醫(yī)學(xué)院校開(kāi)設(shè)3D生物打印專業(yè)的必要性及可行性分析

譚如彬 ，李 翠 ，尤 強(qiáng) ，石 玥 ，喬偉麗 ，孫 紅

（1.徐州醫(yī)科大學(xué),江蘇 徐州 221004；2.蘭州大學(xué)管理學(xué)院,甘肅 蘭州 730000）

3D打印技術(shù)的廣泛應(yīng)用,使得許多企業(yè)和單位急需這方面的人才。很多高職院校敏銳地捕獲到了市場(chǎng)對(duì)人才需求的信息,開(kāi)設(shè)了3D打印技術(shù)的相關(guān)專業(yè)。就目前情況看,凡是開(kāi)辦了專業(yè)方向的基本都是掛靠在機(jī)械類專業(yè)如模具設(shè)計(jì)與制造（3D打印技術(shù)方向）,這樣沒(méi)有一點(diǎn)醫(yī)學(xué)背景的人才在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用就會(huì)力不從心,無(wú)法滿足醫(yī)學(xué)發(fā)展的需要。因此,醫(yī)學(xué)院開(kāi)設(shè)3D生物打印專業(yè)迫在眉睫。本文將從以下幾個(gè)方面闡述一下醫(yī)學(xué)院開(kāi)設(shè)3D生物打印專業(yè)的必要性和可行性。

1 3D生物打印在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

醫(yī)學(xué)院校著力于培養(yǎng)適應(yīng)國(guó)家及區(qū)域醫(yī)藥衛(wèi)生事業(yè)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)建設(shè)需要的具有職業(yè)素質(zhì)、實(shí)踐能力、國(guó)際視野及創(chuàng)新精神的高素質(zhì)專門人才和高水平創(chuàng)新人才。為達(dá)到這樣的目的,我們需要跟隨時(shí)代的潮流,順應(yīng)科技的快速發(fā)展。

3D打印技術(shù)（3Dprintingtechnology）是近年來(lái)新興的制造技術(shù),它是一種可以將2D圖片運(yùn)用一些特殊材料,通過(guò)逐層打印的方式轉(zhuǎn)化為3D的模型,是指在計(jì)算機(jī)控制下,根據(jù)物體的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）模型或計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）等數(shù)據(jù),通過(guò)材料的精確3D堆積,快速制造任意復(fù)雜形狀3D物體的新型數(shù)字化成型技術(shù)[1]。因此,用生物材料進(jìn)行的3D打印也稱為3D生物打印。3D生物打印在醫(yī)學(xué)教育和科研都有廣泛的應(yīng)用前景[2-3]。

1.1 3D生物打印在醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用

從古至今,無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外,醫(yī)學(xué)教育中解剖學(xué)標(biāo)本尤為珍貴,非常稀缺。在2010年英國(guó)研究者Schievano等對(duì)死去的胎兒進(jìn)行核磁掃描,并應(yīng)用3D打印技術(shù)成功制作了從6周到30周胚胎或胎兒及其器官的解剖模型[4],2014年McMenamin等以塑化劑為材料,利用3D打印機(jī)成功復(fù)制出了人類手的標(biāo)本[5],豐富了教學(xué)資源。Igami等通過(guò)3D打印技術(shù),打印出了需要實(shí)施手術(shù)的肝臟模型[6]。Chapron等通過(guò)患者的CT及MRI數(shù)據(jù),利用3D打印技術(shù)制作出了患者的無(wú)差異化心臟形態(tài)學(xué)模型[7]。在國(guó)內(nèi),馬立敏等[8]利用3D打印技術(shù)輔助頸椎高位多節(jié)段脊索瘤手術(shù)也取得了成功。3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)院校教學(xué)中也開(kāi)始應(yīng)用。自2014年9月起,北京大學(xué)第三醫(yī)院心臟外科用3D打印技術(shù)制作出典型的心臟病三維立體模型,配合以問(wèn)題為基礎(chǔ)學(xué)習(xí)（Problem-BasedLearning,PBL）教學(xué),應(yīng)用于心臟外科臨床教學(xué)和臨床技能培訓(xùn)中,取得了滿意的教學(xué)效果[9]。

