淺談3D打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用與發(fā)展

楊光 尹中凡

摘?要：目前，全球正經(jīng)歷著第三次工業(yè)革命，將對(duì)制造業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，其中一項(xiàng)具有代表性的技術(shù)就是3D打印技術(shù)，《時(shí)代》周刊也將3D打印列為“美國增長(zhǎng)最快的十大工業(yè)”。近年來，國內(nèi)的媒體、學(xué)術(shù)界、制造產(chǎn)業(yè)界也掀起了一場(chǎng)關(guān)注3D打印技術(shù)的潮流，各級(jí)政府也不斷出臺(tái)推動(dòng)3D打印技術(shù)發(fā)展的政策與計(jì)劃。本文基于課程學(xué)習(xí)與文獻(xiàn)查閱中對(duì)3D打印的認(rèn)識(shí)，著重介紹了3D打印技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容以及3D打印技術(shù)在生物醫(yī)療領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用，展望了未來的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：3D打印;個(gè)性化;生物醫(yī)療;醫(yī)療器械

1 3D打印技術(shù)概述

3D打印技術(shù)又稱增材制造技術(shù)（Additive Manufacturing，AM）是通過CAD設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采用材料逐層累加的方法制造實(shí)體零件的技術(shù)，相對(duì)于傳統(tǒng)的“減材加工”方式，是一種“自上而下”材料累加的制造方式。3D打印技術(shù)基于離散/堆積的原理，利用計(jì)算機(jī)將成形零件的模型分解成一系列一定厚度的“薄片”，然后通過3D打印機(jī)從最底層開始由下而上逐層進(jìn)行加工，最終疊加成實(shí)體零件。

根據(jù)3D打印所用材料及成形方式，主要可以分為熔融沉積成型（FDM）、立體光固化成型（SLA）、分層實(shí)體制造（LOM）、激光選區(qū)燒結(jié)（SLS）、三維粘結(jié)（3DP）、聚合物噴射（Polyjet）、金屬激光熔化成型（LDMD）、電子束選區(qū)熔化（EBM）等加工方式。

2 3D打印在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

生物醫(yī)療領(lǐng)域是3D打印技術(shù)目前擴(kuò)張最為迅猛的行業(yè)，3D打印技術(shù)可以為生物醫(yī)療提供更完善的個(gè)性化解決方案，生物3D打印技術(shù)將會(huì)促進(jìn)再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域在人造活體組織和器官的研究。在個(gè)性化解決方案方面，主要的應(yīng)用有3D手術(shù)預(yù)規(guī)劃模型、手術(shù)導(dǎo)板、3D打印植入物，以及假肢、助聽器等康復(fù)醫(yī)療器械。在再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，研究人員在利用生物3D打印技術(shù)培養(yǎng)人造器官方面取得了值得肯定的進(jìn)展。目前，3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域主要有4大應(yīng)用。

2.1 3D打印醫(yī)學(xué)模型

對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)高難度大的手術(shù)，術(shù)前規(guī)劃十分重要，通過CT、核磁共振（MRI）等影像設(shè)備獲取患者的數(shù)據(jù)，是做醫(yī)生手術(shù)預(yù)規(guī)劃的基礎(chǔ)，但得到的醫(yī)學(xué)影像是二維的。如果將二維數(shù)據(jù)利用三維軟件轉(zhuǎn)成逼真的三維數(shù)據(jù)并通過3D打印機(jī)將三維數(shù)據(jù)直接打印出來，既可輔助醫(yī)生進(jìn)行精準(zhǔn)的手術(shù)規(guī)劃、提升手術(shù)的成功率，又方便醫(yī)生與患者就手術(shù)方案進(jìn)行直觀的溝通。

2.2 3D打印制造醫(yī)療器材

手術(shù)導(dǎo)板是將手術(shù)預(yù)規(guī)劃方案準(zhǔn)確的在手術(shù)中實(shí)施的輔助手術(shù)工具，在多個(gè)學(xué)科都有應(yīng)用，例如：關(guān)節(jié)類導(dǎo)板、脊柱導(dǎo)板、口腔種植體導(dǎo)板，還有腫瘤內(nèi)部?jī)?nèi)照射源粒子植入的導(dǎo)向定位導(dǎo)板等。3D打印導(dǎo)板是三維的，根據(jù)對(duì)患者骨骼的掃描數(shù)據(jù)生成，可以讓醫(yī)生獲得最真實(shí)的信息，從而更好地規(guī)劃手術(shù)，并且制造成本也不高，即便普通患者也負(fù)擔(dān)得起。

假肢、矯形器等康復(fù)輔具同樣具有小批量、定制化的需求，并且設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床在此方面受到諸多因素的限制，3D打印技術(shù)為制作個(gè)性化康復(fù)輔具提供了更合理的制造方法。

