3D打印技術在醫(yī)學方面的應用及畜牧獸醫(yī)領域的展望

向順祿，楊冬東，何可，黃長青，柏才敏

（1.四川省動物疫病預防控制中心，四川成都 610041；2.四川省獸醫(yī)協(xié)會，四川成都 610041）

在首屆世界3D打印技術產業(yè)大會上，來自美國、德國和全世界3D打印行業(yè)的600多位嘉賓就3D打印技術產業(yè)化過程中的熱點難點問題展開了深入討論，并成立了世界3D打印技術產業(yè)聯(lián)盟。全世界已經掀起了3D打印技術的熱潮，隨著該技術的日趨完善，成本不斷降低，3D打印技術的應用在設計、醫(yī)療、制造等領域不斷完善和成熟，人類已經進入了3D打印時代。目前，3D打印技術雖然已經在很多領域初露鋒芒，但畜牧獸醫(yī)行業(yè)對3D打印技術的認知十分有限。本文匯集了國內外相關資料，試圖將3D打印技術的概念及原理、應用現(xiàn)狀、在醫(yī)學領域的應用等情況介紹給大家，并對3D打印技術在未來畜牧獸醫(yī)領域的應用進行了大膽設想。

一、3D打印技術的概念及原理

3D打印技術，是一種以數(shù)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。3D打印的概念在上個世紀80年代就出現(xiàn)了，3D打印機則出現(xiàn)在上世紀90年代中期，它與普通打印機工作原理相同，打印機內裝有液體或粉末等“打印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機上的藍圖變成實物。

3D打印機的工作原理有一個形象的比喻：蠶吐出很細的絲，一層一層把自己包裹起來，就形成了一個“立體”的繭。雖然目前材料和工藝不一樣，但3D打印的基本原理都是根據要打印的物體形狀，通過一層層地堆積而成。比如塑料材料，就是將塑料加熱后，形成塑料絲，然后將塑料絲一層一層地堆起來，就形成了三維物品；還有一種是用激光照射光敏樹脂或金屬粉末，形成固體后堆積起來變成三維物品。不管是哪種材料，都是一層一層往上加材料，而不是像傳統(tǒng)制作工藝“車、洗、磨”那樣把原材料削去。3D打印是增加需要的部分，而傳統(tǒng)制作工藝是減掉不需要的部分。

二、3D打印技術即將開啟第三次技術革命

放眼全球，3D打印技術成了各國競相研發(fā)的項目，美國《時代》周刊已將3D打印產業(yè)列為“美國十大增長最快的工業(yè)”；英國《經濟學人》雜志認為這項技術將與數(shù)字化生產模式一起推動實現(xiàn)新的工業(yè)革命，將3D打印技術稱為世界第三次技術革命，必將引起市場格局和技術慣例的變革，使得人類即將跨入“點擊制造”時代。

目前3D打印技術已經滲透到各行各業(yè)，在工業(yè)制造領域，3D打印技術已經用于產品概念設計、原型制作、產品評審、功能驗證等方面，3D打印的小型無人飛機、小型汽車等產品已經問世，一些3D打印的家用器具，也經常被用于企業(yè)的宣傳、營銷活動之中；在航空航天、國防軍工領域，3D打印技術被用于制造結構復雜、尺寸細微且具有特殊性能的零部件，也用于機構的直接制造，而且結構越復雜，取得的效果越好；在建筑領域里，工程師和設計師已經開始使用3D打印機打印建筑模型，荷蘭科學家甚至已經著手打印整體建筑；在消費品領域，一些珠寶、服飾、鞋類、玩具的設計與制造也通過3D打印技術來完成。

3D打印技術解決了傳統(tǒng)工藝難以制造復雜結構零件的問題，能夠明顯提高生產效率，具有快速、成本低、環(huán)保、節(jié)能降耗等眾多優(yōu)勢，因此，在“衣食住行，文體娛樂”的各個領域，3D打印技術都是“如魚得水”，即將開啟第三次技術革命的大門。

