3D打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的研究進展

管吉，楊樹欣，管葉，高磊

1.中國人民解放軍第三零二醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程保障管理中心, 北京 100039；

2.中國人民解放軍總醫(yī)院 門診眼科，北京 100853

3D打印起源于20世紀80年代美國軍方的快速成形技術(shù)，與傳統(tǒng)成形技術(shù)有著本質(zhì)差別。對多數(shù)人而言，3D打印還是一個新生事物，但它的出現(xiàn)使傳統(tǒng)制造業(yè)發(fā)生了顛覆性變革，已成為引領(lǐng)未來全球制造業(yè)發(fā)展的新趨勢。本文主要從實現(xiàn)方式、發(fā)展歷程及其在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用方面闡述3D打印的研究進展。

1 3D打印及其實現(xiàn)方式

3D打印是依托于信息技術(shù)、精密機械以及材料科學(xué)等多學(xué)科發(fā)展起來的尖端技術(shù)，又稱為“快速成型”技術(shù)或“增材制造”技術(shù)，主要通過電腦創(chuàng)建的三維設(shè)計圖對材料進行分層“打印”疊加，最終整體成形。3D打印實現(xiàn)方式主要有立體光刻成型、熔融沉積成型、選擇性激光燒結(jié)成型等[1-5]。

（1）立體光刻成型（Stereolithography）。先由軟件把3D數(shù)字模型“切”成若干個平面，形成多個剖面；再由紫外線激光經(jīng)一個周圍有液體槽（槽里面充滿可以被紫外線照射固化的液體）并可以舉升的平臺從模型的剖面底層開始進行照射固化；底層固化后，平臺下移，開始固化下一層；如此往復(fù)，直到最終成型[1]。

（2）熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）。材料經(jīng)高溫熔化成液態(tài)，然后通過噴嘴擠壓出許多很小的球狀顆粒，這些顆粒在噴出后會立即固化，固化的顆粒在立體空間進行排列組合最終形成實物。

（3）選擇性激光燒結(jié)成型（Selective Laser Sintering，SLS）。將3D模型薄片化后放置在充滿待燒結(jié)的材料粉末的容器內(nèi)；再采用大功率的二氧化碳激光從最底層的3D切片開始進行燒結(jié)；接著平臺下移，材料輥在已燒結(jié)部分上再鋪上薄薄的一層材料粉末進行燒結(jié)；如此往復(fù)，直到整體成型。

2 3D打印機的發(fā)展歷程

1984年，查爾斯·赫爾研制了3D打印技術(shù)并于1986年獲得專利，將其命名為立體光刻技術(shù)，成立了3D Systems公司。1987年，DTM公司開發(fā)了SLS技術(shù)，并進行了商業(yè)化應(yīng)用。1988年，克倫普研發(fā)了FDM技術(shù)，翌年成立了Stratasys公司。1991年，Helisys公司售出了第一臺分層實體制造（LOM）系統(tǒng)。1992年，Stratasys公司售出了首批基于FDM的“三維建模”機器。1993年，麻省理工學(xué)院獲得了“三維打印技術(shù)”專利，該技術(shù)類似于二維打印機中使用的噴墨印刷技術(shù)。1995年，麻省理工學(xué)院研發(fā)了粉末層和噴頭3D打印（3DP）技術(shù)。1996年，3D Systems公司推出“Actua 2100”快速成型機；同年Z Corporation推出“Z402”并首次冠以“3D打印機”的稱謂。2005年，Z Corporation推出市場上第一臺高精度彩色3D打印機“SpectrumZ510”。2006年，RepRap開放源碼項目啟動，旨在開發(fā)能進行自我復(fù)制的3D打印機。2008年，Objet Geometries公司推出有史以來第一個能夠同時使用幾種不同材料的3D打印機“Connex500”快速成型系統(tǒng)[6-7]。Object Geomatries公司于2007年發(fā)布了Polyjet矩陣技術(shù)，其打印設(shè)備，見圖1。其技術(shù)原理是噴射超薄層的光固化物，最薄層只有16 μm，并且其噴射材料有多種。

圖1 Polyjet矩陣打印設(shè)備

3 3D打印在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

（1）制作下顎骨。采用3D打印技術(shù)，世界上首次完成了完全使用定制植入物代替整個下顎的制作過程。與傳統(tǒng)制作方法相比，3D打印耗費的材料更少，生產(chǎn)時間更短，往往只需數(shù)小時便可以制出一只下頜骨[8]。為了避免排斥反應(yīng)的發(fā)生，科研人員在制作完成的下頜骨上涂上了生物陶瓷涂層。技術(shù)人員可根據(jù)移植患者的具體需求來設(shè)計骨骼部件的效果圖，然后利用高精度鐳射槍來熔解鈦粉，并將他們一層層地噴涂疊加起來，最終制作出立體人造骨骼部件成品。整個過程不需要任何膠水或粘結(jié)劑。科研人員們已經(jīng)成功為一名83歲的老婦人植入了經(jīng)3D打印制成的下頜骨[3]。

