3D打印機(jī)在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用解析

從1988年第一臺(tái)3D打印機(jī)問(wèn)世到如今，3D打印似乎已經(jīng)成為了一個(gè)炙手可熱，耳熟能詳?shù)拿�詞，還被譽(yù)為是“第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志之一”。但是很多人對(duì)它的印象可能僅停留在“好像什么復(fù)雜的建材都能打印出來(lái)”的觀點(diǎn)上。但實(shí)際上，在過(guò)去的十幾年里，3D打印已不再局限于制造業(yè)，它在醫(yī)藥行業(yè)也擴(kuò)展得十分迅猛，各項(xiàng)有前景的應(yīng)用接踵而至，這次本文便來(lái)簡(jiǎn)單講講3D打印及其在醫(yī)藥行業(yè)中的應(yīng)用狀況。

第一臺(tái)3D打印機(jī)

一、3D打印的類(lèi)型
3D 打印技術(shù)是20世紀(jì)80年代后期開(kāi)始逐漸興起的一項(xiàng)新興制造技術(shù)，它是指在計(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) 。
目前應(yīng)用較多的 3D 打印技術(shù)主要包括光固化立體印刷（SLA）、熔融沉積成型（FDM）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）和三維噴印（3DP）等。

1、立體光固化成型打印
立體光固化成型 SLA（stereo lithographyappearance），即用特定波長(zhǎng)與強(qiáng)度的激光聚焦到液態(tài)的光固化材料表面，使之由點(diǎn)到線，由線到面的順序凝固，完成一個(gè)層面的繪圖作業(yè)。然后再移動(dòng)光波至另一個(gè)層面，層層疊加構(gòu)成一個(gè)三維實(shí)體。

2、熔融沉積成型打印
熔融沉積成型FDM(Fused DepositionModeling)工藝是通過(guò)將絲狀材料，如熱塑性塑料、蠟或金屬的熔絲從加熱的噴嘴擠出，按照零件每一層的預(yù)定軌跡，以固定的速率進(jìn)行熔體沉積。每完成一層，工作臺(tái)下降一個(gè)層厚進(jìn)行迭加沉積新的一層，如此反復(fù)最終實(shí)現(xiàn)零件的沉積成型。FDM 工藝的關(guān)鍵是保持半流動(dòng)成型材料的溫度剛好在熔點(diǎn)之上 ( 比熔點(diǎn)高 1˚C左右)。其每一層片的厚度由擠出絲的直徑?jīng)Q定，通常是0.25~0.50mm。

3、選擇性激光燒結(jié)打印
選擇性激光燒結(jié)法   SLS（Se1ected Laser Sintering），采用紅外激光器作能源，使用的造型材料多為粉末材料。加工時(shí)，首先將粉末預(yù)熱到稍低于其熔點(diǎn)的溫度，然后在刮平棍子的作用下將粉末鋪平 ；激光束在計(jì)算機(jī)控制下根據(jù)分層截面信息進(jìn)行有選擇地?zé)�結(jié)，一層完成后再進(jìn)行下一層燒結(jié)，全部燒結(jié)完后去掉多余的粉末，則就可以得到一燒結(jié)好的零件。

4、三維噴墨打印
三維噴墨打印是通過(guò)將液態(tài)連結(jié)體鋪放在粉末薄層上，以打印橫截面數(shù)據(jù)的方式逐層創(chuàng)建各部件，創(chuàng)建三維實(shí)體模型。采用這種技術(shù)打印成型的樣品模型與實(shí)際產(chǎn)品具有同樣的色彩，還可以將彩色分析結(jié)果直接描繪在模型上，模型樣品所傳遞的信息較大。 三維噴墨打印的材料主要是一些高性能復(fù)合材料（高強(qiáng)打印粉）。目前，三維噴墨打印機(jī)是市場(chǎng)上精度最高，成型效果最好的高端打印設(shè)備。

