解析3D打印在醫(yī)療方面的應(yīng)用

3D打印，又稱增材制造（AM），是根據(jù)所設(shè)計的3D模型，通過3D打印設(shè)備逐層增加材料來制造三維產(chǎn)品的技術(shù)。與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，由于3D打印不必事先制造模具，不必在制造過程中去除大量的材料，也不必通過復(fù)雜的鍛造工藝就可以得到最終產(chǎn)品，因此，在生產(chǎn)上可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、節(jié)約材料和節(jié)省能源。3D打印技術(shù)的這些優(yōu)勢，使其適合于新產(chǎn)品開發(fā)、快速單件及小批量零件制造、復(fù)雜形狀零件的制造、模具的設(shè)計與制造等，也適合于難加工材料的制造、外形設(shè)計檢查、裝配檢驗和快速反求工程等。因此，3D打印產(chǎn)業(yè)在國內(nèi)外越來越受到廣泛關(guān)注，正在成為具有廣闊發(fā)展前景的朝陽產(chǎn)業(yè)。

醫(yī)療行業(yè)一直是3D打印技術(shù)主流應(yīng)用領(lǐng)域。3D打印技術(shù)具有的靈活性高、不限數(shù)量、節(jié)約成本等特點，能夠非常好地滿足醫(yī)學(xué)領(lǐng)域個體化、精準(zhǔn)化醫(yī)療的需求。據(jù)報道，2012年，3D打印醫(yī)療占到整個3D打印市場份額的16.4%。有統(tǒng)計表明，2012年，全球3D打印醫(yī)療應(yīng)用市場為35 450萬美元，預(yù)計從2013-2019年的復(fù)合年增長率將達(dá)15.4%，2019年的市場規(guī)模將達(dá)到96 550萬美元。

一、3D打印在醫(yī)療領(lǐng)域的優(yōu)勢1.定制化
3D打印在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用的最大優(yōu)勢在于可以方便地生產(chǎn)定制化產(chǎn)品和設(shè)備。例如，使用3D打印定制人體假肢和植入物，這為患者和醫(yī)師提供極大的便利。另外，3D打印可以定制外科手術(shù)用的夾具、固定裝置等，極大地縮短了手術(shù)時間，提高手術(shù)成功率，減小了術(shù)后患者恢復(fù)時間。未來，3D打印技術(shù)也將用于患者的藥物類型、劑量選擇等。

2.提高成本效益
3D打印在醫(yī)療領(lǐng)域的另一個優(yōu)勢在于可以降低成本。3D打印在小批量生產(chǎn)的成本控制上優(yōu)勢明顯。而對于傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝而言，只有在大批量生產(chǎn)條件下才能降低成本。在小尺寸的人體植入物如脊柱、牙齒或頭顱修復(fù)方面，3D打印的成本非常低，有利于小批量產(chǎn)品試制及模型驗證的推進(jìn)。

3.提高生產(chǎn)效率
3D打印可以實現(xiàn)在幾個小時內(nèi)加工出一件產(chǎn)品。例如在假肢和人體植入物方面，傳統(tǒng)的加工工藝需要經(jīng)過球磨、鍛造和長時間的交貨期，而3D打印僅僅只需將模型輸入打印機(jī)，數(shù)小時內(nèi)就可以完成產(chǎn)品的生產(chǎn)與交付，這使得它在假肢和植入物方面比傳統(tǒng)的加工方式效率更高。除了速度之外，在質(zhì)量方面，例如尺寸精度、可重復(fù)性及可靠性，3D打印也正在改進(jìn)。

4.自由化
3D打印的另外一個優(yōu)勢是任何人都可以通過該工藝去設(shè)計和制造產(chǎn)品[2]。目前，越來越多的材料逐漸被3D打印所使用，并且這些耗材的成本正在逐步降低，于是更多的人可以根據(jù)自己的想法去設(shè)計和打印一些新興的事物。

3D打印可以很好地實現(xiàn)設(shè)計共享，研究者可以在公開的數(shù)據(jù)庫中能夠很方便地獲取stl格式的參數(shù)及數(shù)據(jù)模型文件，從而可以摒棄通過雜志期刊下載文件后重現(xiàn)所描述模型參數(shù)的傳統(tǒng)方式。通過對該模型的3D打印，可以得到醫(yī)療器械及裝置的完美復(fù)制品。為此，2014年，美國國立衛(wèi)生研究院建立了3D打印部用來促進(jìn)3D模型文件在醫(yī)療、解剖、細(xì)菌和病毒領(lǐng)域的數(shù)據(jù)共享。

二、3D打印在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用
3D打印從2000年開始被應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，最早用于牙齒、人體植入物和定制化修復(fù)過程。從那時起，醫(yī)療應(yīng)用發(fā)生了很大改變。最近發(fā)布的研究表明，3D打印可以制造人體各種器官組織包括骨骼、耳朵、氣管、頜骨、眼鏡、細(xì)胞、血管、組織以及藥物及輸送裝置等。目前，3D打印醫(yī)療應(yīng)用主要可以分為以下幾個方面：器官及組織制作；制備假肢、植入物及解剖學(xué)模型；藥物的發(fā)現(xiàn)、輸送及劑型研究。下面分別討論這些醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

