3D打印，醫(yī)療界的“新武器”

現(xiàn)在3D打印早已不是什么新鮮事。從機械零部件到汽車、飛機，從迪拜推出全球首座3D打印辦公室到北京驚現(xiàn)雙層豪華3D打印別墅，3D打印的成果越來越多。近些年，還有一些科學家另辟蹊徑，把目光轉(zhuǎn)移到了醫(yī)療領域。如今每天有超過19，000件牙冠和牙橋通過3D打印技術制造；美國90%的定制型助聽器通過3D打印制造……據(jù)統(tǒng)計，2014年全球3D打印康復醫(yī)療市場總額為5.79億美元，而到2020年這個數(shù)字更將增長到23.638億美元。那么，以3D打印為基礎的新療法距離我們有多遠？請看本期特別策劃——

如今在新聞中，我們幾乎每天都能看到3D打印技術在醫(yī)療領域的發(fā)展。例如，中國一家醫(yī)院為一位在工作中受傷的男性完成3D打印肘關節(jié)移植；威爾士外科醫(yī)生使用3D打印機修復了一位患者的面部骨骼；美國一家醫(yī)院利用3D打印技術制造支架，撐開嬰兒堵塞的呼吸道……隨著3D打印技術的加速發(fā)展，其在醫(yī)療領域的應用越來越多，越來越成熟。那么，3D打印與醫(yī)療究竟會擦出什么樣的火花？會為患者帶來什么福音呢？

3D打印到底是什么

由成龍主演的《十二生肖》，向人們真實地展現(xiàn)了3D打印的神奇應用?？戳穗娪暗娜?，想必對這個場景印象非常深刻：那就是盜寶人JC（成龍飾演）戴了一個手套，手套上有很多傳感器，把獸首摸一遍后，另一頭的盜寶團隊成員就立即打出一個一模一樣的獸首模型來。這個能瞬間打印出十二生肖的機器，就是 3D打印機。

其實，3D打印技術與3D電影一樣，早在上世紀90年代中期就有，以數(shù)字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。早期常用在模具制造、工業(yè)設計等領域，現(xiàn)逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造，特別是一些特殊物品（比如人體的髖關節(jié)或牙齒，或鐘表與飛機零部件等）。

具體說來，3D打印過程分為兩步，在需要成型的區(qū)域噴灑一層特殊膠水，膠水液滴本身很小，且不易擴散；然后是噴灑一層均勻的粉末，粉末遇到膠水會迅速固化黏結(jié)，而沒有膠水的區(qū)域仍保持松散狀態(tài)。這樣在一層膠水一層粉末的交替重疊的作用下，實體模型將會被“打印”成型。就像蓋房子一樣，磚塊是一層一層的，但累積起來后，就成一個立體的房子了。

3D打印耗材由傳統(tǒng)的墨水、紙張轉(zhuǎn)變?yōu)槟z水、粉末，當然膠水和粉末都是經(jīng)過處理的特殊材料，不僅對固化反應速度有要求，對于模型強度以及“打印”分辨率都有直接影響。3D打印技術能夠?qū)崿F(xiàn)600DPI（DPI是指每英寸所打印的點數(shù)）分辨率，每層厚度只有0.01毫米，即使模型表面有文字或圖片也能夠清晰打印。而且可以利用有色膠水實現(xiàn)彩色打印。

3D打印技術的魅力在于它無需機械加工或任何模具，不需要在工廠操作，桌面打印機可以打印出你需要的小物品，假設一個茶杯，在打印完成后，可以馬上用來盛水。放在辦公室一角使用的稱為桌面機。而自行車車架、汽車方向盤甚至飛機零件等大件物品，則需要用工業(yè)打印機來完成。同時，3D打印還能夠打印出一些傳統(tǒng)生產(chǎn)技術無法制造出的外型，簡化整個生產(chǎn)流程，具有快速有效的特點。

目前，3D打印已經(jīng)廣泛用于傳統(tǒng)制造業(yè)、醫(yī)療行業(yè)、文物保護行業(yè)、建筑設計行業(yè)和配件飾品行業(yè)。人們已經(jīng)用 3D 打印技術打印出了很多東西，比如心臟瓣膜、下顎骨、電路板、汽車、房子、自動步槍，甚至還有鞋子、內(nèi)衣或生肉。

3D打印與醫(yī)療行業(yè)天然匹配

近年來，隨著3D打印技術的發(fā)展和精準化，以及個性化醫(yī)療需求的增長，3D打印技術與醫(yī)療行業(yè)的結(jié)合，在廣度和深度方面都得到了顯著發(fā)展。在應用的廣度方面，從最初的醫(yī)療模型快速制造，逐漸發(fā)展到3D打印直接制造助聽器外殼、植入物、復雜手術器械和3D打印藥品。在深度方面，由3D打印沒有生命的醫(yī)療器械向打印具有生物活性的人工組織、器官的方向發(fā)展。那么，3D打印為何能在醫(yī)療領域大放異彩呢？