二、3D打印的優(yōu)劣勢(shì)
優(yōu)勢(shì)：
（1）打印精度高。目前上市的主流3D打印機(jī)精度基本控制在0.3 mm以下，個(gè)別精度較高的可實(shí)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(shí)內(nèi)快速精確地將計(jì)算機(jī)中的數(shù)字模型打印出來(lái)。
（3）滿足個(gè)性化需求。理論上講，3D 打印機(jī)能打印出計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)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(huì)產(chǎn)生邊角料，通過(guò)摒棄生產(chǎn)線降低了成本，提高了材料利用率。

劣勢(shì)：
（1）打印精度受限。3D 打印技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，雖然有了很高的精度，但還不能實(shí)現(xiàn)一些特殊精密產(chǎn)品的打印，如照相機(jī)鏡頭等。
（2）使用材料范圍有限。基于目前 3D 打印機(jī)的成型原理，僅可使用金屬粉末、無(wú)機(jī)粉料、光敏樹(shù)脂、塑料等，像衣服纖維這樣的特殊材料還顯得無(wú)能為力。
（3）打印尺寸受限。3D 打印應(yīng)用范圍雖然廣泛，但對(duì)軍工、航空航天和航海等領(lǐng)域所需要的大尺寸零部件來(lái)說(shuō)暫時(shí)還難以實(shí)現(xiàn)。

三、3D 打印技術(shù)在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用
隨著 3D 打印技術(shù)的發(fā)展和成熟，它在醫(yī)學(xué)模型制造、組織器官再生、臨床修復(fù)治療和藥物研發(fā)試驗(yàn)等領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用。

1、 醫(yī)學(xué)模型制造
醫(yī)學(xué)模型在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)和臨床實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(xué)模型程序復(fù)雜、周期長(zhǎng)，在使用過(guò)程中極易損壞。利用 3D 打印制作醫(yī)學(xué)教學(xué)用具、醫(yī)療實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷扔闷凡粌H避免了上述問(wèn)題的出現(xiàn)，同時(shí)還可以根據(jù)實(shí)際需要對(duì)一些特殊模型實(shí)現(xiàn)個(gè)性化制造。

而對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)很大的手術(shù)，為了保證醫(yī)療手術(shù)的安全實(shí)施，醫(yī)生會(huì)根據(jù)病變器官模型進(jìn)行分析策劃以確定重要的手術(shù)方案。利用 3D打印技術(shù)對(duì)材料進(jìn)行精確控制的優(yōu)點(diǎn)可快速制備出高質(zhì)量的器官模型，幫助醫(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。

舉例：
美國(guó)一家醫(yī)院成功地為一對(duì)連體雙胞胎嬰兒實(shí)施了頭顱分離手術(shù)，其中引人注目的是手術(shù)前醫(yī)院采用了以色列Obeject公司的三維打印機(jī)制作出精確的連體頭顱。據(jù)此進(jìn)行了縝密的手術(shù)方案研究，使手術(shù)順利進(jìn)行，只用了22h，而以往相類(lèi)似的手術(shù)則長(zhǎng)達(dá)72h。

連體頭顱模型

2、 細(xì)胞的制備
近年來(lái)，研究者已開(kāi)始廣泛關(guān)注細(xì)胞的3D打印技術(shù)，如通過(guò)攜帶細(xì)胞進(jìn)行3D打印而直接制備動(dòng)物器官、組織的方法。此技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于通過(guò)對(duì)加工過(guò)程的精確控制優(yōu)勢(shì)，調(diào)節(jié)細(xì)胞在微觀尺度上的排列情況，以實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)細(xì)胞的行為和細(xì)胞間的相互作用（細(xì)胞與細(xì)胞、細(xì)胞與材料）進(jìn)行控制，從而促進(jìn)細(xì)胞形成具備各種功能的組織，為醫(yī)療手術(shù)及術(shù)后恢復(fù)提供便利。

3D打印的細(xì)胞生長(zhǎng)成的皮膚狀片層結(jié)構(gòu)

3、 3D打印組織器官
人體組織器官替代物一直是臨床醫(yī)學(xué)上的一個(gè)難題，很多患者為此而喪失生命，且人體組織器官代替物對(duì)材料的要求很高，實(shí)現(xiàn)難度大。但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，3D 打印人體器官已經(jīng)成為可能。