三、3D打印技術在醫(yī)療行業(yè)的應用

3D打印技術作為科技前沿的代表性技術，自然受到了醫(yī)療行業(yè)的青睞。如今，3D打印技術逐漸應用到醫(yī)學領域的范圍已經超出了我們的想象，引起了廣泛關注。就目前而言，3D打印技術在醫(yī)療方面的運用主要在以下幾個方面：

（一）快速制作人體器官模型3D打印出來的器官可用于教學和術前模擬等，這是最傳統(tǒng)的用途。據國外媒體報告，英國專家研發(fā)的3D打印技術可用胚胎干細胞制造人體組織，這種由愛丁堡赫瑞·瓦特大學開發(fā)的方法意味著病入膏肓的病人或是災難中受嚴重傷害的病人，可輕易獲得肝臟、心臟和其它器官。

威爾·休博士和他的科研團隊正和英國中洛錫安郡干細胞技術公司Roslin Cellab密切合作。他說：“據我們所知，這些細胞被3D打印出來尚屬首次。這項技術將使我們制造出更精確的人體組織模型。從長遠來看，我們設想這項技術得到進一步發(fā)展，可用患者自己的細胞為醫(yī)療植入制造出可用的3D器官。這是第一步。這是把細胞變成你想要器官的干細胞技術的巨大進步。在我們看來，為了最后培育出你想要的任何組織或器官，最好是先精通這項技術?！?/p>

數(shù)據顯示，截至2012年3月，英國國家醫(yī)療服務體系(NHS)器官捐贈登記表共有186 935 49人。這項技術培育出的器官，可減少器官捐贈的需要以及排除出現(xiàn)免疫抑制和移植排斥等問題的可能性。

（二）作為手術植入體 3D打印產品可以根據確切體型匹配定制，如今通過3D打印制造的醫(yī)療植入物這種技術已被應用于制造更好的鈦質骨植入物、義肢以及矯正設備。美國研究人員利用3D打印機開發(fā)骨骼打印技術，造出類似骨骼的材料，它可被用于骨科、牙科治療或開發(fā)治療骨質疏松癥藥物。

華盛頓州立大學蘇斯米塔·博斯帶領研究小組，耗費4年時間開發(fā)類骨骼物質。他們發(fā)現(xiàn)，在生物陶瓷粉主要成分磷酸鈣中添加硅和氧化鋅可以使其強度提升一倍。磷酸鈣生物陶瓷材料是整形外科領域一類重要的骨修復材料，可模擬人體自然骨結構，適宜細胞和骨組織的長入。研究人員使用一部先前用于打印金屬材料的3D打印機制造類骨骼物質。它在粉末層上噴出塑料黏合劑，粉末層厚度僅為一根頭發(fā)絲寬度的一半。粉末層層疊加，干燥后達到要求的支架厚度，然后在1250℃下烘烤2小時。實驗室環(huán)境下的未成熟骨細胞生長測試顯示，支架上的骨細胞在移植一周內開始生長。在兔子和老鼠身上的活體實驗同樣得到可喜效果。

研究人員說，這種類骨骼物質可被添加到受損自然骨上，當作支架材料，促使細胞和骨組織生長，而且這種類骨骼物質可最終降解，沒有“明顯負面效果”。他們表示，數(shù)年后，醫(yī)生可利用這一技術定做更換骨組織。

（三）口服控釋給藥 英國媒體報道，英國格拉斯哥大學的李克羅寧教授及其45名成員的研究團隊對一臺3D打印機進行改良，在其中加入裝有化學藥品的容器。經過改造，這部3D打印機相當于擁有一個小型“反應件”，可合成用戶所需藥品。

傳統(tǒng)口服藥在剛服用一段時間后血液中藥物濃度會有一個高峰，隨后就下降。三維打印采取的“逐層打印、層層疊加”原理可以方便地打印出特殊外型或復雜內部結構的藥品，可以通過特殊的藥片結構控制藥粉/藥劑的釋放過程，讓人體內的藥物吸收過程更為合理。