首先，很多疾病和傷痛都源于生物力學問題，比如骨折、關節(jié)老化以及脊椎錯位變形等。過去這類問題很難治愈，原因在于每個人的生理構造都獨一無二，標準統(tǒng)一的外部裝置無法解決每個人的問題。3D打印出來的產(chǎn)品則完美解決了這個問題，它完全符合每個人的身體構造，此外它還大大降低了定制化的成本，讓大規(guī)模定制化這一看似矛盾的概念成為可能。比如，2014年9 月，北京大學的研究團隊成功地為一名 12 歲男孩植入 3D 打印脊椎，這屬全球首例。這位小男孩的脊椎在一次足球比賽受傷之后長出了一顆惡性腫瘤，醫(yī)生不得不選擇移除掉腫瘤所在的脊椎。這次，醫(yī)生并未采用傳統(tǒng)的脊椎移植手術，而是用3D 打印打出了一塊鈦合金骨骼。這種植入的3D脊椎可以跟現(xiàn)有骨骼非常好地結(jié)合起來，而且還能縮短患者的康復時間。此外，研究人員還在植入的3D脊椎上面設立了微孔洞，它能幫助骨骼在合金之間生長，換言之，植入進去的3D打印脊椎將跟原脊柱牢牢地生長在一起，這也意味著未來不會發(fā)生松動的情況。

其次，一些結(jié)構靈活、半固定或可被人體吸收的人工構造，比如關鍵器官的瓣膜、血管等，難以通過傳統(tǒng)的方法制造出來。而3D打印技術則可以解決這個問題。比如，2015年2月，復旦大學附屬中山醫(yī)院心外科課題組，采集了一位77歲高齡的主動脈瓣重度狹窄合并關閉不全患者的高分辨率CT及心超影像，借助3D打印處理軟件，為其打印出完整的心臟及主動脈3D模型，僅耗時1小時就為患者順利完成了經(jīng)導管主動脈瓣置換手術?；颊遆線暴露時間比既往縮短一半，造影劑用量減少1/3，術中、術后生命體征非常平穩(wěn)，復查顯示人工瓣膜定位準確、工作正常。

最后，3D打印繞開了復雜的基礎設施和物流問題，只要將設計好的圖樣發(fā)送到打印終端，3D打印機就能在離醫(yī)院較近的距離內(nèi)進行生產(chǎn)。比如，2014年第二軍醫(yī)大學暑期醫(yī)療服務博士團深入湘江戰(zhàn)役發(fā)生地廣西興安縣送醫(yī)送藥、開展健康宣教，適逢一患者因車禍導致右髖臼嚴重骨折。如果用常規(guī)手術治療這種骨折，時間長、出血量多、復位固定失敗率高、極易造成術后并發(fā)癥。博士團成員、骨科博士楊鵬決定將3D打印術引入治療：對患者骨折部位進行三維重塑，并打印好1∶1的骨折模型，連夜運送到興安縣醫(yī)院。隨后設計手術方案，并在3D骨盆上做了手術預演。術后影像學檢測表明：患者骨折復位狀況良好，內(nèi)固定堅實。

醫(yī)學領域10大3D打印革新案例

3D打印現(xiàn)在已經(jīng)被用在打印藥品、醫(yī)療設備，還有針對患者的解剖學模型以及生物組織等多個方向。醫(yī)學專家們也都陸續(xù)開始將這門高效且極具個性化的新科技應用于醫(yī)學實踐當中，以提高醫(yī)療服務的水平。在此，我們列出10大3D打印醫(yī)學革新的案例，用以展現(xiàn)當今醫(yī)學領域3D打印水平。

1.骨骼模型

過去，醫(yī)學專家們都是通過制作平面解剖圖和掃描圖來診斷患者的健康狀況。如今，通過3D打印，專家們能夠通過分析患者獨特的MRI和CT掃描圖來打印骨骼的三維模型。而在整形外科中，醫(yī)生可以通過打印復雜的三維骨骼模型來進行術前實踐，同時也可以利用該模型讓患者對手術有更為清晰的認識。

2.腎臟模型

美國杜蘭大學泌尿外科的一個醫(yī)學研究小組曾經(jīng)在一個高難度的腫瘤切除手術中，利用3D打印技術制作出高精度的腎臟模型。這些模型以樹脂作為材料，清晰地展示出腫瘤的生長位置。其用途主要是讓患者清晰地了解到自己的病癥，以便于雙方能夠更好地合作來完成手術。