2.3 3D打印用于組織功能的產(chǎn)品

一些植入物是通過鑄造或傳統(tǒng)的金屬加工方法來制造的，需要首先制造出模具，對(duì)于只需要一件或者少量的植入物來說，單件生產(chǎn)成本十分昂貴，再加上具有生物相容性的植入物材料本身的高價(jià)格，骨科植入物的總制造成本很高，對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特殊植入物，傳統(tǒng)技術(shù)也難以實(shí)現(xiàn)。而3D打印技術(shù)用于制造骨科植入物，可以有效降低定制化、小批量植入物的制造成本，可以快速、便捷的制造出更多結(jié)構(gòu)復(fù)雜的植入物。

很多牙科診所、實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)引入數(shù)字化口腔技術(shù)，以提升效率、降低成本，結(jié)合了3D打印的數(shù)字化口腔技術(shù)為牙科行業(yè)帶來了精度高、成本低、效率高，以及符合規(guī)范化生產(chǎn)鏈相符的治療方法，利用3D打印技術(shù)制造患者牙齒模型可以用作模具并使用傳統(tǒng)方法輔助生產(chǎn)牙冠、假牙等。另一種作用與骨科、腫瘤手術(shù)3D模型類似，用來模擬、規(guī)劃手術(shù)過程，或與患者溝通手術(shù)過程。

2.4 3D打印活體組織和器官

之前提到的3D打印的定制化假肢、牙科、骨科植入物、助聽器外殼等醫(yī)療器械都屬于“初級(jí)階梯”使用金屬、塑料等非活體組織材料，而打印血管、軟骨組織這類單一的活體組織屬于“中級(jí)階梯”，3D打印的人工肝臟、心臟等人工器官則屬于“頂級(jí)階梯”。無論是人造血管、軟骨組織，還是肝臟組織、腎臟組織，其核心是特定類型細(xì)胞的分離（或定向誘導(dǎo)）及大規(guī)模擴(kuò)增，而生物3D打印技術(shù)，在人工組織、器官培養(yǎng)過程更多承擔(dān)了三維形狀的構(gòu)建，即讓人體細(xì)胞按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的形狀來生長(zhǎng)，因此人造器官、組織的發(fā)展更大程度上取決于生物技術(shù)的發(fā)展。

3 3D打印技術(shù)在生物醫(yī)療領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)

3D打印技術(shù)具有自由成型的特點(diǎn)，能快速準(zhǔn)確的制作出定制化的內(nèi)植入物，不僅縮短了患者的等待時(shí)間，提高了治療效果，同時(shí)還解決了傳統(tǒng)通用內(nèi)植入物修復(fù)時(shí)形狀不匹配，力學(xué)性能差的問題。

3D打印技術(shù)在制造多孔內(nèi)植入物和有復(fù)雜圍觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜內(nèi)植物方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。以上兩種內(nèi)植物是解決普遍存在的應(yīng)力屏蔽現(xiàn)象和生物活性低的問題的有效途徑。因此，3D打印技術(shù)在個(gè)性化的骨科修復(fù)手術(shù)與醫(yī)療器械的制造中具有重要作用。

與傳統(tǒng)生產(chǎn)不同，可以根據(jù)病人的需求使用3D打印機(jī)制造出特別的或定制的產(chǎn)品滿足治療要求。同時(shí)，患者所需的物品可以按需就近生產(chǎn)，并且零時(shí)間交付。這將最大限度的減少長(zhǎng)途運(yùn)輸?shù)某杀荆?jié)約急癥患者的救治時(shí)間。

4 總結(jié)與展望

在我國生物醫(yī)療行業(yè)中，3D打印技術(shù)已經(jīng)在體外醫(yī)療器械制造和個(gè)性化永久植入物方面都有了一些應(yīng)用，供產(chǎn)品設(shè)計(jì)的醫(yī)療模型和指導(dǎo)手術(shù)的導(dǎo)板裝置也已使用多年，但在生物3D打印方面，我國仍還處在實(shí)驗(yàn)階段。

要促進(jìn)3D打印技術(shù)在生物醫(yī)療行業(yè)的廣泛應(yīng)用，還有以下幾點(diǎn)要做，一要鼓勵(lì)發(fā)展擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的3D打印機(jī)和專用配套材料，二是加強(qiáng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)人才的培養(yǎng)，三是政策上的支持，比如鼓勵(lì)使用并推廣這項(xiàng)技術(shù)，同時(shí)嚴(yán)控質(zhì)量，包括完善醫(yī)療器械監(jiān)督管理?xiàng)l例、加強(qiáng)行業(yè)管理和規(guī)范，鼓勵(lì)創(chuàng)新和臨床轉(zhuǎn)化。

參考文獻(xiàn)

[1]?盧秉恒，李滌塵.增材制造（3D打?。┘夹g(shù)發(fā)展[A].機(jī)械制造與自動(dòng)化.2013

[2]?張慣石，翟為.三維打印技術(shù)及其在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用[J].中國醫(yī)療設(shè)備.2014

[3]?張學(xué)軍，唐思熠，肇恒躍，郭紹慶，李能，孫冰冰，陳冰清.3D打印技術(shù)研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)[A].材料工程.2016

[4]?楊錦武.3D打印技術(shù)醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用.2016

[5]?周長(zhǎng)春，王科峰，肖占文，張興棟.3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程中的研究及應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用.2014