3D打印醫學

周偉民 閔國全 李小麗

·述評·

3D打印醫學

周偉民 閔國全 李小麗

3D打印技術的個性化、精準化、遠程化等優點，特別適合于醫學領域的應用。本文介紹了3D打印技術的發展態勢、技術特征，以及在醫學領域的應用，包括體外醫學模型、定制化醫療器械、人工器官和組織等；同時，也對3D打印技術在醫學領域中的研究瓶頸和對策進行了闡述。

3D打印技術體外醫學模型定制化醫療器械人工器官和組織

當前，3D打印技術在國內外引起政府、產業界和研究者的廣泛關注。這種新興的數字化技術，有別于前兩次以蒸汽機與流水線生產的工業革命。3D打印技術可以使人們以更低的勞動力成本靈活地生產少量產品，從而使大規模的個性化生產成為可能，導致全球制造業的重大變革。

由于這項技術所蘊含的巨大應用前景，世界各國都在加緊布局3D打印技術的研發。2011年6月，美國宣布一項新政策，向3D打印產業支出2.8億美元，以提升美國在制造業上的領先地位；美國《時代》周刊已將3D打印列為“美國十大增長最快的工業”；美國科學與技術政策辦公室2012年3月頒布了《3D打印技術：現狀與機遇》專題報告，全面介紹了該技術的現狀與相關對策；2012年8月，美國著名智庫高德納（Gartner）公司公布了第17份年度《高德納新興IT技術顯示度周期特別報告》，報告共評估了1 900多種技術，而3D打印是其中發展最快的七種技術之一；歐洲多國政府也將3D打印技術作為新興制造技術；歐盟曾組織制定了3D打印技術的發展規劃，其規模遠遠超過美國。在歐盟FP7中，有20個項目聚焦于3D打印技術，經費達到1億歐元。德國的Fraunhofe研究所、芬蘭赫爾辛基大學、瑞典的IVF工業研究體、荷蘭TNO集團、英國的帝國大學、諾丁漢大學等參與了3D打印技術的研發工作；此外，澳大利亞針對本國豐富的礦產資源，制定了相應的3D打印產業技術路線圖，以期抓住革命性技術機遇，促進產品開發與利用、繁榮商業和增加就業機會；中國政府也在2014年863計劃中，設立了3D打印技術專項，聚焦于航天航空、模具領域的需求，力爭突破3D打印技術中的核心關鍵技術。各地方政府也設立了相應的計劃，以推動3D打印技術的研究。

1 3D打印技術的概念和原理

3D打印（3D Printing）技術，又稱“添加制造”（Additive Manufacturing）技術（也稱增材制造或增量制造）。根據美國材料與試驗協會（ASTM）2009年成立的3D打印技術子委員會F42公布的定義，3D打印是指一種與傳統的材料去除加工方法相反的，基于三維數字模型的，通常采用逐層制造方式將材料結合起來的工藝。3D打印技術的內容涵蓋了產品生命周期前端的“快速原型”（Rapid Prototyping）到全生產周期的“快速制造”（Rapid Manufacturing），以及其他所有相關的打印工藝、技術、設備類別和應用。目前，應用較多的3D打印技術主要包括光固化立體印刷（SLA）、熔融沉積制造（FDM）、選擇性激光燒結/熔化（SLS/SLM）和三維噴印（3DP）等。1986年，Charles Hull生產出第一臺SLA-250打印機并創立了3D System公司。同年，Scott Crump發明了另外一種3D打印技術——熔融沉積制造（FDM，Fused Deposition Modeling），并成立了Stratasys公司。這兩家公司已成為全球兩大主要的3D打印技術設備制造商。3D打印技術的主要類型如表1所示。