3.未出生的嬰兒

雖然這并不是嚴格意義上的醫(yī)學應用，但3D打印確實可以從很大程度上幫助未來的父母親們，讓他們能夠在嬰兒出世前更清晰地看到嬰兒的各項特征。通過超聲波掃描獲得嬰兒的特征數(shù)據(jù)模型，然后將其轉(zhuǎn)換為3D打印格式模型文件，打印出嬰兒的精細模型，讓父母能夠提早看到自己的孩子。

4.藥片

首個通過FDA（美國食品藥品監(jiān)督管理局）檢測的3D打印藥片叫做Spritam，在2016年5月正式上市。這種藥片是由位于美國賓夕法尼亞州蘭霍恩的Aprecia Pharmaceuticals公司使用改進型3D打印技術開發(fā)的，設計目的是制造速溶型產(chǎn)品。藥片由藥物粉末結(jié)合水溶性黏合劑制成，在該公司的測試中在僅僅4秒多的時間內(nèi)就完全溶解。這種Levetiracetem（左乙拉西坦）是一種口服藥物，可作為各種癲癇疾病的兒童和成人處方治療的一部分。未來還將會有更多的藥片通過3D打印技術進行研發(fā)制造。而且醫(yī)藥學研究者還會通過分析各種患者的病征，并利用算法和軟件來開發(fā)新的藥物成分，針對體重、性別、肝功能以及其他各項指標來3D打印特效藥物。

5.牙科

在牙科植入手術當中，醫(yī)生通常需要針對牙鉆的具體位置做出準確的判斷?，F(xiàn)在，F(xiàn)DA批準的一種新型的牙科部件，叫做Dental SG，能夠讓牙科醫(yī)生在植入手術中針對牙鉆的位置作出最精準的決策。這款新部件是利用撓性樹脂，通過3D打印技術制作，能夠完美地嵌合于患者的牙齒3D打印模型之上。這種方法不僅提高了手術精準度和效率，而且加快了患者的恢復期，可謂兩全其美。

6.自動縫合設備

Suture是一款正在實驗當中的新型手持式自動縫合設備。由英國皇家波普頓醫(yī)院的專家AlexBerry與他的同事們共同設計，這款設備配備了3D打印的樹脂部件，能夠被用于多種需要醫(yī)學縫合技術的場合。

7.假肢

對于機器人領域來說，3D打印的假肢是一個非常激動人心的發(fā)展方向。OpenBionics公司最初創(chuàng)造了開源的3D打印假肢，而且在眾多公益醫(yī)療項目中投入應用。另一個組織你或許也聽過，叫做e-Nabling the Future，他們允許3D打印機的使用者們能夠下載開源的3D打印假肢模型，并打印出各個部件用來幫助殘疾人士。

8.腫瘤模型

如今，3D生物打印已成為整個3D打印產(chǎn)業(yè)當中發(fā)展最快的領域之一，很多機構曾預測其市場將在2024年突破60億美元?，F(xiàn)在，來自愛丁堡的赫瑞瓦特大學一個研究小組正通過3D打印來制作具有生物活性的腦補腫瘤。該團隊將使用患者腫瘤中的干細胞為材料來進行打印，以此來持續(xù)研究腫瘤的生長過程。他們希望利用3D打印的腫瘤來測試各種新型藥物的療效，以便研究出新的腫瘤治療方法。

9.甲狀腺

Vladimir Mironov博士來自于一家剛剛起步的3D生物打印公司，他之前順利通過3D打印技術制作出了具有生物活性的甲狀腺并成功植入了小鼠的體內(nèi)。這項研究成果為生物器官3D打印領域的開辟了一條新的道路，這之前僅僅在科幻小說中提到過。

10.耳植入

最近，由普林斯頓大學和約翰霍普金斯大學的研究團隊成功3D打印出了具有“超能力”的人耳，這只耳朵可以“聽”到超越人類聽力范圍的無線頻率。這項技術是通過將摻有牛細胞的凝膠狀液體以及微小的銀粒送入打印機，打印機經(jīng)過特殊程序設計，將這些材料塑造為仿生耳朵，并將銀粒做成螺旋狀天線的形狀。這只人造耳具備了人耳所擁有的軟骨結(jié)構，而安置在耳朵內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)天線則可以組成耳蝸螺旋。這樣，它就幫助聽覺神經(jīng)末梢有問題的患者重新恢復或提高聽力能力。

以上10大案例僅僅是快速發(fā)展的醫(yī)學3D打印中的冰山一角，還有更多令人驚訝的3D打印醫(yī)學應用正在處于低調(diào)的研究階段。無論如何，3D打印技術在醫(yī)療領域的初步應用，已經(jīng)顛覆了人們對現(xiàn)有醫(yī)療的認知，眾多發(fā)達國家都投入了足夠的人力及資金，以期將此作為人類健康的全球戰(zhàn)略。