3D打印技術(shù)應(yīng)用前景展望與分析

◆黃烽堅(jiān) 封小影 黃 昊

第三軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所 重慶 400042

責(zé)任編輯:姚 濤

3D打印技術(shù)是制造業(yè)領(lǐng)域正在迅速發(fā)展的一項(xiàng)新興技術(shù)，被稱(chēng)為“具有工業(yè)革命意義的制造技術(shù)”[1]，特別是用于醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)的生物3D打印技術(shù)，在臨床和醫(yī)學(xué)科研方面的應(yīng)用受到了醫(yī)學(xué)界的廣泛關(guān)注。隨著3D打印技術(shù)與醫(yī)學(xué)影像建模、仿真技術(shù)相結(jié)合的不斷深入，3D打印技術(shù)在醫(yī)療方面的應(yīng)用也取得了驚人進(jìn)展，其具有的快速性、準(zhǔn)確性及擅長(zhǎng)制作復(fù)雜形狀實(shí)體的特性使它在醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

1 3D打印技術(shù)概述

3D打印技術(shù)(又稱(chēng)“添加制造”(Additive Manufacturing)誕生于20世紀(jì)80年代后期，源自美國(guó)研究照相雕塑和地貌成形技術(shù)，是一種與傳統(tǒng)材料去除加工方法相反、基于三維數(shù)字模型、運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料、采用逐層制造方式將材料結(jié)合起來(lái)的工藝技術(shù)[2]。3D打印技術(shù)主要工藝類(lèi)型包括立體光刻 (SL)、立體光固成型、PVC塑料燙印復(fù)膜、熔融擠出成型(FDM)、三維噴繪打印(3DP)、數(shù)字光處理(DLP)等。其產(chǎn)品類(lèi)型主要分為桌面級(jí)和工業(yè)級(jí)兩種，桌面級(jí)能夠較直觀地闡述3D打印技術(shù)的工藝原理;工業(yè)級(jí)的3D打印機(jī)主要分為快速原型制造和直接產(chǎn)品制造兩種。3D打印技術(shù)作為一種高科技含量的應(yīng)用技術(shù)，綜合了數(shù)字建模技術(shù)、機(jī)電控制技術(shù)、信息技術(shù)、材料科學(xué)與化學(xué)等諸多前沿技術(shù)知識(shí)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于家電、汽車(chē)、工程機(jī)械、航天航空、船舶等領(lǐng)域。

3D打印技術(shù)最近數(shù)十年取得了重大發(fā)展，正逐步成為最有生命力的先進(jìn)制造技術(shù)之一。目前已經(jīng)能夠在0.01mm的單層厚度上實(shí)現(xiàn)600dpi的精細(xì)分辨率，國(guó)際上較先進(jìn)的產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)每小時(shí)25ram厚度的垂直速率，實(shí)現(xiàn)24位色彩的彩色打印[3]。目前在市場(chǎng)應(yīng)用領(lǐng)域方面，3D打印技術(shù)在航空器和醫(yī)學(xué)牙科領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展最快。在2009年～2011年的3年間，應(yīng)用于航空器制造領(lǐng)域的設(shè)備市場(chǎng)份額由9.9%上升到了12.1%，醫(yī)學(xué)牙科的市場(chǎng)份額由13.6%上升到了15.1%。隨著3D打印技術(shù)精度、效率和速度的提升，以及多樣3D打印材料的開(kāi)發(fā)、工藝方法的改進(jìn)、智能制造的發(fā)展成熟，新的信息技術(shù)、控制技術(shù)、材料技術(shù)等不斷被廣泛應(yīng)用到制造領(lǐng)域，3D打印技術(shù)也將得到更廣泛的應(yīng)用。未來(lái)，3D打印技術(shù)將體現(xiàn)出精密化、智能化、通用化以及便捷化等發(fā)展趨勢(shì)[4]。