1.生物組織與器官打印
由于衰老、疾病、事故和出生缺陷導(dǎo)致的器官損傷或器官功能衰竭是一個嚴(yán)重的醫(yī)學(xué)問題。目前對器官衰竭的治療主要依靠器官移植，這些器官來自于其他人活著死者的捐贈。但是，活體器官捐贈數(shù)量一直面臨短缺問題。在2009年，美國154 324例患者在等待活體器官，這其中僅僅只有18%的患者能接受器官移植，每天都有25位患者在等候中死去。截至2014年初，美國約有120 000人在等待器官移植，1個器官移植手術(shù)和后續(xù)手術(shù)費用也很昂貴，另外一個問題是器官移植涉及尋找一個和患者器官組織匹配的供體的難度非常大。這個問題目前可以通過從器官移植患者自身取得細(xì)胞，通過細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)建立一個替代器官，這將減少組織排斥反應(yīng)的風(fēng)險以及需要采取終身免疫抑制劑帶來的痛苦。

基于生物組織工程和再生醫(yī)學(xué)的治療被認(rèn)為是解決器官供體短缺的一種有發(fā)展前景的方案。傳統(tǒng)的生物組織工程是將干細(xì)胞從組織樣本中分離出來，將其與生長因子混合，在實驗室中繁殖，然后將這些細(xì)胞接種到細(xì)胞增殖平臺上，最后分化為功能性組織，雖然目前仍處于起步階段，但是在細(xì)胞增殖支架方面比傳統(tǒng)的再生方法具有明顯的優(yōu)勢，例如：細(xì)胞的高精度定位、速度控制、細(xì)胞濃度和打印細(xì)胞尺寸控制等。

細(xì)胞3D打印是利用生物材料通過3D打印技術(shù)逐層連續(xù)創(chuàng)建三維組織結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)細(xì)胞、生物組織的直接成型。其中用于構(gòu)建支架的材料有多種，材料的選擇取決于生物結(jié)構(gòu)所需的強(qiáng)度、孔隙率和組織類型。通常，水溶膠被認(rèn)為是生產(chǎn)軟組織的最佳材料。

生物3D打印系統(tǒng)主要以激光、噴墨和擠壓成型為主，其中噴墨打印技術(shù)最常見。這種方法是將活細(xì)胞或生物材料的液滴按照數(shù)字模型的軌跡沉積在基板上來復(fù)制人體組織或器官。設(shè)備系統(tǒng)中的多個打印頭可以用來存放不同類型的細(xì)胞（血管、肌肉），用來滿足整體生物組織及器官的成型。

生物3D打印器官的過程包括：①創(chuàng)建血管及組織的三維數(shù)字模型；②建立打印策略；③分離干細(xì)胞；④將干細(xì)胞分化為特定器官的細(xì)胞；⑤制備bioink，其中包含特定器官細(xì)胞、血管細(xì)胞和運載基質(zhì)，隨后將其放入打印機(jī)；⑥進(jìn)行生物3D打�。虎邔⒋蛴⊥瓿傻钠鞴俜湃肷�物反應(yīng)器中。激光打印也被應(yīng)用于細(xì)胞打印過程中，激光能量常用于激活細(xì)胞，提供細(xì)胞外環(huán)境的控制。雖然生物器官3D打印技術(shù)仍處于起步階段，但是多項研究已經(jīng)證明該項技術(shù)的可行性。有研究者已經(jīng)使用3D打印機(jī)制造膝關(guān)節(jié)半月板、心臟瓣膜、脊柱盤、其它類型的軟骨以及人工耳。Cui等人已經(jīng)利用噴墨3D打印技術(shù)修復(fù)人類關(guān)節(jié)軟骨。Wang等人使用3D打印技術(shù)在多種生物相容性良好的水溶膠中打印細(xì)胞來重建人工肝臟。密歇根大學(xué)的醫(yī)生在新英格蘭醫(yī)學(xué)雜志上發(fā)表了一個案例，其使用CT掃描患者的呼吸氣管道圖像，對患者支氣管進(jìn)行精確建模，然后利用3D打印技術(shù)打印出氣管夾板，成功植入到一個患有支氣管軟化癥嬰兒的氣管中，預(yù)計3年內(nèi)夾板將被嬰兒體內(nèi)完全吸收。

在國外，許多生物技術(shù)公司都在研究生物組織和器官的再造技術(shù)。Organovo的研究者正在利用該技術(shù)打印肝臟組織，他們希望這些材料能夠在新藥的篩選上提供便利。

