静电纺丝、3D 打印等技术相结合，将静电纺丝二维纤维制成了外观 形状精确、力学性能良好、孔径结构可控的三维纤维 支架，应用于软骨组织再生[8]。浙江大学计剑教授（通 信作者）通过结合静电纺丝和3D打印两种技术，制备了一种3D设计性可快速变形和性能增强的水凝胶，开辟了快速变形水凝胶致动器的应用前景[91。
综上所述，在组织工程实验课程中增加开放性实 验，让学生在教师团队指导下，通过查阅文献，自己尝试探索正确的材料组合，将静电纺丝和3D打印两 种技术有机结合，并不断优化条件，改善原有支架材 料存在的缺陷，解决实际科学问题，将教师的科研成 果有效引入本科教学中，能够有效促进科
教融合。同时，也能鼓励学生早日走进实验室参与科研实践，有 助于培养学生的科研思维能力、独立分析问题与解决 问题的能力。
3.3创新实验——学生自主设计3D打印模型
3D生物打印技术基于计算机三维模型，精确定位 装载生物材料或活细胞，制造体外医学模型、医疗器 械辅助工具、人工植人支架、人工组织器官等生物医 学工程产品[1°]。3D打印未来有望实现体外或体内直 接打印活体器官或组织，从而替换功能障碍的器官或 组织，解决目前临床移植供体不足的问题。
在培养本科生3D打印技术过程中，首先应培养 学生的空间想象能力，让学生学会用立体思维方式去 分析问题和解决问题。目前3D打印常用的材料有金属、陶瓷、聚合物（如PLA、ABS、PCL )、复合材料、光敏树脂等。在组织T.程实验课程中增加3D打印模 型自主设计部分，让学生自主选择材料，根据自己的 兴趣设计不同形状、不同功能的模具。这一方式不仅 有助于让学生深刻了解3D打印机的构造和原理、三 维建模方式，了解不同材料的性能和加工方式，还能 掌握整套先进工艺的制造流程与设计思路，同时能激 发学生的创作热情，提高其自主学习能力。
4教学方式和考核机制的完善
在组织工程实验中引入3D打印技术的同时，也 必将对教学方式和考核体系进行相应的改革，改革的 出发点是充分发挥学生的主观能动性，突出学生在课 堂上的主体地位。
4.1 “N+1”自主选择实验教学模式
为了充分调动学生实验的积极性与主动学习的热 情，真正体现学生的主体地位，采取了 “N+1”自主 选择实验教学模式。如图2所示，“N”指在实验教师 指导下完成的传统组织工程学实验，其中包括种子细 胞培养系列技术（细胞的复苏与冻存、细胞传代培养 等）、组织T.程支架制备技术、支架生物学评价技术。“1”指学生自主选择的3D打印实验，学生从综合实 验、开放实验、创新实验三种模式中A主选择一项实 验内容，2〜4人一组，自由组合实验团队。实验团队成
图2 “N+1”
自主选择实验教学模式
李慧，等：将3D打印技术融人组织T.程学实验课程的探讨33
员通过查阅资料、确定实验方案等，共同完成实验项目。
在“N+1”实验教学模式中，学生自主选择生物 材料，教师不再指定实验所用的材料，学生通过查阅 文献了解不同材料的特性和适用范围，从常用的生物 材料中自己选择一种进行实验设计，也可以同时采用 几种材料进行比较分析。通过以上方式，打破了传统 的教师指定实验材料，限定实验内容的机械式实验操 作，发挥了学生的主体作用，不仅能有效激励学生主 动参与实验，还能促进学生间的相互交流，营造良好 的学习氛围。
4.2教师团队梯度指导
课程设计采取教师团队梯度指导模式，指导教师 包括实验教师，以及专门成立的组织工程学实验科研 教师团队。首先由实验教师指导学生完成传统的组织 工程学实验，确保学生掌握基本的组织工程学实验知 识与技能。之后实验教师公布3D打印设计实验方案，让学生自主选择实验课题，成立实验团队，并在科研 教师团队中选定一位教师作为课程设计导师，充分查阅文献确定设计题目与方案。科研教师对课程设计方 案进行可行性分析，方案通过后与学生讨论实验细节，与实验教师共同指导学生完
