3D打印技術在醫(yī)學領域的應用

張海榮，魚 泳

3D打印技術在醫(yī)學領域的應用

張海榮，魚 泳

介紹了3D打印技術的概念、原理、特點以及3D打印的優(yōu)勢和局限性，闡述了3D打印技術在醫(yī)學模型制造、組織器官再生、活體細胞培養(yǎng)等醫(yī)學領域以及肢體修復、骨骼重建、治療燒傷等軍事醫(yī)學領域中的應用現(xiàn)狀，并對其在國內(nèi)醫(yī)學領域的發(fā)展進行了規(guī)劃，對推動國內(nèi)3D打印技術在醫(yī)學領域的健康、快速發(fā)展具有重要意義。

3D打??；醫(yī)學領域；應用

0 引言

3D打印技術誕生于20世紀90年代，最初應用于制造業(yè)、工程及航空航天模型設計等領域。隨著3D打印材料和控制技術的發(fā)展，研究人員不再滿足這種先進技術只局限在原型制造和模具生產(chǎn)等方面，開始向更廣闊的領域拓展，特別是在醫(yī)學領域的實踐應用和發(fā)展前景引起了全球的廣泛關注。

1 3D打印技術

1.1 3D打印技術概念

3D打印是一種快速成型技術，其核心是數(shù)字化、智能化制造與材料科學的結合[1]。其主要通過計算機控制，采用分層加工、疊加成型的方式來“制造”產(chǎn)品。3D打印不像傳統(tǒng)的機械加工那樣需要模具或原胚，而是通過打印一次成型。3D打印開創(chuàng)了制造業(yè)的嶄新時代，被英國The Economist雜志譽為第三次工業(yè)革命的重要標志之一[2]。

1.2 3D打印技術原理

3D打印是快速成型裝置利用紙層疊和光固化等技術，將設計產(chǎn)品分為若干薄層進行印刷，其工作原理類似噴墨打印機[3]。首先通過計算機三維建模軟件繪制模型數(shù)據(jù)，然后將模型數(shù)據(jù)轉化為3D打印能讀的G代碼文件，再導入專業(yè)打印機進行打印。打印以粉末狀金屬或塑料等可黏合材料為原料，在設定好的成型區(qū)域內(nèi)先噴涂一層黏合劑，再噴涂一層成型材料，如金屬或樹脂粉末，二者黏合后迅速凝固成一個薄層，這樣反復交替、層層疊加，最終把計算機設計好的模型“打印”成實物。

1.3 3D打印技術特點

任何一項新技術的問世，都有其明顯的優(yōu)勢和不足，3D打印技術也不例外。

1.3.1 3D打印的優(yōu)勢

（1）打印精度高。目前上市的主流3D打印機精度基本控制在0.3 mm以下，個別精度較高的可實現(xiàn)600 dpi的分辨率，打印厚度只有0.01 mm。（2）生產(chǎn)周期短。3D打印可在數(shù)小時內(nèi)快速精確地將計算機中的數(shù)字模型打印出來。（3）滿足個性化需求。理論上講，3D打印機能打印出計算機設計的任何形狀的模型。（4）節(jié)省材料。3D打印因其增材制作的特性在生產(chǎn)中不會產(chǎn)生邊角料，通過摒棄生產(chǎn)線降低了成本，提高了材料利用率。

1.3.2 3D打印的局限性

（1）打印精度受限。3D打印技術發(fā)展到現(xiàn)在，雖然有了很高的精度，但還不能實現(xiàn)一些特殊精密產(chǎn)品的打印，如照相機鏡頭等。（2）使用材料范圍有限?；谀壳?D打印機的成型原理，僅可使用金屬粉末、無機粉料、光敏樹脂、塑料等，像衣服纖維這樣的特殊材料還顯得無能為力。（3）打印尺寸受限。3D打印應用范圍雖然廣泛，但對軍工、航空航天和航海等領域所需要的大尺寸零部件來說暫時還難以實現(xiàn)。