表1 3D打印技術的類型和屬性Table 1The classification and properties of 3D printing

1.1 光固化立體印刷（SLA）

該技術以光敏樹脂為打印材料，通過計算機控制紫外激光的運動，沿著零件各分層截面對液體光敏樹脂逐點掃描，被掃描的光敏樹脂薄層產生聚合而固化，而未被掃描到的光敏樹脂仍保持液態。當一層固化完畢，工作臺移動一個層片厚度的距離，然后在上一層已經固化的樹脂表面再覆蓋一層新的液態樹脂，用以進行再一次的掃描固化。新固化的一層牢固地粘合在前一層上，如此循環往復，直到整個零件原型制造完畢。該方法的特點是精度高、成品表面質量好、材料利用率高，可以成型復雜的零件。

1.2 熔融沉積制造（FDM）

該技術把絲狀的熱熔性材料(ABS樹脂、尼龍、蠟等）加熱熔化到半流體態，在計算機的控制下，根據截面輪廓信息，噴頭將半流態的材料擠壓出來，凝固后形成輪廓狀的薄層。一層完畢后，工作臺下降一個分層厚度的高度再成型下一層，進行固化。這樣層層堆積黏結，自上而下形成一個零件的整個實體造型。FDM成型的零件強度好、易于裝配。

1.3 選擇性激光燒結（SLS）

預先在工作臺上鋪設塑料、蠟、陶瓷、金屬或其復合物的粉末，激光束在計算機控制下，通過掃描器以一定的速度和能量密度按層進行二維數據掃描；固化后工作態下降一個分層厚度，再次鋪粉，開始一個新的循環，通過層層堆積獲得實體零件。該技術工藝簡單、打印材料選擇范圍廣。該技術特點：精度差、速度較快、材料強度一般。

1.4 三維噴印（3DP）

是一種利用微滴噴射技術的打印技術，通過噴射黏結劑將成型材料黏結，周而復始地送粉、鋪粉和噴射黏結劑，最終完成一個三維粉體的黏結，從而生產制成品。3DP與SLS工藝最大的不同是，3DP不是將材料熔融，而是通過噴頭噴出結劑將材料粘合在一起。隨著技術的發展，直接噴射出成型材料在外場下固化，成為這種工藝的新發展趨勢。3DP材料來源廣泛，包括尼龍粉末、ABS粉末、金屬粉末、陶瓷粉末和干細胞溶液等。

2 3D打印技術在醫學上的應用

美國技術咨詢服務協會Wohlers發布的2012年度報告指出，3D打印技術行業2011年的銷售額為17.14億美元，3D打印技術市場的年均復合增長率為29.4%；據預測，該行業市場規模到2015年將達37億美元，到2019年將增長到65億美元，醫學約占其中的15.1%。隨著醫學個性化需求的不斷擴大，3D打印技術在醫學領域的應用將快速增長。圖1和圖2分別顯示了3D打印技術的行業分布和主要應用功能的比例。2012年年底出版的《福布斯》雜志指出，3D打印技術在醫療領域的應用研究，已涵蓋了納米醫學、制藥，甚至器官打印。設想得更遠一點，未來或許能夠依賴3D打印技術以實現個性化醫療，減少甚至消除器官捐獻者短缺的問題。目前，3D打印技術在醫學領域的應用主要體現在以下幾個方面。

圖13D打印技術的行業分布Fig.1The industrial distribution of 3D printing

圖23D打印技術的應用分布Fig.2The distribution of the application in 3D printing

2.1 體外醫學模型

3D打印在醫學上的最直接應用，就是打印出各式各樣的器官或組織的3D模型。借助這些模型，能將器官或組織內部構造的細節逼真地顯示出來，將使醫學知識變得更為直觀明了。

新藥研究耗資大、周期長、風險高，是一個系統工程，涉及到分子生物學、生物化學、有機化學、計算機化學、藥理毒理學和臨床醫藥學等多學科協作。在新藥研究領域，革命性的新藥一般需要10~15年的驗證時間才能進入市場，投資成本大多超過100億美元。目前的藥物研究需要動物實驗和人體試驗，將來可以通過3D打印的模式器官來檢測藥物效果，不僅有利于縮短臨床藥物研發周期，還可能避免潛在的人體試驗損害，極大地節省新藥的研發費用。據英國《新科學家》周刊網站2013年4月23日報道，美國圣迭戈Organovo生物技術公司生產的0.5毫米厚、4毫米寬的微型肝臟，是通過逐層打印肝臟細胞和血管內壁細胞，打印了約20層。這種微型肝臟具有部分真實的肝臟生理功能，能合成白蛋白、膽固醇和名叫“細胞色素P450”的主要解毒酶。Parabon納米實驗室利用3D打印技術，研發了一種革命性的抗癌藥生產方法。