我國(guó)3D打印技術(shù)起步于20世紀(jì)90年代初期，已研制出與國(guó)外 SLA、LOM、SLS、FDM 等工藝方法相似的打印設(shè)備，并逐步實(shí)現(xiàn)了商品化，尤其在大型金屬構(gòu)件直接制造方面，突破了技術(shù)方面的障礙，走在世界的前列。目前國(guó)內(nèi)已有部分企業(yè)實(shí)現(xiàn)了3D打印機(jī)的整機(jī)生產(chǎn)和銷(xiāo)售，東部發(fā)達(dá)城市已有企業(yè)應(yīng)用3D打印設(shè)備開(kāi)展了商業(yè)化的快速成型 服務(wù)[3，5]，同時(shí)中國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的成立，標(biāo)志著3D打印產(chǎn)業(yè)的資源整合已經(jīng)步入新階段，結(jié)束了“小而散”的狀況。近年來(lái)，國(guó)家對(duì)3D打印技術(shù)的支持力度不斷加大，主管部門(mén)在積極制定相關(guān)產(chǎn)業(yè)扶持政策，科技部已經(jīng)將3D打印技術(shù)納入國(guó)家“863計(jì)劃”，因此3D打印技術(shù)和產(chǎn)業(yè)表現(xiàn)了強(qiáng)勁的發(fā)展?jié)摿Α５傮w而言，國(guó)內(nèi)3D打印技術(shù)研發(fā)水平與國(guó)外相比還有較大差距，且在工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)的穩(wěn)定性、精密度、材料等領(lǐng)域與國(guó)外尚有一些差距，未來(lái)隨著智能控制、圖像傳感技術(shù)以及新材料等的應(yīng)用，我國(guó)3D打印技術(shù)將向智能化、高效率化、節(jié)能化方向發(fā)展[4]。

2 3D打印技術(shù)在醫(yī)院的應(yīng)用前景

2.1 臨床應(yīng)用

2.1.1 為個(gè)性化治療創(chuàng)造條件

比如制造出個(gè)性化的假體。進(jìn)行個(gè)性化治療一直是無(wú)數(shù)病人夢(mèng)寐以求的治療方案。過(guò)去由于根據(jù)模型制作假體，制作時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，且由于材料的使用率低，造成獲得個(gè)性化的產(chǎn)品費(fèi)用較高。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)有效解決了個(gè)性化治療的難題[6]。3D打印技術(shù)無(wú)需機(jī)械加工或任何模具，就能直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件，從而極大地縮短產(chǎn)品的研制周期，提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，使得生產(chǎn)一件產(chǎn)品和生產(chǎn)大量同樣產(chǎn)品的單價(jià)相同。目前比較成功的案例是，美國(guó)Ofard Performance Materials公司做了顱骨的修復(fù)技術(shù);在歐洲，LayerWise公司首次用激光燒結(jié)的技術(shù)，用鈦合金做出下顎關(guān)節(jié)植入人體。

2.1.2 生物3D打印可用于組織工程 人體組織損傷、缺損會(huì)導(dǎo)致功能障礙。傳統(tǒng)的修復(fù)方法是自體組織移植術(shù)，雖然可以取得滿意療效，但它是以犧牲自體健康為代價(jià)，會(huì)導(dǎo)致很多并發(fā)癥及附加損傷。利用組織工程和生物制造技術(shù)進(jìn)行缺損修復(fù)[5]，通過(guò) 3D打印機(jī)打印出來(lái)和自身需要完全一樣的組織工程支架，在接受組織液后，其可以成活，便形成有功能的活體組織，然后移植到病人身上，對(duì)損壞的部位進(jìn)行永久性的替代。目前，全球每年等待器官移植的患者數(shù)量驚人。而器官來(lái)源一直是器官移植最大的制約因素。利用3D打印技術(shù)制造胚胎干細(xì)胞和人體組織，可以制造出能夠直接移植或埋入人體內(nèi)的人體部位，甚至直接在人體內(nèi)打印細(xì)胞。3D打印技術(shù)可加速人造人體器官的進(jìn)展，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用有望解決器官來(lái)源問(wèn)題[7－9]。

2.1.3 可用于制造生物模型 在進(jìn)行復(fù)雜手術(shù)前通過(guò)醫(yī)療模型模擬手術(shù)，使醫(yī)生能夠掌握手術(shù)中預(yù)先解剖的部位，減少手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，提高手術(shù)成功率。醫(yī)學(xué)影像在臨床上的應(yīng)用，很容易得到病人軟組織、硬組織的模型，通過(guò)把 X線、CT機(jī)及 MRI獲得的 DICOM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成三維打印機(jī)的數(shù)據(jù)，便可以快速準(zhǔn)確制成生物模型，幫助醫(yī)生提高手術(shù)成功率。比如手術(shù)前可以把所有的器官通過(guò)三維打印成病理模型，根據(jù)模型大小，尋找合適的供體，充分做好手術(shù)前的規(guī)劃和方案的設(shè)計(jì)[10－12]。 大坪醫(yī)院肺外科開(kāi)展了世界首例3D CT引導(dǎo)電視胸腔鏡下肺毛玻璃樣變切除術(shù)，實(shí)際效果表明，將3D打印技術(shù)應(yīng)用于手術(shù)現(xiàn)場(chǎng)，手術(shù)的準(zhǔn)確度明顯提高。