1.4 3D打印技術應用范例

隨著3D打印技術的發(fā)展，一些具有劃時代性質的3D產(chǎn)品已經(jīng)在工業(yè)制造、文化藝術、航空航天和生物工程等領域相繼問世。2010年11月，世界上第一輛3D打印汽車“Urbee”問世；2011年8月，世界上第一架3D打印飛機由南安普頓大學的工程師開發(fā)完成；2012年11月，蘇格蘭科學家利用人體細胞首次用3D打印機打印出人體肝臟組織[4]；2013年10月，全球首次拍賣一款名為“ONO”的3D打印藝術品，11月，美國德克薩斯州奧斯汀的3D打印公司“固體概念”（Slid Concepts）設計制造出一支3D打印金屬手槍[5]。在我國，由北京航空航天大學和沈陽飛機設計研究所等單位研制生產(chǎn)的鈦合金大型整體主承力構件榮獲2012年度“國家技術發(fā)明一等獎”，使我國成為目前世界上唯一實現(xiàn)該構件成功裝機工程應用的國家[6]。這些高科技產(chǎn)品推動了3D打印技術的發(fā)展，使其進入一個新的時代。

2 3D打印技術在醫(yī)學領域的應用

隨著3D打印技術的發(fā)展和成熟，這一新興的科技成果開始進入醫(yī)學領域，在醫(yī)學模型制造、組織器官再生、臨床修復治療和藥物研發(fā)試驗等領域得到了廣泛應用。

2.1 醫(yī)學模型制造

醫(yī)學模型在基礎醫(yī)學和臨床實驗教學中的用途十分廣泛，用量也大，但是用傳統(tǒng)方法制作醫(yī)學模型程序復雜、周期長，同時由于部分模型的原材料多為石膏等，在使用過程中極易損壞。利用3D打印制作醫(yī)學教學用具、醫(yī)療實驗模型等用品不僅避免了上述問題的出現(xiàn)，同時還可以根據(jù)實際需要對一些特殊模型實現(xiàn)個性化制造。據(jù)報道，美國一家醫(yī)院的醫(yī)生們在給一對連體嬰兒實施頭顱分離手術前，為了確保安全，他們先用3D打印制作出這對嬰兒的連體頭顱模型，參考模型對手術方案進行優(yōu)化，最后不僅手術獲得成功，而且時間也由以往的72 h縮短至22 h[7]。由此可見，3D打印技術在醫(yī)學模型制造方面給醫(yī)患帶來了福音。

2.2 組織器官再生

人體組織器官替代物一直是臨床醫(yī)學上的一個難題，很多患者為此而喪失生命。隨著科學技術的發(fā)展，3D打印人體器官已經(jīng)成為可能。2013年，美國軍方資助的3D打印皮膚和腎臟研究取得突破[8]。德國研究人員也利用3D打印技術制作出柔韌的人造血管，這種血管可與人體組織融合，不但不會發(fā)生排異，而且還可以生長出類似肌肉的組織。這些成功案例表明，解決當前和今后人造器官短缺所面臨的困難不再遙遠。

2.3 活體細胞培養(yǎng)

3D打印實現(xiàn)安全穩(wěn)定的細胞培養(yǎng)和器官移植尚有相當長的距離，但并非不可實現(xiàn)。利用3D打印技術，科學研究人員制造出能模仿生物細胞特性的水滴，他們把這些水滴通過3D打印組裝成凝膠狀物質，這種物質既能像神經(jīng)細胞束一樣傳輸電信號，又能像肌肉組織那樣彎曲，給修復和緩解器官衰竭帶來了新的希望[8]。令人驚喜的是，荷蘭特溫特大學的研究人員也利用納米3D打印技術制造出了最小的用于培養(yǎng)細胞的金字塔[9]。

2.4 臨床修復治療

利用3D打印技術制作的醫(yī)療植入物能夠更好地融入人體，改善對患者的治療效果。2014年3月，解放軍第四軍醫(yī)大學第一附屬醫(yī)院（西京醫(yī)院）對3名骨腫瘤患者實施3D打印鈦合金假體植入手術治療，對他們不同部位的骨骼缺損進行修復，均取得良好療效。其中，3D打印的鈦合金肩胛骨假體和鎖骨假體臨床應用為全球首例，骨盆假體臨床應用為亞洲首例[10]。同年8月，北京大學第三醫(yī)院骨科完成世界首例應用3D打印技術人工定制的樞椎椎體，為一位12歲的小患者實施寰樞椎惡性腫瘤治療，為腫瘤切除后頸椎結構重建技術開辟出一條嶄新途徑[11]。

2.5 藥物測試研發(fā)

