上海大學快速制造中心主任、教授胡慶夕：生物3D打印可實現(xiàn)組織完美形態(tài)修復

5月29－31日，由亞洲制造業(yè)協(xié)會、中國3D打印技術產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、英國增材制造聯(lián)盟等單位共同主辦的2013年世界3D打印技術產(chǎn)業(yè)大會在北京中國大飯店隆重舉行。國內(nèi)外600多位代表出席會議，就3D打印技術發(fā)展趨勢、3D打印技術產(chǎn)業(yè)化、3D打印技術如何與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)結合等議題展開討論。

上海大學快速制造中心主任、教授胡慶夕
　　以下為上海大學快速制造中心主任、教授胡慶夕演講實錄：
　　今天我主要是給大家介紹一下我們做的工作，主要介紹幾部分，一個是中心的情況介紹，背景、意義、國內(nèi)外的情況，以及后面的三個工作。
　　我們中心是2001年和華東科技大學共同建立了快速制造工程中心，我們中心目前3D打印的設備種類方面是最全的，工程應用方面也是最成熟的。所以，我們一直致力于三維打印以及生物三維打印，以及快速模具這方面的研究和應用。我們在近十年的時間里，做了數(shù)十萬的關于3D打印的產(chǎn)品，目前我們與上海第九醫(yī)院、新華醫(yī)院等等都進行了合作。
　　從裝備來說，在測量裝備方面我們有17臺先進的測量裝備。在三維打印方面，我們的裝備現(xiàn)在是有15臺，就差一個，現(xiàn)在沒有金屬粉末，其他的各種全部都有了，而且我們基本上是每種兩臺。這是我們的實驗室，包括數(shù)據(jù)處理、3D打印、快速模具以及后處理的。
　　在應用方面，包括在醫(yī)學上的，當時這是上海的第一個兒科醫(yī)院，當時給連體嬰兒做的，當時在中央電視臺也做了報道，還有頭骨的、汽車的儀表盤等等。這是當時美國一個公司在上海北外灘當時要投標建設一個樓房，這是我們做的各種客戶的產(chǎn)品，這是摩托車。
　　我主要介紹的是后面的部分，關于三維打印，因為在我們的中心，一部分是為企業(yè)的工程應用服務，再一部分就是我們做的研究。研究圍繞著生物制造方面，或者叫生物三維打印，最早我們的研究是研究工藝，用三維打印來做，就是現(xiàn)成的設備。通過多年的研究開始發(fā)現(xiàn)，用現(xiàn)成的設備存在很大的問題，我們在后面會提到。
　　前面的老師都已經(jīng)講了關于生物三維打印的意義，我們從中也可以看出來，因為我們各種組織器官的障礙是我們?nèi)祟惤】档囊粋�主要危害之一。再一個，在前面西安電子科大的老師也講了，它在我們醫(yī)學上的應用是非常廣泛的，這樣的病例也是非常多的，存在的問題，我們一直在問，是不是有一天我們?nèi)祟惼鞴俚娜斯ぶ圃斐蔀榭赡�？使眾多的由于疾病、事故或者�?zhàn)爭導致的器官缺損這樣的患者能夠全部被治愈，后來出現(xiàn)了組織工程，就是我們現(xiàn)在說的再生缺損組織修復。通過這種方式，三維打印最后要形成自身有功能的活體組織，也就是永久性的替代。再一個，按照組織的缺損形狀任意塑形，實現(xiàn)完美形態(tài)修復。
　　我們知道，生物增材制造技術，就是我們現(xiàn)在說的生物三維打印，它是伴隨著我們增材制造技術或者叫三維打印技術，逐漸形成一個全新的研究領域。
　　從組織工程和生物制造技術進行缺損的修復，能有效地解決一個自體的移植，因為我們知道用自己的骨或者是皮膚來修復自己，那是創(chuàng)傷修復創(chuàng)傷。生物三維打印的發(fā)展，要解決的就是這方面的問題，所以它展現(xiàn)了巨大的應用空間。