復雜的外科手術，往往需要進行演練，以確保手術的成功。3D打印技術所具有的優點能夠滿足構建3D模型的需求，在手術設計、操作演練和預后等方面具有廣闊的應用前景和極高的應用價值。這種技術已在整復外科、口腔科、眼科等領域中的顱骨修復、下頜骨修復整形等方面發揮了積極作用。

2.2 定制化醫療器械/組織工程

在助聽器、假肢制造、骨科手術個性化導板、人工關節、人工外耳和個性化種植牙等方面，3D打印技術已得到了廣泛應用。運用3D打印技術設計和制作的助聽器可滿足個性化需求。據報道，歐洲個性化助聽器的生產規模正在以30%的速度增加。利用3D打印技術制造出的假肢也更加符合人體工學，在歐洲使用3D打印的鈦合金骨骼的患者已經超過3萬余例。應用金屬打印制作的多孔鈦結構，生物學表面特性更加合理，具有輕量化，更加符合人體工程學，從而克服了傳統制造工藝的限制。

傳統牙齒修復過程費時費力、精度難以保證，返修率高，制作周期長。將3D打印技術運用到義齒修復中已經成為了牙科領域廣泛應用的技術，降低了義齒修復成本，縮短了制作周期。

2013年3月，美國OPM公司采用EOS P800機器打印出PEEK材料的骨移植物，已經獲得美國FDA的批準，并首次成功地替換了一名患者病損的骨組織。據專家預計，每種骨骼替代物市場規模約為5000萬~1億美元，由此可見其潛在的巨大市場和顛覆性的市場影響力。

2.3 人工器官和組織

生物打印是3D打印技術研究中最前沿的領域，是最具有價值的技術，可以直接“打印”出功能性的人體器官和組織。它利用干細胞為打印材料，按照3D打印技術制作，打印出來的組織會形成自給的血管和內部結構。美國圣迭戈Organovo生物技術公司已經成功打印出心肌組織、動脈血管等。愛丁堡赫瑞瓦特大學開發了一種基于瓣膜的雙噴嘴打印機，可打印活細胞，包括用于組織再生的首例人體胚胎干細胞打印。所研發的3D打印機配有兩個“墨盒”，一個裝著浸在細胞培養基中的人體胚胎干細胞，另一個只有培養基。通過控制實現精確打印速度和墨水流量。結果表明，打印后24 h，95%以上的細胞仍然存活，顯示打印過程未殺死細胞；3 d后，超過89%的細胞存活，并且仍具有分化能力。

3 3D打印技術在醫學領域中的研究瓶頸和對策

3.1 研發中存在的瓶頸

3D打印技術在醫學領域已經取得了重大進展，但有關材料、設備和軟件等方面的問題依然存在，具體表現為以下幾個方面。

3.1.1 3D打印材料

耗材是影響3D打印無法廣泛應用最關鍵的原因。目前開發的材料主要有塑料、樹脂和金屬等。3D打印技術要在更多的領域實現應用，必須開發更多的可打印材料，應深入研究加工—結構—屬性之間的關系，了解材料的局限性和優點，開發質量測試程序和方法，建立材料性能數據的規范性標準等。

3.1.2 價格

目前，3D打印不具備規模經濟的優勢，材料價格高昂是主要障礙之一。打印材料價格從幾百元到幾千元不等。對于適合人體特性的金屬材料如鈦合金，其金屬粉末價格更是高達每千克2 000元左右，而且打印機的價格從數萬元到上千萬元不等。

3.1.3 知識產權的保護

3D打印技術的意義不僅在于改變資本和工作的分配模式，而且也在于它能改變知識產權的規則。該技術的出現使制造業的成功不再取決于生產規模，而取決于創意。然而，單靠創意也是很危險的，模仿者和創新者都能輕而易舉地在市場上快速推出新產品，使得知識產權的保護面臨全新挑戰。