舉例：
加州大學(xué)圣地亞哥分校（UCSD）利用自行研制的數(shù)字光處理（DLP）3D打印機(jī)，他們成功打印出了復(fù)雜的血管網(wǎng)絡(luò)，而此網(wǎng)絡(luò)在被植入小鼠體內(nèi)后居然成功與后者的血管系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了融合，并且表現(xiàn)出了正常的功能。

UCSD團(tuán)隊(duì)利用3D打印的5毫米大的血管網(wǎng)絡(luò)

此外還可利用 3D 技術(shù)打印人體肝臟、腎臟和特定細(xì)胞組織用于新藥測(cè)試，不僅可以真實(shí)模擬人體對(duì)藥物的反應(yīng)，得到準(zhǔn)確的測(cè)試效果，而且還能在很大程度上降低新藥的研發(fā)成本。

4、3D打印植入物
3D打印技術(shù)用于制造骨科植入物，可有效降低定制化、小批量植入物的制造成本，且這種植入物能夠更好地融入人體，改善對(duì)患者的治療效果。近年來(lái)，醫(yī)療行業(yè)已越來(lái)越多地采用金屬3D打印技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)和制造醫(yī)療植入物。

舉例：
澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織（CSIRO）、墨爾本醫(yī)療植入物公司Anatomics和英國(guó)醫(yī)生聯(lián)手，為一名61歲的英國(guó)患者Edward Evans實(shí)施了3D打印鈦-聚合物胸骨植入手術(shù)，這也是全球首創(chuàng)。之前這種植入物一般都會(huì)用純鈦制造，新型胸骨植入物能夠比之前的純鈦植入物更好地幫助重建人體內(nèi)的“堅(jiān)硬與柔軟組織”。

使用3D打印制造的鈦-聚合物胸骨

5、3D打印藥物
3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于個(gè)性化制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)，因此用于制藥時(shí)可以實(shí)現(xiàn)劑量、外觀、口感等的個(gè)性化定制，同時(shí)因?yàn)?D打印的“藥片”可擁有特殊的微觀結(jié)構(gòu)，有助于改善藥物的釋放行為，從而提高療效并降低副作用。

舉例：
美國(guó)制藥公司Aprecia成功地應(yīng)用了3D打印技術(shù)，將藥物的活性和非活性成分層層放置，開(kāi)發(fā)出了世界上第一個(gè)3D打印的藥品 —— Spritam（化學(xué)名為：左乙拉西坦），這是一種用于治療癲癇的藥物。這種用藥物粉末打印出來(lái)的藥丸有著多孔的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，在接觸到水后能夠迅速溶解，能更快更好地發(fā)揮效力，以應(yīng)對(duì)突如其來(lái)的抽搐。

Aprecia利用3D打印生產(chǎn)的SPRITAM（左乙拉西坦）片劑

雖然技術(shù)也需要繼續(xù)改進(jìn)，在新材料領(lǐng)域也需要更多的研究，但不可否認(rèn)3D打印是目前藥物生產(chǎn)的一種可行方法。但目前3D打印藥物最大的挑戰(zhàn)并不在于技術(shù)本身，而是監(jiān)管環(huán)境。如果將藥品投放市場(chǎng)但沒(méi)有嚴(yán)格的監(jiān)管要求，那么就很難保證它的安全有效性。

作為一項(xiàng)新興科技產(chǎn)業(yè)，3D 打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，推動(dòng)了醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)的快速發(fā)展。但目前來(lái)看，3D打印醫(yī)用材料的各項(xiàng)技術(shù)仍未成熟，若想真正實(shí)現(xiàn)3D打印大范圍運(yùn)用在醫(yī)藥領(lǐng)域，還有一段很長(zhǎng)的路要走。但相信隨著3D打印技術(shù)在程序以及機(jī)械方面的快速發(fā)展，機(jī)遇也會(huì)隨之出現(xiàn)。

來(lái)源： 醫(yī)學(xué)3D打印創(chuàng)新研究中心