從以上的成果來(lái)看,3D打印技術(shù)可用于制作解剖教具。與傳統(tǒng)解剖教具相比,3D打印技術(shù)除可等比例反映人體結(jié)構(gòu)外,還有可縮放的優(yōu)點(diǎn),人類進(jìn)化至今,分化出許多細(xì)微結(jié)構(gòu),因結(jié)構(gòu)細(xì)小,難以分辨,是傳統(tǒng)形態(tài)學(xué)學(xué)習(xí)的難點(diǎn),如顱骨因組成和空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜,是傳統(tǒng)意義上的解剖“死角”,其中尤以骸骨形態(tài)不規(guī)則解剖結(jié)構(gòu)多而成為醫(yī)學(xué)教育的難點(diǎn)之一。有研究機(jī)構(gòu)研制了類似的放大模型作為解剖教具,該模型涵蓋了錘骨、半規(guī)管、卵圓窗和圓窗等各種結(jié)構(gòu),以助于醫(yī)學(xué)生對(duì)其結(jié)構(gòu)立體的深刻認(rèn)識(shí)。應(yīng)用3D打印技術(shù)能精確、快速地復(fù)制并再現(xiàn)稀有形態(tài)學(xué)標(biāo)本,可以反復(fù)使用且能顯示人體不同解剖層面。

醫(yī)學(xué)是一個(gè)需要不斷學(xué)習(xí)的學(xué)科。隨著當(dāng)今醫(yī)學(xué)教育導(dǎo)向從框架性知識(shí)結(jié)構(gòu)記憶到PBL教學(xué)轉(zhuǎn)化,現(xiàn)代醫(yī)學(xué)教育理念強(qiáng)調(diào)個(gè)體化和以病人為中心的教學(xué)模式?；?D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)院校的應(yīng)用,不僅可以彌補(bǔ)解剖標(biāo)本缺乏的空白,還能更好地服務(wù)于學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)的醫(yī)學(xué)生,不僅可對(duì)經(jīng)典病例到罕見(jiàn)臨床情況進(jìn)行記錄和高度復(fù)制,還能為醫(yī)師更好地繼續(xù)學(xué)習(xí)提供保障,更好地運(yùn)用醫(yī)學(xué)形態(tài)學(xué)知識(shí)服務(wù)于病患。成品的應(yīng)用空間不僅限于基本知識(shí)和技能講授,更可在高級(jí)研修培訓(xùn)中發(fā)揮重要作用[10-11]。

1.2 3D生物打印在醫(yī)學(xué)科研中的應(yīng)用

醫(yī)學(xué)是一個(gè)不斷更新、不斷發(fā)展的學(xué)科,科研的進(jìn)展大大地影響了醫(yī)學(xué)的發(fā)展。因此,無(wú)論是醫(yī)學(xué)院校還是醫(yī)院都積極地開(kāi)展科學(xué)研究,利用科學(xué)研究的結(jié)果輔助臨床的治療,同時(shí)將科研融入教學(xué)中,讓學(xué)生早日接觸科研,培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力,使以后培養(yǎng)的醫(yī)學(xué)人才更符合創(chuàng)新型國(guó)家的發(fā)展需要。而目前3D打印技術(shù)也開(kāi)始應(yīng)用于醫(yī)學(xué)的科學(xué)研究中,比如徐銘恩教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了國(guó)內(nèi)首款生物3D打印機(jī),這款生物3D打印機(jī)是全球首個(gè)采用無(wú)菌條件打印的生物打印機(jī),其打印出的細(xì)胞存活率在90%以上,被國(guó)際頂級(jí)期刊《Biomaterials》稱之為生物3D打印領(lǐng)域的全球最高水平[12]。2009年開(kāi)始,北醫(yī)三院骨科開(kāi)展3D打印骨骼技術(shù),目前已經(jīng)有近40位自愿者植入了3D打印的鈦合金骨骼,并配合定期追蹤檢查[13]。3D生物打印在牙齒治療中也逐漸被運(yùn)用。北大口腔醫(yī)院唐志輝等用生物3D打印技術(shù)完成補(bǔ)種牙等動(dòng)物口腔修復(fù)。對(duì)人來(lái)說(shuō),這意味著可以定制一顆和之前幾乎一模一樣的牙齒[14]。四川大學(xué)華西醫(yī)院再生醫(yī)學(xué)研究中心教授康裕建（也是藍(lán)光英諾首席執(zhí)行官兼首席科學(xué)家）,利用裝滿干細(xì)胞（干細(xì)胞可以分化為機(jī)體的任何一種細(xì)胞）的3D打印機(jī)打印出約2厘米長(zhǎng)的血管樣本,然后將這些血管植入恒河猴的胸腔中,實(shí)驗(yàn)動(dòng)物術(shù)后存活率為100%[15]。然而從這些發(fā)展可以看出以后器官將實(shí)現(xiàn)預(yù)約定制,按需所“印”,可以滿足患者個(gè)性化的需求。目前已有3D打印定制的下頜植入物、矯形外骨骼、定制義肢,3D生物打印膀胱等進(jìn)行器官?gòu)?fù)制,3D生物打印外耳及面部重建,3D生物打印皮膚進(jìn)行燒傷治療,3D生物打印輔助心臟瓣膜置換手術(shù),3D生物打印血管,3D打印氣管,定制醫(yī)學(xué)教具及其他植入物等[16]。眾所周知,等待關(guān)鍵器官移植的人數(shù)與實(shí)際可用的捐贈(zèng)器官數(shù)量之間存在巨大的不平衡。而有了3D生物打印技術(shù),患者不必再為了等待移植器官而苦苦煎熬,采用患者自身的細(xì)胞避免排異性,就如同有了一個(gè)實(shí)時(shí)的個(gè)人器官庫(kù),只要有需求,就可以隨時(shí)打印完全符合自身需求的器官[13-14]?；谀壳按罅康男枨筢t(yī)學(xué)院校絕對(duì)有必要開(kāi)設(shè)3D生物打印專業(yè),為國(guó)家培養(yǎng)具有3D生物打印技術(shù)的醫(yī)學(xué)人才,同時(shí)還可以對(duì)臨床專業(yè)的醫(yī)學(xué)生開(kāi)設(shè)3D打印的選修課,使將來(lái)的臨床工作者更符合時(shí)代的要求。