除此之外，這項技術將大大降低藥品制作成本，使更多的患者能接受之前負擔不起的昂貴治療。

（四）改良藥物測試 在最理想的狀態(tài)下，打印結構還能用于藥物測試，加速改良測試過程。大部分藥物開發(fā)都是以人類疾病為目標，用人類組織來實驗更有意義。研究發(fā)現(xiàn)，與藥物開發(fā)部門目前正在使用的技術相比，3D培養(yǎng)的細胞生理表現(xiàn)很不相同。愛丁堡赫瑞瓦特大學的研究人員已經開發(fā)出了基于瓣膜的細胞打印過程，可以按特定的模式打印細胞，每液滴中能夠提供低至2 NL或小于5個的細胞。3D打印的人造肝臟組織“對于藥物研發(fā)非常有價值，因為它們可以更確切地模擬人體對藥物的反應，有助于從中選擇更安全、更有效的藥物?！?/p>

威爾·休博士帶領赫瑞瓦特大學的研究小組開發(fā)了一種基于瓣膜的雙噴嘴打印機，已經過驗證，可打印高度活細胞，包括用于組織再生的首例人體胚胎干細胞打印。威爾·休博士說：“革命性的新藥需要10～15年的時間進入市場，投資成本超過100億美元，實際上，人體器官切片可以使研發(fā)周期減少至10年以下，關鍵的是成本可減半。新藥物可進行潛在肝毒性的測試，因此這將有利于所有的疾病?！?/p>

威爾·休博士的研究團隊正在與中洛錫安郡的Roslin Cellab公司密切合作。該公司與制藥和生物技術機構合作，旨在推動干細胞產品的商業(yè)化。相信在多方共同努力下，3D打印技術在未來某一天有可能使定制藥物成為現(xiàn)實，并緩解（如果不能消除的話）供體短缺的問題。

（五）電子醫(yī)療器械市場Organovo是一家來自美國圣地亞哥專注3D打印制造生物組織并用于藥物研究和外科運用的公司，該公司通過和美國專門學術機構以及其他商業(yè)公司合作，研發(fā)技術。目前美國Organovo公司已經同美國輝瑞制藥公司、美國聯(lián)合治療集團、哈佛醫(yī)學院以及哥倫比亞大學等建立了合作關系，將3D生物打印技術運用于藥物制造和醫(yī)療行業(yè)，BBC市場研究報告顯示，其全球市場價值達到了11億美元。

如果，3D打印技術供應商擁有足夠的技術儲備，同醫(yī)院建立起合作關系，向其提供包括設備、技術在內的支持和維護，并進行相應的培訓，那么這必將開啟極具前景和潛力的電子醫(yī)療器械市場。

四、3D打印技術在畜牧獸醫(yī)領域的展望

3D打印技術未來能否繼續(xù)扮演新一輪產業(yè)革命的主角，人們拭目以待。專家認為，隨著技術日趨完善，3D打印技術的應用將是想象力的問題。3D生物打印技術將在醫(yī)學的各個子學科中廣泛應用，讓我們來大膽展望它在我們獸醫(yī)行業(yè)中的應用。

（一）打印生物疫苗 人類社會進入21世紀以來，隨著世界人口不斷增加，生活品、工業(yè)品需求量節(jié)節(jié)攀升，對環(huán)境也造成了嚴重污染，滋生了各種病毒。2002年的SARS病毒以及現(xiàn)在的H7N9病毒的出現(xiàn)就說明了當今社會應針對病毒做好積極的防疫工作。3D打印技術可應用于疫苗的生產，通過電鏡識別新病毒，再用3D打印機將具有相應抗原特性的疫苗打印出來，便可第一時間獲得疫苗。2009年暴發(fā)H5N1病毒時，各國政府普遍耗時6個月才生產出相應的疫苗。如果運用3D打印技術，便能在最短的時間打印出最新疫苗并在第一時間分發(fā)到各家各戶，這樣便能在最短的時間內有效地防止疫病擴散。

（二）打印器官，保護珍稀動物 打印制造軟組織的實驗已經進行，通過3D打印制造的血管和動脈正在試圖應用于手術。這樣的技術同樣也可以為患病動物特別是珍稀動物提供更為有效的治療，通過3D打印技術制造的器官可緩解器官供體短缺或出現(xiàn)排斥等問題。精確打印出來的器官，其外型與功能幾乎與原配一樣，這樣就可以讓瀕臨滅絕的動物尋求更多生還機會。