現(xiàn)階段，大部分的藥物測試主要是通過實驗動物來完成，其藥理作用難以得到準確反饋。利用3D技術打印的人體肝臟、腎臟和特定細胞組織用于新藥測試后，不僅可以真實模擬人體對藥物的反應，得到準確的測試效果，而且還能在很大程度上降低新藥的研發(fā)成本。2012年，3D生物打印公司Organovo向一個專家實驗室交付了第一個3D打印肝組織產(chǎn)品用于藥物測試。弗吉尼亞州雷斯頓Parabon納米實驗室的研究人員也在使用納米級3D打印技術逐分子地制造藥物，以對抗致命的腦癌膠質母細胞瘤[12]。

3 3D打印技術在軍事醫(yī)學中的應用

現(xiàn)代戰(zhàn)爭是高技術條件下的局部戰(zhàn)爭，高新武器對人員造成的打擊和創(chuàng)傷會更加嚴重，如何提高戰(zhàn)傷救治水平、保持部隊戰(zhàn)斗力是軍事醫(yī)學研究的重點。3D打印技術可在戰(zhàn)傷肢體修復、骨骼結構重建、燒傷治療和間隔綜合征救治等方面發(fā)揮重要作用[13]。

3.1 肢體修復

軍隊參加戰(zhàn)爭或非戰(zhàn)爭軍事行動如軍事演習、抗洪搶險、抗震救災等，都會對廣大指戰(zhàn)員的身體造成損傷，特別嚴重的有可能致殘。作為軍事醫(yī)學研究的一項重要內(nèi)容，就是如何在戰(zhàn)創(chuàng)傷救治中通過醫(yī)學修復技術恢復傷員的肢體功能，而不是截肢。3D打印技術可用于外周神經(jīng)管道與合成材料的研發(fā)、復合組織移植瓣的構建以及四肢與指趾的組織工程修復等，對傷病員恢復肢體功能有很大幫助。

3.2 骨骼重建

在戰(zhàn)爭、軍事演習或訓練中，由爆炸傷造成的骨骼和組織缺損歷來是戰(zhàn)場救治的難點。3D打印技術在醫(yī)療領域的發(fā)展應用給這一難題帶來了曙光，它不僅可以打印出顱面合成骨、可植入性軟組織，就連難度很大的工程骨組織植入、自體細胞軟骨培育都可以通過3D打印來實現(xiàn)。

3.3 治療燒傷

在執(zhí)行任務中，燒傷不僅給參加軍事行動或搶險救災的指戰(zhàn)員帶來身體上的痛苦，也會給他們心理上造成難以愈合的創(chuàng)傷。通過3D打印技術制造用于活體皮膚擴增的計算機控制生物反應器系統(tǒng)和可促進傷口愈合并減少瘢痕形成的多功能生物支架、組織工程皮膚制品以及用于皮膚再生的人工蛋白生物材料等，都對治療燒傷有著不可替代的作用。

3.4 綜合征救治

戰(zhàn)創(chuàng)傷對傷病員造成的危害很大，如果不能及時采取外科措施進行干預，很容易使他們患上間隔綜合征，嚴重者可能會發(fā)生血管、肌肉和神經(jīng)等器官永久性死亡，導致終身致殘。通過3D打印技術制造的可降解彈性聚合支架和特異誘導性生物支架，對肌肉干細胞微創(chuàng)治療和肌肉組織再生有很大幫助，可以促使血管、肌腱和神經(jīng)功能盡快得到恢復。

4 3D打印技術在我國醫(yī)學領域的發(fā)展規(guī)劃

雖然3D打印技術已經(jīng)在醫(yī)療領域獲得成功應用，但直到目前仍受限于造價高、速度慢、精準度不高等因素，臨床應用還比較少。為了促進這一科技成果在醫(yī)學領域的快速發(fā)展，2014年9月，由中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院等3家單位聯(lián)合召開了“3D打印與生物醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)化推進會”，陜西渭南被確定為全國醫(yī)學3D打印技術創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)基地[14]，為3D打印的產(chǎn)業(yè)化、集群化發(fā)展奠定了基礎。與此同時，我國編制的第一部關于3D打印技術的產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進計劃（2014—2016年）》，也對3D打印技術在醫(yī)學領域的發(fā)展從醫(yī)用3D打印材料的研發(fā)生產(chǎn)、醫(yī)用3D打印裝備的研制、醫(yī)用3D打印裝備應用進程和加強醫(yī)用3D打印人才培養(yǎng)4個方面作出了規(guī)劃。該發(fā)展規(guī)劃提出在未來2 a內(nèi)要充分依托科研機構和高校進行醫(yī)用3D打印材料研究，扶持優(yōu)勢企業(yè)進行3D打印材料研發(fā)生產(chǎn)，研制具有自主知識產(chǎn)權的3D打印裝備，完善醫(yī)用3D打印裝備市場準入等方面的政策法規(guī)，支持醫(yī)療機構建立醫(yī)用3D打印技術臨床應用研究中心進行學術交流，以推動我國3D打印技術在醫(yī)療領域的健康快速發(fā)展。