2.2 科學(xué)研究

2.2.1 打印反應(yīng)容器，驅(qū)動(dòng)化學(xué)反應(yīng) 3D打印技術(shù)出現(xiàn)以前，研究人員一直都在沿用傳統(tǒng)的玻璃瓶罐等容器進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)，且被動(dòng)地使用標(biāo)準(zhǔn)試件。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)有效解決了實(shí)驗(yàn)器皿作用單一的模式，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，“量身定制”各種不同的實(shí)驗(yàn)器皿，而且可以打印反應(yīng)容器，使之成為實(shí)驗(yàn)本身的組成部分，控制化學(xué)反應(yīng)。其原理是通過(guò)3D打印技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助過(guò)程，一層一層地建立起固態(tài)物件。這種用綴合催化劑“墨水”打印的容器能讓其內(nèi)壁驅(qū)動(dòng)化學(xué)反應(yīng)[13]，而容器內(nèi)藏有的嵌入式電極(用導(dǎo)電碳基添加劑打印出來(lái)的一種載有電流的聚合物薄片條)能在容器內(nèi)促進(jìn)電化學(xué) 反 應(yīng)[14－21]。該項(xiàng)技術(shù)不僅能夠快速生產(chǎn)再配置試件，還能強(qiáng)化化學(xué)反應(yīng)，為研究提供了一種全新的個(gè)性試件方式。

2.2.2 可進(jìn)行細(xì)胞3D打印 以三維設(shè)計(jì)模型為基礎(chǔ)，通過(guò)軟件分層離散和數(shù)控成型的方法，用3D打印技術(shù)生成生物材料，特別是細(xì)胞材料等。它的技術(shù)原理是將細(xì)胞打印[8]在一層一層的特殊熱敏材料上，之后將材料疊加起來(lái)就得到所需的組織結(jié)構(gòu)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，40%以上的人口死亡于代謝綜合癥，利用細(xì)胞3D打印技術(shù)在體外打印一個(gè)代謝綜合癥模型，通過(guò)模型可獲得能量代謝的系統(tǒng)模型圖，就可以看到細(xì)胞在里面的生長(zhǎng)狀況。譬如我們把胰島細(xì)胞放在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，就可以形成一個(gè)我們所需要的、有通訊的三維模型，再進(jìn)行相關(guān)的病理實(shí)驗(yàn)，就可以模仿人體糖尿病的病理，相對(duì)于傳統(tǒng)模型，這更接近人體內(nèi)的真實(shí)情況[5]。

3 展望與建議

任何一種新型技術(shù)的發(fā)展都面臨機(jī)遇與挑戰(zhàn)，3D打印技術(shù)雖然技術(shù)先進(jìn)、應(yīng)用廣泛，但受多種因素的限制。目前，打印設(shè)備的精度、速度和效率還不夠高，受打印機(jī)工作原理的限制，打印精度與速度之間存在嚴(yán)重沖突;打印生物材料多局限于化學(xué)聚合物，打印機(jī)造價(jià)比較貴，打印產(chǎn)品成本高等。尤其是在生物3D打印技術(shù)方面，牽涉的技術(shù)比較多，因此3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)方面的發(fā)展必須是多學(xué)科的合作。

從中長(zhǎng)期來(lái)看，3D打印技術(shù)在醫(yī)院應(yīng)用具有較為廣闊的發(fā)展前景，但目前距離成熟應(yīng)用階段尚有較大距離。因此現(xiàn)階段醫(yī)院對(duì)3D打印技術(shù)的投入應(yīng)注意以下幾點(diǎn):一是加強(qiáng)醫(yī)院與廠家聯(lián)手開(kāi)展合作研究。廠家出設(shè)備，醫(yī)院設(shè)計(jì)需要的圖形，廠家拿到圖形后打印成產(chǎn)品提供給醫(yī)院使用，并遵循先動(dòng)物實(shí)驗(yàn)再臨床觀察原則，盡量將風(fēng)險(xiǎn)降到最低。同時(shí)加強(qiáng)教育培訓(xùn)。技術(shù)的引進(jìn)需配備專(zhuān)業(yè)的人才，將3D打印技術(shù)納入醫(yī)院中長(zhǎng)期發(fā)展建設(shè)規(guī)劃，培養(yǎng)懂醫(yī)療且了解3D打印技術(shù)的復(fù)合型人才，為醫(yī)院應(yīng)用和發(fā)展3D打印技術(shù)儲(chǔ)備人才。二是加強(qiáng)與其它醫(yī)院的合作和交流。與3D打印技術(shù)應(yīng)用比較成熟的醫(yī)院建立合作機(jī)制，實(shí)現(xiàn)資源共享，定期舉行經(jīng)驗(yàn)交流和研討會(huì)，解析3D打印技術(shù)應(yīng)用中遇到的問(wèn)題，分享應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和技巧。三是與傳統(tǒng)的醫(yī)療技術(shù)形成互補(bǔ)。傳統(tǒng)的醫(yī)療技術(shù)是醫(yī)院發(fā)展的基礎(chǔ)，新技術(shù)的應(yīng)用是醫(yī)院發(fā)展的動(dòng)力，二者相結(jié)合，醫(yī)院才能穩(wěn)步向前發(fā)展。