　　在國內(nèi)外的研究，生物三維打印技術設置的門檻比較高，牽涉的技術比較多，我們從這里可以看出，我們將各個學科的交叉，實際上要解決的就是幾個方面的問題，一個方面就是生物材料，再一個方面就是生物的建模，以及包括它的制造和它的工藝，要解決這方面的問題。通過這些問題的解決，實現(xiàn)再生的結構體，就是現(xiàn)在說的細胞的打印，直接出來支架，來修復我們說的骨骼、軟骨、血管、皮膚，或者是心臟等等。
在這個研究過程中，生物制造前面已經(jīng)講了，主要包括這幾個方面，層次上的術前的醫(yī)療模型，就像我們做的連體嬰兒，那就是術前的醫(yī)療模型，給醫(yī)生進行分析使用的。再一種就是替代物的，就是我們做的很多假體。再往上走一個部分，就是我們現(xiàn)在說的組織工程支架，可以降解的。到現(xiàn)在開始做的一些研究，就是用細胞直接做器官。
　　在生物建模方面，國內(nèi)外現(xiàn)在都很多，實際上在這個方面做的最具有代表性，就是比利時的Materialise公司，我們一直在應用它的軟件，在國內(nèi)也有從事這方面的研究，我們在這方面也做了一些工作，對稱缺損骨的模型，非對稱的等等。
　　再一個是關于工藝方面或者設備方面，一個就是基于我們?nèi)�維打印的再生支架這方面的制備，這方面的制備是成為國內(nèi)研究的一個焦點，美國、新加坡、韓國、德國等等都在做，包括國內(nèi)清華、西交大都在做這方面的工作，而且已經(jīng)取得了很顯著的成績。我們剛開始研究的時候，基于三維打印的方法，采用了不同的三維打印工藝，比如說PLA、FDM等等。我們知道，雖然三維打印可以制造任意復雜支架的外形，但是它在形狀的精度很難實現(xiàn)200微米以下的微孔，這是三維打印存在的缺陷。當然，隨著它制造的技術不斷地完善，它可能會做更精細的零件。在目前的情況下，對于微結構形態(tài)存在很多技術的壁壘，這是我們在使用現(xiàn)有的裝備在研究的過程中發(fā)現(xiàn)的。
　　再一個，基于電紡絲的再生支架制備工藝，美國、韓國、意大利、包括我們國內(nèi)都在從事這方面的研究工作，我們也采用電紡絲運用不同的材料進行再生支架這方面的工作。再一種就是把這兩項技術組合、綜合，采用這種技術現(xiàn)在剛剛開始，從我們所查到的文獻看到，像葡萄牙用FDM和電紡絲技術的結合，韓國也是FDM和電紡絲的結合，用生物材料進行這方面支架的制備。我們將常溫擠出成型和電紡絲結合，進行再生支架的制備。這種制備是采用三維打印的方式，主要是保證支架的性能。我們利用電紡絲是彌補它的不足，就是微觀的結構。
　　在這個方面，因為我們在研究的過程中，當時我們沒有用電紡絲的時候，開始出現(xiàn)一個宏觀支架的結構，在進行細胞培養(yǎng)的時候發(fā)現(xiàn)細胞有的時候放進去以后，它就自己放下沉積，中間沒有能把它截住的地方。這個微結構的問題一直解決不了。再一個就是細胞的組裝，國內(nèi)國外在這個方面做了大量的工作，細胞組裝技術是得到了國內(nèi)外學者的重視，擠出成型、電噴射成型等等，已經(jīng)得到了這方面的認可。
　　再生支架的建模，因為我們前面很多年做了這方面的工作，最早我們用的是上面那個，就是說要用很多軟件來完成建模。這個在醫(yī)學上是很難實現(xiàn)的，包括我們工程上的很多軟件都用到了。到后來，我們就提出來要做下面這個，基于醫(yī)學圖象的缺損骨再生支架建模方法，我們就提出這樣一個架構。再生支架在建立的過程中，我們對它提出來一個就是它這個模型的特征，一個就是外部的模型特征，這就是說拿一個缺損的形狀，再一個就是內(nèi)部模型的特征，它分為兩個部分，大家看到的很多就像搭架子一樣，宏觀的結構形狀。還有一種是微觀的。宏觀結構是可以通過建模實現(xiàn)的，所以在這里面，宏觀結構我們利用的是三維打印，包括外形，不可建模部分我們是用的電紡絲來完成這個工作。