（三）打印鮮肉，提供豐富的仿生性食品 用3D打印技術可在糖類物質構成的框架上打印生產出鮮肉，口感與真肉十分接近?！磅r肉”如此打印，不僅可以滿足人類對肉類食品的需求，也將減少被捕殺動物的數(shù)量。減少了大量的規(guī)模養(yǎng)殖，從一定程度上減少疫病的滋生、傳播，達到真正的清潔無疫，促進畜牧業(yè)又好又快的發(fā)展，保障人類和動物的安全，同時也可以改善一直存在爭議的動物福利問題。

（四）打印實驗模型，保障動物權利 目前人類測試新藥物的過程，往往使用大量的實驗動物。這不是理想的做法，因為不僅成本昂貴，而且不太可能準確地呈現(xiàn)出人體器官對其的代謝能力和毒性反應，同時會引發(fā)動物福利組織的反對。研發(fā)人員希望可以直接在這些“打印”出來的，且在法律意義上不具生命的活器官上進行實驗和改良，以取代動物實驗，提供更快的結果反饋，同時顯著降低臨床實驗的成本，也使動物的權利得到有效的保障。此外，通過打印胚胎干細胞生成的3D結構，能造出更精確的活體組織模型，今后藥物開發(fā)和實驗過程將不再需要進行各種動物實驗。以動物疾病預防控制為目標的藥物、疫苗開發(fā)，可直接采用動物組織來做藥性測試。它們可以更確切地模擬動物對藥物的反應，有助于從中選擇更安全、更有效的藥物及疫苗，這對藥物研發(fā)、毒性測試都非常有價值。

以上幾點，只是對于3D打印技術在畜牧獸醫(yī)學方面的應用展望，相信隨著技術的不斷成熟，3D打印技術能夠在畜牧獸醫(yī)學方面發(fā)揮出更大的積極作用。

五、3D打印技術的瓶頸

上海同濟大學教授、現(xiàn)代制造技術研究所名譽所長張曙認為：“過去，我們只是把3D打印當成是一種快速成形技術，但現(xiàn)在工業(yè)領域的應用，可以讓設計、創(chuàng)意與生產分開，實現(xiàn)減少庫存的生產，等于提供了新的商務模式，就勢必會引起制造業(yè)的變革。但3D打印的技術還存在很多難題，加工精度、材料應用等方面，在制造業(yè)的應用不是一時半刻能夠實現(xiàn)的”。從張教授的話里，我們了解到，3D打印技術雖然優(yōu)勢明顯，但仍然存在一些發(fā)展瓶頸，主要表現(xiàn)在以下幾點：

（一）適用范圍有限 對于一般要求較低、專業(yè)性不強的部件，3D打印可以滿足要求，設計師能通過這種方法將電腦上的圖形快速轉換成物理實物模型，方便對設計和功能進行驗證，縮短產品開發(fā)周期，及時發(fā)現(xiàn)問題。如果用傳統(tǒng)方法，需要經過繪圖、工藝設計、模具制造等多個環(huán)節(jié)，花費較多的時間和較高的成本。但如果是做例如鉆頭這種高硬度的產品，3D打印明顯力不從心。這個不是改進技術就能夠解決的，因為快速成型技術本身存在本質性缺陷和局限性。

（二）材料單一 材質、原料是這項技術的核心，找到適合的材料才能制造出相應產品。目前，可用的3D材質并不多，只是一些可溶性的金屬、樹脂、塑料等材質的應用。

（三）成本昂貴 由于產品數(shù)量少，技術研發(fā)成本高，只購買3D打印機就價格不菲，數(shù)千元的產品，也僅僅是打印一些簡單的小東西。

除了這些問題，3D打印技術在現(xiàn)實的應用中還存在某些門坎兒，不僅會導致資本和工作重新分配，知識產權規(guī)則也將被改變，為此人們應該從現(xiàn)在開始考慮這種技術的長遠影響，將處于趨勢焦點的3D打印技術推入發(fā)展的快車道。

（略）