3D打印技術應用前景展望與分析

◆黃烽堅 封小影 黃 昊

第三軍醫大學大坪醫院野戰外科研究所 重慶 400042

責任編輯:姚 濤

3D打印技術是制造業領域正在迅速發展的一項新興技術，被稱為“具有工業革命意義的制造技術”[1]，特別是用于醫療衛生行業的生物3D打印技術，在臨床和醫學科研方面的應用受到了醫學界的廣泛關注。隨著3D打印技術與醫學影像建模、仿真技術相結合的不斷深入，3D打印技術在醫療方面的應用也取得了驚人進展，其具有的快速性、準確性及擅長制作復雜形狀實體的特性使它在醫療衛生行業領域有著廣泛的應用前景。

1 3D打印技術概述

3D打印技術(又稱“添加制造”(Additive Manufacturing)誕生于20世紀80年代后期，源自美國研究照相雕塑和地貌成形技術，是一種與傳統材料去除加工方法相反、基于三維數字模型、運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料、采用逐層制造方式將材料結合起來的工藝技術[2]。3D打印技術主要工藝類型包括立體光刻 (SL)、立體光固成型、PVC塑料燙印復膜、熔融擠出成型(FDM)、三維噴繪打印(3DP)、數字光處理(DLP)等。其產品類型主要分為桌面級和工業級兩種，桌面級能夠較直觀地闡述3D打印技術的工藝原理;工業級的3D打印機主要分為快速原型制造和直接產品制造兩種。3D打印技術作為一種高科技含量的應用技術，綜合了數字建模技術、機電控制技術、信息技術、材料科學與化學等諸多前沿技術知識，目前已經廣泛應用于家電、汽車、工程機械、航天航空、船舶等領域。

3D打印技術最近數十年取得了重大發展，正逐步成為最有生命力的先進制造技術之一。目前已經能夠在0.01mm的單層厚度上實現600dpi的精細分辨率，國際上較先進的產品可以實現每小時25ram厚度的垂直速率，實現24位色彩的彩色打印[3]。目前在市場應用領域方面，3D打印技術在航空器和醫學牙科領域的應用發展最快。在2009年～2011年的3年間，應用于航空器制造領域的設備市場份額由9.9%上升到了12.1%，醫學牙科的市場份額由13.6%上升到了15.1%。隨著3D打印技術精度、效率和速度的提升，以及多樣3D打印材料的開發、工藝方法的改進、智能制造的發展成熟，新的信息技術、控制技術、材料技術等不斷被廣泛應用到制造領域，3D打印技術也將得到更廣泛的應用。未來，3D打印技術將體現出精密化、智能化、通用化以及便捷化等發展趨勢[4]。

我國3D打印技術起步于20世紀90年代初期，已研制出與國外 SLA、LOM、SLS、FDM 等工藝方法相似的打印設備，并逐步實現了商品化，尤其在大型金屬構件直接制造方面，突破了技術方面的障礙，走在世界的前列。目前國內已有部分企業實現了3D打印機的整機生產和銷售，東部發達城市已有企業應用3D打印設備開展了商業化的快速成型 服務[3，5]，同時中國3D打印產業聯盟的成立，標志著3D打印產業的資源整合已經步入新階段，結束了“小而散”的狀況。近年來，國家對3D打印技術的支持力度不斷加大，主管部門在積極制定相關產業扶持政策，科技部已經將3D打印技術納入國家“863計劃”，因此3D打印技術和產業表現了強勁的發展潛力。但總體而言，國內3D打印技術研發水平與國外相比還有較大差距，且在工業級3D打印機的穩定性、精密度、材料等領域與國外尚有一些差距，未來隨著智能控制、圖像傳感技術以及新材料等的應用，我國3D打印技術將向智能化、高效率化、節能化方向發展[4]。

2 3D打印技術在醫院的應用前景

2.1 臨床應用

2.1.1 為個性化治療創造條件

比如制造出個性化的假體。進行個性化治療一直是無數病人夢寐以求的治療方案。過去由于根據模型制作假體，制作時間相對較長，且由于材料的使用率低，造成獲得個性化的產品費用較高。3D打印技術的出現有效解決了個性化治療的難題[6]。3D打印技術無需機械加工或任何模具，就能直接從計算機圖形數據中生成任何形狀的零件，從而極大地縮短產品的研制周期，提高生產率，降低生產成本，使得生產一件產品和生產大量同樣產品的單價相同。目前比較成功的案例是，美國Ofard Performance Materials公司做了顱骨的修復技術;在歐洲，LayerWise公司首次用激光燒結的技術，用鈦合金做出下顎關節植入人體。