成实验，并参与学生的实 验课成绩考核，鼓励与帮助学生完成后续的科研成果 发表工作。教师团队梯度指导模式能够充分保障学生 的个性化设计，有效提升学生的科研思维能力，同时 依靠科研教师的指导，可以进一步在本科教学中结合 教师的科研成果，促进科教融合。
4.3完善考核体系
考核体系是课程体系的重要组成部分，能有效调 控教学活动，评价教学效果[||]。在原考核体系（100 分）的基础上，为3D打印增加30%的分值，总分为 130分。采取学生答辩形式，融合实验项目难度系数、个人或团队开展与完成情况，还采用学生小组互评与 教师团队评价结合的形式，同时鼓励学生参加科研竞 赛活动和论文写作发表工作，并将科研成果作为加分 项，纳人实验课程综合考核，使课程体系更加完善，具体考核标准如表1所示。
表丨实验成绩考核标准
考核项0考核内容分值/分标准形式
考勤10严格签到，不迟到、不早退，请假须出示假条，并经教
务处审批
实验教师打分
科研素养值曰5认真完成每次值日，保证地面、桌面清洁，离开实验室寻隐者不遇教学设计
关闭门窗、水电等
实验教师打分
实验服、台面清洁度5每次实验务必穿好实验服，实验垃圾按要求丢弃，保持
实验台面清洁
实验教师打分
仪器操作10正确使用仪器，使用完毕清理好仪器、关机实验教师打分实验过程
参与程度10积极动手参与实验，遇到问题主动分析解决实验教师打分
实验报告30字迹清晰、格式规范、内容完整、分析讨论合理，不允
许抄袭，每次报告按时提交
实验教师打分
实验结果
教师考核小组打分（20分）+ P P T答辩(3D打印部分)30思路清晰、数据合理、正确答疑
学生互评（10分）
科研成果参与科研竞赛10参与一个课程设计相关科研竞赛加10分，满分封顶
学生提供证明材料，发表论文或专利20
以前两名作者身份发表1篇课程设计相关论文或专利
加20分，满分封顶
实验教师打分
5课程设想
3D打印目前存在以下问题：打印材料有限、打印 工艺不够完善、打印产品性能较差等。于是，研究者 提出了通过计算机虚拟仿真对其进行优化，同时实现 3D打印的动态模拟与可视化操作[12]。借助计算机仿 真软件对整套3D打印流程进行模拟，能优化打印设 计，降低打印失败风险。
市场上针对不同材料的3D打印仿真软件主要有ANSYS、Amphyon、Simufact Additive、GENOA3D P、FLOW-3D等，涵盖金属、陶瓷、聚合物等材料，每 个软件应用侧重点不同。下一步，计划将虚拟仿真概 念引人3D打印实验教学，建立虚拟仿真实验室，并 允许学生自主设置设计参数，线上线下教学相结合，3D打印虚拟仿真教学流程如图3所示，不仅可为学生 提供一种全新的可视化仿真打印过程，丰富教学方式，推进信息技术与实验教学的融合，同时还可发挥学生 的主观能动性，拓展学生的知识面。
34实验技术与管理
f
实验1—'
线上动态介
f
线上软件模拟1■f
线上软件模拟^•
'线上软件模拟^I k f 线上提交>:
线下提交纸质预习
v _________
J
一.绍仪器设备
^_____
_____y
.
前处理过程
^____
_____y
-
V
快速成型过程
—^
后处理过程
^
实验报告
实验报告
教师线上指导
和答疑
教师线下 批改指导
图3 3D 打印虚拟仿真教学流程
6结语
3D 打印技术本质上是多媒体技术的延伸，能进一 步拓展学生的思维能力。将3D 打印技术融人组织工 程学实验教学，结合传统的组织工程支架制备技术与 静电纺丝技术，能够提升学生的综合能力、设计能力、 动手能力与创造力，有效促进学生运用多门学科的综 合知识解决实际问题。在实验教学中不断探索和完善 3D 打印技术的应用，有效推动了实验教学的改革与 发展。
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