2 醫(yī)學(xué)對(duì)3D生物打印人才的需求以及可行性分析

醫(yī)學(xué)有許多基礎(chǔ)課程包括解剖學(xué)、組織和胚胎學(xué)、病理學(xué)、病理生理學(xué)等,也是醫(yī)學(xué)課程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。由于標(biāo)本的稀缺,許多知識(shí)只能靠學(xué)生死記硬背,教師累,學(xué)生也累,事倍功半。而3D生物打印正好可以解決教具缺乏的問(wèn)題。那么既然要滿足各種教具的需求,也相應(yīng)地需要具有3D生物打印技術(shù)且有醫(yī)學(xué)背景的人才,2017年我們國(guó)家目前有超過(guò)138所教育部和省屬醫(yī)學(xué)院校,除此之外還有許多醫(yī)學(xué)專科學(xué)校、衛(wèi)生職業(yè)技術(shù)學(xué)校以及一些民辦的醫(yī)學(xué)校等?？梢哉f(shuō)對(duì)于這方面的人才僅僅醫(yī)學(xué)校的教師這個(gè)崗位就有很大的市場(chǎng)需求。無(wú)論是醫(yī)學(xué)院校還是醫(yī)院以及一些醫(yī)學(xué)或生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室都急需具有3D生物打印技術(shù)且有醫(yī)學(xué)背景的人才,因此醫(yī)學(xué)院開(kāi)設(shè)3D生物打印專業(yè)迫在眉睫。3D生物打印技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化一定會(huì)在第三次工業(yè)革命浪潮中扮演越來(lái)越重要的角色,中國(guó)要在新一輪的產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中搶得新的先機(jī),必然需要這樣的人才。但是怎么建設(shè)3D打印專業(yè)并沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)或依據(jù),本文以3D生物打印技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)進(jìn)行專業(yè)建設(shè)為例,從以下幾個(gè)方面提出專業(yè)建設(shè)的可行性方案。

2.1 3D生物打印專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)

本專業(yè)培養(yǎng)具備醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)與3D打印技術(shù)相結(jié)合的基本技能,具備電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等有關(guān)的基礎(chǔ)理論知識(shí)以及醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)與3D打印技術(shù)相結(jié)合的科學(xué)研究能力,能夠適應(yīng)3D生物打印技術(shù)與醫(yī)學(xué)發(fā)展的需求的高級(jí)應(yīng)用人才。

通過(guò)生物力學(xué)、醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)、機(jī)電技術(shù)與材料科學(xué)、三維模型設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí),掌握醫(yī)學(xué)形態(tài)學(xué)與3D打印技術(shù)相結(jié)合的基本能力,掌握醫(yī)學(xué)基本知識(shí)和3D生物打印技術(shù)的專業(yè)知識(shí),具有初步制作人體標(biāo)本的能力、3D生物打印設(shè)計(jì)與應(yīng)用能力,掌握醫(yī)學(xué)形態(tài)學(xué)、人體器官的3D打印的基礎(chǔ)知識(shí)、基本理論和基本技能。

本專業(yè)作為醫(yī)學(xué)最前沿的交叉學(xué)科,利用計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)與信息科學(xué)技術(shù),進(jìn)行人體信息提取、整合與分析,指導(dǎo)醫(yī)學(xué)科技進(jìn)展與產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā),可以培養(yǎng)既具有扎實(shí)的生物醫(yī)學(xué)知識(shí),又具有高水平3D生物打印技能,能夠在生物、信息、醫(yī)藥等相關(guān)領(lǐng)域從事教學(xué)、科研、開(kāi)發(fā)應(yīng)用等方面工作的復(fù)合型人才。