2.1.2 生物3D打印可用于組織工程 人體組織損傷、缺損會導致功能障礙。傳統的修復方法是自體組織移植術，雖然可以取得滿意療效，但它是以犧牲自體健康為代價，會導致很多并發癥及附加損傷。利用組織工程和生物制造技術進行缺損修復[5]，通過 3D打印機打印出來和自身需要完全一樣的組織工程支架，在接受組織液后，其可以成活，便形成有功能的活體組織，然后移植到病人身上，對損壞的部位進行永久性的替代。目前，全球每年等待器官移植的患者數量驚人。而器官來源一直是器官移植最大的制約因素。利用3D打印技術制造胚胎干細胞和人體組織，可以制造出能夠直接移植或埋入人體內的人體部位，甚至直接在人體內打印細胞。3D打印技術可加速人造人體器官的進展，在醫學領域的應用有望解決器官來源問題[7－9]。

2.1.3 可用于制造生物模型 在進行復雜手術前通過醫療模型模擬手術，使醫生能夠掌握手術中預先解剖的部位，減少手術風險，提高手術成功率。醫學影像在臨床上的應用，很容易得到病人軟組織、硬組織的模型，通過把 X線、CT機及 MRI獲得的 DICOM數據轉換成三維打印機的數據，便可以快速準確制成生物模型，幫助醫生提高手術成功率。比如手術前可以把所有的器官通過三維打印成病理模型，根據模型大小，尋找合適的供體，充分做好手術前的規劃和方案的設計[10－12]。 大坪醫院肺外科開展了世界首例3D CT引導電視胸腔鏡下肺毛玻璃樣變切除術，實際效果表明，將3D打印技術應用于手術現場，手術的準確度明顯提高。

2.2 科學研究

2.2.1 打印反應容器，驅動化學反應 3D打印技術出現以前，研究人員一直都在沿用傳統的玻璃瓶罐等容器進行化學實驗，且被動地使用標準試件。3D打印技術的出現有效解決了實驗器皿作用單一的模式，根據實驗需要，“量身定制”各種不同的實驗器皿，而且可以打印反應容器，使之成為實驗本身的組成部分，控制化學反應。其原理是通過3D打印技術和計算機輔助過程，一層一層地建立起固態物件。這種用綴合催化劑“墨水”打印的容器能讓其內壁驅動化學反應[13]，而容器內藏有的嵌入式電極(用導電碳基添加劑打印出來的一種載有電流的聚合物薄片條)能在容器內促進電化學 反 應[14－21]。該項技術不僅能夠快速生產再配置試件，還能強化化學反應，為研究提供了一種全新的個性試件方式。

2.2.2 可進行細胞3D打印 以三維設計模型為基礎，通過軟件分層離散和數控成型的方法，用3D打印技術生成生物材料，特別是細胞材料等。它的技術原理是將細胞打印[8]在一層一層的特殊熱敏材料上，之后將材料疊加起來就得到所需的組織結構。據統計，40%以上的人口死亡于代謝綜合癥，利用細胞3D打印技術在體外打印一個代謝綜合癥模型，通過模型可獲得能量代謝的系統模型圖，就可以看到細胞在里面的生長狀況。譬如我們把胰島細胞放在這個結構中，就可以形成一個我們所需要的、有通訊的三維模型，再進行相關的病理實驗，就可以模仿人體糖尿病的病理，相對于傳統模型，這更接近人體內的真實情況[5]。

3 展望與建議

任何一種新型技術的發展都面臨機遇與挑戰，3D打印技術雖然技術先進、應用廣泛，但受多種因素的限制。目前，打印設備的精度、速度和效率還不夠高，受打印機工作原理的限制，打印精度與速度之間存在嚴重沖突;打印生物材料多局限于化學聚合物，打印機造價比較貴，打印產品成本高等。尤其是在生物3D打印技術方面，牽涉的技術比較多，因此3D打印技術在醫學方面的發展必須是多學科的合作。

