3D打印機在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用解析

從1988年第一臺3D打印機問世到如今，3D打印似乎已經(jīng)成為了一個炙手可熱，耳熟能詳?shù)拿�詞，還被譽為是“第三次工業(yè)革命的重要標志之一”。但是很多人對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”的觀點上。但實際上，在過去的十幾年里，3D打印已不再局限于制造業(yè)，它在醫(yī)藥行業(yè)也擴展得十分迅猛，各項有前景的應(yīng)用接踵而至，這次本文便來簡單講講3D打印及其在醫(yī)藥行業(yè)中的應(yīng)用狀況。

第一臺3D打印機

一、3D打印的類型
3D 打印技術(shù)是20世紀80年代后期開始逐漸興起的一項新興制造技術(shù)，它是指在計算機控制下，根據(jù)物體的計算機輔助設(shè)計（CAD）模型或計算機斷層掃描（CT）等數(shù)據(jù)，通過材料的精確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�。�3DP）等。

1、立體光固化成型打印
立體光固化成型 SLA（stereo lithographyappearance），即用特定波長與強度的激光聚焦到液態(tài)的光固化材料表面，使之由點到線，由線到面的順序凝固，完成一個層面的繪圖作業(yè)。然后再移動光波至另一個層面，層層疊加構(gòu)成一個三維實體。

2、熔融沉積成型打印
熔融沉積成型FDM(Fused DepositionModeling)工藝是通過將絲狀材料，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，以固定的速率進行熔體沉積。每完成一層，工作臺下降一個層厚進行迭加沉積新的一層，如此反復(fù)最終實現(xiàn)零件的沉積成型。FDM 工藝的關(guān)鍵是保持半流動成型材料的溫度剛好在熔點之上 ( 比熔點高 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，首先將粉末預(yù)熱到稍低于其熔點的溫度，然后在刮平棍子的作用下將粉末鋪平 ；激光束在計算機控制下根據(jù)分層截面信息進行有選擇地?zé)�結(jié)，一層完成后再進行下一層燒結(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)建三維實體模型。采用這種技術(shù)打印成型的樣品模型與實際產(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（高強打印粉）。目前，三維噴墨打印機是市場上精度最高，成型效果最好的高端打印設(shè)備。

二、3D打印的優(yōu)劣勢
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(shè)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。

劣勢：
（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。基于目前 3D 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(yīng)用范圍雖然廣泛，但對軍工、航空航天和航海等領(lǐng)域所需要的大尺寸零部件來說暫時還難以實現(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)和臨床實驗教學(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，在使用過程中極易損壞。利用 3D 打印制作醫(yī)學(xué)教學(xué)用具、醫(yī)療實驗?zāi)Ｐ偷扔闷凡粌H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。

而對于風(fēng)險很大的手術(shù)，為了保證醫(yī)療手術(shù)的安全實施，醫(yī)生會根據(jù)病變器官模型進行分析策劃以確定重要的手術(shù)方案。利用 3D打印技術(shù)對材料進行精確控制的優(yōu)點可快速制備出高質(zhì)量的器官模型，幫助醫(yī)生進行精準的手術(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)方案進行直觀的溝通。

舉例：
美國一家醫(yī)院成功地為一對連體雙胞胎嬰兒實施了頭顱分離手術(shù)，其中引人注目的是手術(shù)前醫(yī)院采用了以色列Obeject公司的三維打印機制作出精確的連體頭顱。據(jù)此進行了縝密的手術(shù)方案研究，使手術(shù)順利進行，只用了22h，而以往相類似的手術(shù)則長達72h。

連體頭顱模型

2、 細胞的制備
近年來，研究者已開始廣泛關(guān)注細胞的3D打印技術(shù)，如通過攜帶細胞進行3D打印而直接制備動物器官、組織的方法。此技術(shù)的優(yōu)點在于通過對加工過程的精確控制優(yōu)勢，調(diào)節(jié)細胞在微觀尺度上的排列情況，以實現(xiàn)對單個細胞的行為和細胞間的相互作用（細胞與細胞、細胞與材料）進行控制，從而促進細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打印的細胞生長成的皮膚狀片層結(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)上的一個難題，很多患者為此而喪失生命，且人體組織器官代替物對材料的要求很高，實現(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，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)實現(xiàn)了融合，并且表現(xiàn)出了正常的功能。

UCSD團隊利用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、腎臟和特定細胞組織用于新藥測試，不僅可以真實模擬人體對藥物的反應(yīng)，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。

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，改善對患者的治療效果。近年來，醫(yī)療行業(yè)已越來越多地采用金屬3D打印技術(shù)來設(shè)計和制造醫(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和英國醫(yī)生聯(lián)手，為一名61歲的英國患者Edward Evans實施了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)勢在于個性化制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)，因此用于制藥時可以實現(xiàn)劑量、外觀、口感等的個性化定制，同時因為3D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，開發(fā)出了世界上第一個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的藥丸有著多孔的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，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)對突如其來的抽搐。

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，在新材料領(lǐng)域也需要更多的研究，但不可否認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但沒有嚴格的監(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)生了深遠影響，推動了醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)的快速發(fā)展。但目前來看，3D打印醫(yī)用材料的各項技術(shù)仍未成熟，若想真正實現(xiàn)3D打印大范圍運用在醫(yī)藥領(lǐng)域，還有一段很長的路要走。但相信隨著3D打印技術(shù)在程序以及機械方面的快速發(fā)展，機遇也會隨之出現(xiàn)。

來源： 醫(yī)學(xué)3D打印創(chuàng)新研究中心