　　實際上我們建模在這里面要獲取缺損部分的模型。這一塊的建模剛才幾位老師都有很多介紹，實際上就是通過建立一個單元的結構圖，然后組成一個外形形狀，進行運算，接得到了這樣一個宏觀結構。宏觀結構的種類有很多，一種是大家看到的這種形式，這是我們通過三維打印實現(xiàn)的微孔結構。
　　這個結構可以是圓柱體、球體等各種各樣的形狀，你可以根據(jù)自身的需要去建模，大部分建模都是圓柱形的，有60度的，有90度的，這是內(nèi)部的結構，醫(yī)學的三維軟件。這是我們自己建的一個軟件，這里面就包括剛才講的三個過程，CT數(shù)據(jù)過來，然后進行重建，重建以后獲取缺損部位，然后再進行微結構的構建，微結構是你自己可以輸入，你要得到多大的結構，他們之間的間距多大，然后得到我們要的結構。
這是一個非對稱的，因為我們說人是基本上對稱的，對稱的建模方法基本上覆蓋了人體的90%多，非對稱的只有很小一部分，我們?nèi)说闹虚g部位這一塊是非對稱的，因為當這一塊缺損的時候，你想利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，是沒有的，你沒有辦法來獲取它的三維數(shù)據(jù)，這時候你要進行一個非對稱的建模。
　　再一個就是關于三維打印復合成型部分，在這個方面的研究。一部分就是要用生物材料，有天然的、有合成的，以及有無機。關于生物材料，我們在使用的時候，大部分都是跟醫(yī)院在合作，得到醫(yī)藥總局批文的相關材料來進行這方面的研究。因為我們現(xiàn)在用的一些材料都是醫(yī)院提供的，我們在建的時候，就是用三維打印和電紡絲技術進行結合。這里我們的復合成型方法，一種是低溫的擠出，一個是熱熔的擠出，再一個是常溫的擠出。材料黏度較小時使用電噴射，材料有一定的黏度時就用電紡絲，這種技術在我們說的微納芯片的制造中，覺得做出來以后太厚了，但是在我們這兒，可能不是太厚，微納芯片在用的時候，他們跟我聊的時候就說到，這種技術他們在用的時候，一直解決不了薄的問題。這是我們建立的系統(tǒng)，這是我們自己開發(fā)的平臺，這是第一代的，第二代馬上就要出來了，現(xiàn)在我們用這個平臺給醫(yī)院做皮膚包括血管等等，都是通過這個看上去不像樣的實驗平臺來做。這里面是用低溫水溶性的材料，這個是常溫的用的是水明膠做的質(zhì)量，這個是同軸結構的，這個是梯度結構的，因為我們說將來你要做軟骨，中間是梯隊結構，要研究梯度結構的擠出，再一個是復合的，可以看出來，里面有密密麻麻的網(wǎng)格在里面，這底下就是做的一些細胞的培養(yǎng)。
　　我們后期要做一些工作，也向大家匯報一下。一個是要擴展應用的領域，完善這個方面的設備，推動設計與制造一體化的裝備研究。在這個過程中，一個是我們復合工藝的血管、器官等等相關，因為這個是跟兒科在做血管方面的研究。再一個，復合工藝就是細胞打印、組裝。再一個，是將生物建模與設備集成，形成從CT直接過來，出去的就是生物解體圖，這樣一個過程，這是我們下一步要做的研究工作。
　　最后，用美國生物學家諾貝爾獎獲得者的一句話，用不了50年，人類將能夠培育出人體的所有器官。當然，最后，我們希望我們的研究能為人類的健康做出我們應有的貢獻。來自中國3d打印技術產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