從中長期來看，3D打印技術在醫院應用具有較為廣闊的發展前景，但目前距離成熟應用階段尚有較大距離。因此現階段醫院對3D打印技術的投入應注意以下幾點:一是加強醫院與廠家聯手開展合作研究。廠家出設備，醫院設計需要的圖形，廠家拿到圖形后打印成產品提供給醫院使用，并遵循先動物實驗再臨床觀察原則，盡量將風險降到最低。同時加強教育培訓。技術的引進需配備專業的人才，將3D打印技術納入醫院中長期發展建設規劃，培養懂醫療且了解3D打印技術的復合型人才，為醫院應用和發展3D打印技術儲備人才。二是加強與其它醫院的合作和交流。與3D打印技術應用比較成熟的醫院建立合作機制，實現資源共享，定期舉行經驗交流和研討會，解析3D打印技術應用中遇到的問題，分享應用經驗和技巧。三是與傳統的醫療技術形成互補。傳統的醫療技術是醫院發展的基礎，新技術的應用是醫院發展的動力，二者相結合，醫院才能穩步向前發展。

綜上所述，3D打印技術雖然在醫學領域應用前景巨大，且能給醫療衛生行業技術革新提供強勁的動力，但醫院在引進和實施3D打印技術時，要根據實際情況理性客觀的規劃布局，對醫院現有資源進行整合，與傳統醫療技術相結合，進行優勢互補，在不斷提高醫院特色醫療技術的同時，加強3D打印技術的引進與應用。

[1] 張 曼.3D打印技術及其應用發展研究[J].電子世界，2013(13):7－8.

[2] 王雪瑩.3D打印技術與產業的發展及前景分析[J].中國高新技術企業，2012(26):3－5.

[3] 陳堅偉，張 迪.3D打印技術醫學應用綜述與展望[J].電腦知識與技術，2013(15):3632－3633.

[4] 賀超良，湯朝暉，田華雨，等.3D打印技術制備生物醫用高分子材料的研究進展[J].高分子學報，2013(6):722－732.

[5] 王月圓，楊 萍.3D打印技術及其發展趨勢[J].印刷雜志，2013(4):10－12.

[6] 韓桂芬，章靜波.塑料移植物替代3/4顱骨3D打印機制造出聚合物頭蓋骨[J].基礎醫學與臨床，2013(6):823.

[7] N.E.Fedorovich，L.Moroni，J.Malda，et al.3D － Fiber Deposition for Tissue Engineering and Organ Printing Applications[Z].Cell and Organ Printing，2010:225 －239.

[8] Natalja E.Fedorovich，Jacqueline Alblas，Wim E.Hennink，et al.Organ printing:the future of bone regeneration[J].Trends in Biotechnology，2011，29(12):601 －606.

[9] F.Melchels，J.Malda，N.Fedorovich，et al.Organ Printing[J].Comprehensive Biomaterials，2011(5):587 －606.

[10] Paul Calvert.Printing Cells[J].Science，2007，336:208 －209.

[11] Weigang Wu，Qixin Zheng，Xiaodong Guo，et al.The controlled － releasing drug implant based on the three dimensional printing technology:Fabrication and properties of drug releasing in vivo[J].Journal of Wuhan University of Technology － Mater，2009，24(6):977－981.

[12] Xiaofeng Cui，Thomas Boland.Human microvasculature fabrication using thermal inkjet printing technology[J].Biomaterials，2009，30(31):6221 －6227.

[13] 張長青.3D打印機生產實驗器皿

“智能”容器可以驅動化學反應[J].世界科學，2012(9):45－46.

[14] Brian Derby.Printing and Prototyping of Tissues and Scaffolds[J].Science，2012，341(16):921 －926.

[15] R.A.Rezende，F.D.A.S.Pereira，V.Kasyanov，et al.Scalable Biofabrication of Tissue Spheroids for Organ Printing[J].Procedia CIRP，2013，5:276 －281.

[16] 3D printing of dental restorations[J].Metal.Powder Report，2013，68(2):32 －33.

[17] Tabea Viktoria Flügge，Katja Nelson，Rainer Schmelzeisen.Three － Dimensional Plotting and Printing of an Implant Drilling Guide:SimplifyingGuided ImplantSurgery[J].Journal of Oral and Maxillofacial Surgery，2013，71(8):1340 －1346.

[18] T.Serra，J.A.Planell，M.Navarro.High－resolution PLA－based composite scaffolds via 3 － D printing technology[J].Acta Biomaterialia，2013，9(3):5521 －5530.

[19] T.Serra，J.A.Planell，M.Navarro.High－resolution PLA －based composite scaffolds via 3 － D printing technology[J].Acta Biomaterialia，2013，9(11):5521 －5530.

[20] Marissa Fessenden.3 － D printed windpipe gives infant breath of life[N].Nature News，2013 －05 －28.

[21] Larry Greenemeier.Scientists use 3－D printer to speed human embryonic stem cell research[N].Nature News，2013 －02 －05.