3.1.4 生產技能

3D打印技術需要依靠數字模型來進行生產，大多數臨床醫生不會使用3D打印機，需要專門的技術人員把3D影像轉為可打印的3D數據并操作打印機。但隨著社會發展，未來越來越多的醫生都將能掌握一定的技術。而且企業也會提供一些簡單的產品，用戶不必學會3D設計技能就能制作模型，就像傻瓜相機的發展一樣。

3.1.5 政策因素

3D打印技術的研發需要大量的資金支持。相關的打印材料和打印成品亦需要政府相關部門的許可；并且，3D生物打印技術的革命性將帶來醫學倫理學方面的挑戰。

3.2 解決對策

針對3D打印技術的發展態勢和存在問題，我們認為必須聯合國內外優勢資源開展協同創新，共同攻克設備、材料等方面的技術難關，獲得并掌握核心技術。我們建議，從全產業鏈角度出發，設立規模化的3D打印醫學研發中心，具體內容包括以下幾個方面。

3.2.1 制定路線圖，支持3D打印醫學的新增長點

3D打印醫學產業鏈是一個巨大的系統工程，涉及到機械、電子、生物、材料和醫學等眾多學科。通過頂層設計，統一制定和組織實施3D打印醫學的技術和產業路線圖，避免重復投入，造成資源浪費。利用3D打印技術來支撐醫學轉型升級，支持企業提高產品開發及自主創新能力，利用3D打印技術培育醫學產業新的發展方向。

3.2.2 建立公共平臺，提高醫學的應用技術水平

設立“3D打印技術創新中心”，提供第三方3D設計、制造等技術服務。一方面為醫療市場提供服務，滿足醫療需求；另一方面，也可以充分了解醫學需求，盡快完成目標數據的積累和研究，培育并擴大3D打印技術的醫療市場。

3.2.3 營造應用環境，培育新的增長點

利用教育培訓資源，開展各類豐富多彩的教育培訓；設立3D打印創意產品和創意人才的競賽及獎勵機制，將3D打印的創意設計等納入科普教育、成人繼續教育、職業能力培訓計劃，以培養、發掘和鼓勵創意創新人才，形成良性的行業激勵發展氛圍；開展包括國際論壇、技術研討、市場交易等各種形式、不同層次的3D打印會展業務，吸引全球業內專家和市場人才，共同參與到3D打印技術的醫學領域的研發工作中來。

[1]上海產業技術研究院.3D打印技術趨勢對上海帶來的挑戰（上海市決策委報告）[R].上海:上海產業技術研究院,2012.

[2]Wohlers Associates.Additive manufacturing and 3D printing state of the industry[R].Annual Worldwide Progress Report,2012.（收稿日期：2013年11月15日；修回日期：2013年12月21日）

3D Printing in Medicine

ZHOU Weimin,MIN Guoquan,LI Xiaoli.
Shanghai Industrial Technology Institute,Shanghai 201203,China;Shanghai Nanotechnology Promotion Center,Shanghai 200237,China.Corresponding author:ZHOU Weimin (E-mail:zhouwemin@snpc.org.cn,zhouweimin@sjtu.org).

【Summary】The advantages of 3D printing including personalization,precision and long-range were suitable for its application in the field of medicine.In this paper,the development situation,technical characteristics and medical application of 3D printing(including medical model in vitro,customized medical instruments,artificial organs and tissue,etc) were introduced.Meantime,the research bottleneck and countermeasures of 3D printing in the field of medicine were expounded.

3D printing;Medical model in vitro;Customized medical instruments;Artificial organ and tissue

R319

B

1673－0364（2014）01－0001－04

10.3969/j.issn.1673-0364.2014.01.001

201203上海市上海產業技術研究院；200237上海市上海市納米科技與產業發展促進中心。

周偉民（E-mail：zhouwemin@snpc.org.cn，zhouweimin@sjtu.org）。