5 結語

作為一項新興科技產(chǎn)業(yè)，3D打印技術在醫(yī)療領域產(chǎn)生了深遠影響，推動了醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)的快速發(fā)展。隨著3D打印技術的進步和完善，其在醫(yī)學領域的應用范圍會越來越廣泛，打印精準度和材質適應性也會越來越高，適合個性化的3D醫(yī)療康復產(chǎn)品也將應需而生，使人們真正享受到科技發(fā)展帶來的高品質生活。

[1]魅力的春天.3D打印技術[EB/OL].（2013-06-09）[2014-02-10]. http：//blog.sina.com.cn/s/blog_692343020102e5rc.html.

[2]呂東旭.3D打印的特點及應用簡析[J].才智，2013（20）：247.

[3]孫曉林.3D打印技術的應用[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2013，26（4）：108-109.

[4]郭振華，王清君，郭應煥.3D打印技術與社會制造[J].寶雞文理學院學報：自然科學版，2013，33（4）：64-70.

[5]佚名.3D打印技術是什么[EB/OL].[2014-08-01].http：//www.0746 news.com/2014/08/01/612198.html.

[6]王華明.高性能金屬構件增材制造技術開啟國防制造新篇章[J]國防制造技術，2013（3）：5-7.

[7]陳堅偉，張迪.3D打印技術醫(yī)學應用綜述與展望[J].電腦知識與技術，2013，9（15）：3 632-3 633.

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[9]管吉，楊樹欣，管葉，等.3D打印技術在醫(yī)療領域的研究進展[J].中國醫(yī)療設備，2014，29（7）：71-72.

[10]丁海濤.西安：3D打印鈦合金骨頭假體成功應用臨床[EB/OL]. [2014-05-29].http：//news.xinhuanet.com/health/2014-05/29/c_12 6560804.htm.

[11]仰東萍.北醫(yī)三院劉忠軍教授完成世界首例應用3D打印技術人工定制樞椎椎體治療寰樞椎惡性腫瘤[EB/OL].[2014-08-26]. http：//www.bjmu.edu.cn/xxdt/131340.htm.

[12]佚名.3D打印在癌癥治療方面10個應用案例[EB/OL].[2014-02-05].http：//maker8.com/article-680-1.html.

[13]郝云菲.渭南舉行3D打印與生物醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)化推進會[EB/OL].（2014-09-27）[2014-10-01].http：//www.sn.xinhuanet.com/ 2014-09/27/c-1112650788.htm.

[14]王爾德.首部3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)劃年內(nèi)有望出臺[EB/OL].（2014-09-30）[2014-10-01].http：//business.sohu.com/20140930/n404776 099.shtml.

（收稿：2014-04-10 修回：2014-10-20）

Application of 3D printing technology in medicine

ZHANG Hai-rong,YU Yong
(Educational Technology Center,the Fourth Military Medical University,Xi'an 710032,China)

3D printing technology is introduced for its concept,principle,characteristics,advantages and disadvantages, which also has its application described in the fields of medicine and military medicine,involving medical model manufacturing,tissue and organ regeneration,living cell cultivation,limb prosthetics,bone reconstruction and burning treatment.The prospects of 3D printing technology are explored in the medicine of China.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（3）：118-120]

3D printing;medical field;application

R318；TP751

A

1003-8868（2015）03-0118-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.03.118

張海榮（1973—），男，講師，主要從事教育技術理論和媒介應用方面的研究工作，E-mail：347910111@qq.com。

710032西安，第四軍醫(yī)大學教育技術中心（張海榮，魚 泳）

魚 泳，E-mail：fishswimming@189.cn