2.2 3D生物打印技術(shù)專業(yè)課程體系構(gòu)建

在醫(yī)學(xué)中主要應(yīng)用3D生物打印技術(shù)來(lái)完成醫(yī)學(xué)中短缺的標(biāo)本,符合每名病患需求的生物打印品。因此,在3D生物打印技術(shù)專業(yè)課程體系構(gòu)建過(guò)程中,應(yīng)充分發(fā)掘3D生物打印技術(shù)與醫(yī)學(xué)專業(yè)的契合點(diǎn),尋找專業(yè)建設(shè)的共同基礎(chǔ)。同時(shí),又必須把握3D生物打印技術(shù)專業(yè)核心能力——逆向數(shù)據(jù)采集及三維建模設(shè)計(jì),兼顧制造工藝如3D生物打印制造,開(kāi)設(shè)如三維掃描技術(shù)、3D打印技術(shù)等課程。由此,構(gòu)建出的3D生物打印技術(shù)專業(yè)課程體系見(jiàn)圖1。

圖1 3D生物打印技術(shù)專業(yè)課程體系

2.3 建設(shè)3D生物打印實(shí)驗(yàn)室

由于是新開(kāi)設(shè)的專業(yè),因此計(jì)劃招生60名學(xué)生,分為兩個(gè)班,理論課可以合班上課,實(shí)驗(yàn)課分班分組進(jìn)行。一個(gè)小班30名學(xué)生可以分為5組,因此為避免資源浪費(fèi),購(gòu)置普通3D打印機(jī)5臺(tái),精密的生物打印機(jī)1臺(tái)。普通3D打印機(jī)可以購(gòu)置桌面級(jí)的國(guó)產(chǎn)打印機(jī),價(jià)格在1萬(wàn)元左右,使用的材料是塑料。此類型的打印機(jī)通用性較強(qiáng)、價(jià)格實(shí)惠、打印精度大約在0.1mm左右,能夠滿足專業(yè)技術(shù)培訓(xùn)的使用。待學(xué)生進(jìn)行專業(yè)綜合能力訓(xùn)練時(shí)再使用價(jià)格昂貴的更精密的3D打印機(jī)。

為滿足3D打印需要計(jì)算機(jī)的輔助,所以機(jī)房的建設(shè)也必不可少,不過(guò)許多醫(yī)學(xué)院校由于已有的專業(yè)也涉及計(jì)算機(jī),所以都有自己的計(jì)算機(jī)機(jī)房,基本可以滿足3DMAX、Geomgic、UG等軟件的配置。除此以外,還需要一個(gè)重要的儀器,即三維掃描儀,目前市場(chǎng)上種類與價(jià)格也有不同,有手持式三維掃描儀、拍照式三維掃描儀、激光三維掃描儀等,還有專門的人體三維掃描儀。根據(jù)這幾種掃描儀的特點(diǎn),為了滿足教學(xué)的需要,可以購(gòu)置5臺(tái)普通的價(jià)格也較低廉的三維掃描儀用于技能培訓(xùn),購(gòu)買一臺(tái)人體三維掃描儀用于綜合能力培養(yǎng)。這樣總的成本不會(huì)太高,大部分醫(yī)學(xué)院校都有能力建設(shè)。

2.4 配備3D生物打印專業(yè)的師資力量

新專業(yè)開(kāi)設(shè)還需要配備本專業(yè)的合適師資,需要具有三維建模技術(shù)、使用和維護(hù)3D打印機(jī)設(shè)備的技術(shù),同時(shí)兼?zhèn)漭^高的設(shè)計(jì)素養(yǎng)的師資。這樣的師資配備可以通過(guò)以下來(lái)源：（1）招聘專業(yè)對(duì)口或者非常相關(guān)專業(yè)的研究生學(xué)歷的畢業(yè)生。（2）本校的醫(yī)學(xué)信息學(xué)的教師,這些教師是相關(guān)專業(yè)的教師,可以派出去進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)。（3）目前一些大城市的“三甲”醫(yī)院和一些先進(jìn)的醫(yī)學(xué)院校已經(jīng)有用3D生物打印做科研的醫(yī)生和教師,學(xué)?？梢哉?qǐng)這些人才作為外聘教師。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)課程體系構(gòu)建、建設(shè)3D生物打印實(shí)驗(yàn)室及師資隊(duì)伍的論述,闡明了3D打印技術(shù)專業(yè)建設(shè)的必要性及可行性。本文中的數(shù)據(jù)只是建議,主要還是根據(jù)醫(yī)學(xué)院校的資金力量、師資力量和學(xué)校的生活學(xué)習(xí)配套設(shè)施來(lái)決定招收多少學(xué)生,根據(jù)綜合因素計(jì)算應(yīng)該如何建立實(shí)驗(yàn)室。