綜上所述，3D打印技術(shù)雖然在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用前景巨大，且能給醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)技術(shù)革新提供強(qiáng)勁的動(dòng)力，但醫(yī)院在引進(jìn)和實(shí)施3D打印技術(shù)時(shí)，要根據(jù)實(shí)際情況理性客觀的規(guī)劃布局，對(duì)醫(yī)院現(xiàn)有資源進(jìn)行整合，與傳統(tǒng)醫(yī)療技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，在不斷提高醫(yī)院特色醫(yī)療技術(shù)的同時(shí)，加強(qiáng)3D打印技術(shù)的引進(jìn)與應(yīng)用。

[1] 張 曼.3D打印技術(shù)及其應(yīng)用發(fā)展研究[J].電子世界，2013(13):7－8.

[2] 王雪瑩.3D打印技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及前景分析[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2012(26):3－5.

[3] 陳堅(jiān)偉，張 迪.3D打印技術(shù)醫(yī)學(xué)應(yīng)用綜述與展望[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2013(15):3632－3633.

[4] 賀超良，湯朝暉，田華雨，等.3D打印技術(shù)制備生物醫(yī)用高分子材料的研究進(jìn)展[J].高分子學(xué)報(bào)，2013(6):722－732.

[5] 王月圓，楊 萍.3D打印技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)[J].印刷雜志，2013(4):10－12.

[6] 韓桂芬，章靜波.塑料移植物替代3/4顱骨3D打印機(jī)制造出聚合物頭蓋骨[J].基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與臨床，2013(6):823.

[7] N.E.Fedorovich，L.Moroni，J.Malda，et al.3D － Fiber Deposition for Tissue Engineering and Organ Printing Applications[Z].Cell and Organ Printing，2010:225 －239.

[8] Natalja E.Fedorovich，Jacqueline Alblas，Wim E.Hennink，et al.Organ printing:the future of bone regeneration[J].Trends in Biotechnology，2011，29(12):601 －606.

[9] F.Melchels，J.Malda，N.Fedorovich，et al.Organ Printing[J].Comprehensive Biomaterials，2011(5):587 －606.

[10] Paul Calvert.Printing Cells[J].Science，2007，336:208 －209.

[11] Weigang Wu，Qixin Zheng，Xiaodong Guo，et al.The controlled － releasing drug implant based on the three dimensional printing technology:Fabrication and properties of drug releasing in vivo[J].Journal of Wuhan University of Technology － Mater，2009，24(6):977－981.

[12] Xiaofeng Cui，Thomas Boland.Human microvasculature fabrication using thermal inkjet printing technology[J].Biomaterials，2009，30(31):6221 －6227.

[13] 張長(zhǎng)青.3D打印機(jī)生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)器皿

“智能”容器可以驅(qū)動(dòng)化學(xué)反應(yīng)[J].世界科學(xué)，2012(9):45－46.

[14] Brian Derby.Printing and Prototyping of Tissues and Scaffolds[J].Science，2012，341(16):921 －926.

[15] R.A.Rezende，F(xiàn).D.A.S.Pereira，V.Kasyanov，et al.Scalable Biofabrication of Tissue Spheroids for Organ Printing[J].Procedia CIRP，2013，5:276 －281.

[16] 3D printing of dental restorations[J].Metal.Powder Report，2013，68(2):32 －33.

[17] Tabea Viktoria Flügge，Katja Nelson，Rainer Schmelzeisen.Three － Dimensional Plotting and Printing of an Implant Drilling Guide:SimplifyingGuided ImplantSurgery[J].Journal of Oral and Maxillofacial Surgery，2013，71(8):1340 －1346.

[18] T.Serra，J.A.Planell，M.Navarro.High－resolution PLA－based composite scaffolds via 3 － D printing technology[J].Acta Biomaterialia，2013，9(3):5521 －5530.

[19] T.Serra，J.A.Planell，M.Navarro.High－resolution PLA －based composite scaffolds via 3 － D printing technology[J].Acta Biomaterialia，2013，9(11):5521 －5530.

[20] Marissa Fessenden.3 － D printed windpipe gives infant breath of life[N].Nature News，2013 －05 －28.

[21] Larry Greenemeier.Scientists use 3－D printer to speed human embryonic stem cell research[N].Nature News，2013 －02 －05.