2.外科用解剖學(xué)模型
3D打印技術(shù)是解決外科手術(shù)中人體的個體差異和復(fù)雜性的理想方案。通過3D打印技術(shù)可以重建病人的解剖模型以供醫(yī)生研究或進(jìn)行模擬手術(shù)，這提高了對患者病情的認(rèn)識以及手術(shù)的成功率，而單純的使用MRI和CT掃描的二維圖像去觀察，很難具有更全面的認(rèn)識。使用3D打印模型進(jìn)行外科培訓(xùn)也比尸體上的訓(xùn)練更可取。此外，尸體往往缺乏適當(dāng)?shù)牟±韺W(xué)，因此通過3D打印技術(shù)提供的解剖學(xué)課程要比外科病人提供的實例更多。

3D打印神經(jīng)解剖學(xué)模型可以更加清楚的展示出人體中復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如圖1所示，這為神經(jīng)外科醫(yī)生的研究提供了幫助。因為腦神經(jīng)、血管、腦結(jié)構(gòu)和顱骨結(jié)構(gòu)之間是錯綜復(fù)雜的，僅基于2D圖像很難產(chǎn)生更加全面的認(rèn)識，如果了解有微量的偏差，對后續(xù)的解剖過程可能帶來潛在的影響。一個逼真的3D模型可以全面反映出病灶與正常腦結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，這對指導(dǎo)后續(xù)的手術(shù)操作是非常有利的，它也可以為神經(jīng)外科醫(yī)生在面對挑戰(zhàn)性的手術(shù)前提供演示性操作。此外，通過使用3D打印模型，也可以更好地研究脊柱變形問題。
目前來看，雖然3D打印在解剖領(lǐng)域很大程度上是探索性的，但是3D打印模型已經(jīng)被用于許多情況下，例如日本神戶大學(xué)醫(yī)院的外科醫(yī)生計劃用3D打印的肝臟模型進(jìn)行活體移植，他們使用病人器官的復(fù)制品來確定如何最好地切開供體肝臟，使其組織損傷最小，更好地適應(yīng)接受者的腹腔。這些3D模型通常是由部分透明、低成本的丙烯酸樹脂或聚乙烯醇材料制成，其含水量和質(zhì)地類似于活體組織，因此手術(shù)實驗也更加逼真。

一種用于外科手術(shù)的3D打印模型

3.3D打印藥物輸送裝置
3D打印技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于藥物的研究和制造，它們有望成為一項革命性的技術(shù)。3D打印的優(yōu)點包括精確控制液滴的大小和劑量，重現(xiàn)性好，以及具有復(fù)雜藥物釋放曲線的劑型的能力。復(fù)雜的藥物生產(chǎn)過程也可以通過使用3D打印來進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，使它們更簡單、更可行。3D打印技術(shù)在個性化醫(yī)療的發(fā)展中也起著非常重要的作用。

4.定制化藥物
藥物開發(fā)的目的在于提高療效和減少不良反應(yīng)的風(fēng)險，這一目標(biāo)可能會通過應(yīng)用3D打印技術(shù)生產(chǎn)個性化藥物來實現(xiàn)。口服片劑是最受歡迎的藥物劑型，因為它具有易于制造、避免疼痛、精確的劑量和良好的病人依從性等特點，然而，沒有一種可行的方法可用于制備個性化的固體劑型，如片劑。目前，口服片劑是通過諸如混合、碾磨、干燥和濕的粉末成分造粒制得的，這些粉末成分通過壓縮或鑄模形成片劑。這些制造步驟中的每一個環(huán)節(jié)都可能為藥物的制備帶來困難，如藥物降解和形態(tài)變化，最終可能導(dǎo)致配方或藥品批量制造失敗的問題。此外，這些傳統(tǒng)的制造工藝不適合創(chuàng)建個性化藥物，限制了具有高度復(fù)雜幾何形狀、新的藥物釋放曲線和長期穩(wěn)定性的定制劑型的制造能力。

藥劑師可以分析病人的藥理學(xué)的檔案，以及其他特征如年齡、種族或性別，以確定最佳的用藥劑量。然后，藥劑師可以通過3D打印系統(tǒng)打印和分發(fā)個性化藥物。如有必要，可以根據(jù)臨床反應(yīng)進(jìn)一步調(diào)整劑量。

3D打印也在全新的制劑如包括多種活性成分的藥丸制備上具有潛力。對于患有多種慢性疾病的患者而言，可以在醫(yī)療點去打印所需的藥片，一個藥片中可以為患者提供精確、個性化的多種藥物治療，這有助于提高患者對藥物的依從性。未來，藥店可以為他們的顧客直接出售3D打印定制化的藥品。

3D打印已經(jīng)在多個領(lǐng)域包括醫(yī)學(xué)成為一個潛在的變革的工具，隨著打印機(jī)的性能、分辨率和可用的原材料種類的增加，其應(yīng)用的范圍越來越廣。研究人員利用3D打印技術(shù)不斷地改進(jìn)現(xiàn)有的醫(yī)療應(yīng)用程序，去探索新的醫(yī)療方向。3D打印目前在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域所取得的了顯著成果，但在一些革命性的應(yīng)用如人體器官打印方面，則還有很長的路要走。

作者 / 張鵬（中航邁特粉冶科技（北京）有限公司）
來源： 新材料產(chǎn)業(yè)