（2）打印外骨骼。3D打印現(xiàn)在已經(jīng)進軍體外骨骼打印，旨在輔助殘疾人士與肌肉萎縮人士提升行動能力。經(jīng)3D打印制作的輕量級體外骨骼可以輔助用戶站立及走動。

（3）打印細胞。科學(xué)家已經(jīng)使用人類細胞經(jīng)3D打印制作出了世界上第一個人造肝臟。研究人員開發(fā)出了基于瓣膜的細胞打印過程，可以按特定的模式打印細胞。細胞打印過程中的關(guān)鍵在于打印機噴嘴，噴嘴用力必須輕柔，以保護細胞和組織的生命力。赫瑞瓦特大學(xué)開發(fā)了一種基于瓣膜的雙噴嘴打印機，能夠打印高度活細胞如用于組織再生的人體胚胎干細胞[6]，其細胞打印系統(tǒng)方案圖，見圖2。

圖2 細胞打印系統(tǒng)的方案圖

（4）打印活體組織。研究人員日前創(chuàng)造出一種水滴網(wǎng)絡(luò)，能夠模仿生物組織中的一些細胞特性。利用一臺3D打印機，研究小組可將小水滴組裝成為一種類似膠狀物的物質(zhì)，它能夠像肌肉一樣彎曲，并能夠像神經(jīng)細胞束一樣傳輸電信號，可用于修復(fù)或緩解器官衰竭。這一技術(shù)應(yīng)用在醫(yī)療領(lǐng)域有望能夠合成人造組織或器官模型。

（5）打印血管。聯(lián)合3D打印技術(shù)和多光子聚合技術(shù)，人們已成功打印出人造血管[2]。通過這一過程打印出來的血管可以與人體組織相互“溝通”，不會發(fā)生器官排斥，且可以生長出類似于肌肉的組織。該研究成果將有望用于人體試驗和藥物測試。

（6）打印器官。科研人員采用3D打印技術(shù)配合人體自身細胞，使用加入細胞混合物凝膠的可生物降解腳手架，逐層構(gòu)建出了腎臟。這項技術(shù)還幫助一個孩子成功移植了人工膀胱[2]。此外，利用CT掃描等醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，3D打印機還可以采用丙烯酸樹脂制作出半透明的器官模型，從而幫助外科醫(yī)生了解器官內(nèi)部結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)腫瘤放療效果的可視化。美國科學(xué)家成功利用3D打印技術(shù)制作出了能夠精確復(fù)制疑難并發(fā)癥患者的心臟解剖結(jié)構(gòu)的人體心臟模型，用于醫(yī)生術(shù)前研究患者心臟結(jié)構(gòu)[7]。

（7）治療癲癇。日本科研團隊研發(fā)了一種新的光固化三維打印材料，這是一種具有高導(dǎo)電性的新型樹脂，可應(yīng)用于制作包括3D碳電極的燃料電池或生物傳感器的接口。其最有前途的應(yīng)用是制作可與大腦連接的3D微電極，大腦中的神經(jīng)可以通過3D微電極的接口進行互連，從而發(fā)送或接收來自神經(jīng)元的電信號，可用于進行深部腦刺激和相關(guān)疾病如癲癇、抑郁癥、帕金森氏病的干預(yù)及治療。這項技術(shù)目前仍處于實驗階段[9]。

（8）胎兒塑像診療。倫敦超聲波中心是英國第一家提供3D服務(wù)的診所。針對懷孕＞24周、身體狀況穩(wěn)定的母親，可用超聲波探測其子宮中的胎兒，記錄出各種數(shù)據(jù)；再運用3D掃描技術(shù)對這些數(shù)據(jù)進行處理從而模擬出胎兒的雛形；最后用黃銅將模型澆鑄出來。這項技術(shù)有助于胎兒先天性缺陷的探測。

（9）打印支氣管。醫(yī)務(wù)人員利用3D打印機，采用生物材料制作出了一個可在氣道中開辟通道的夾板，成功挽救了一名支氣管軟化的嬰兒。

（10）打印頭骨。3D打印技術(shù)憑借優(yōu)異的可定制性成為骨科領(lǐng)域的寵兒。美國當(dāng)?shù)氐尼t(yī)療機構(gòu)正試圖將3D顱骨打印引入到臨床治療中。目前打印材料還未正式被美國食品藥物管理局（FDA）批準，如果材料申請能夠通過，那么預(yù)計會有75%的顱骨外傷患者接受相關(guān)修補手術(shù)[9]。

（11）減少癌患負擔(dān)。通過在3D打印機中加入裝有化學(xué)藥品的容器，3D打印機可合成用戶所需藥品。這將大大降低藥品制作成本，減輕患者負擔(dān)。

4 結(jié)語

作為一項具有開創(chuàng)性意義的技術(shù)，3D打印必將對整個醫(yī)療行業(yè)產(chǎn)生深遠影響。目前，全球每年等待器官移植的患者數(shù)量驚人，很多患者因未能及時得到捐贈器官而死亡，而即便得到了捐贈器官，患者在接受移植手術(shù)后也會出現(xiàn)不同程度的排異反應(yīng)。而未來3D打印技術(shù)和克隆技術(shù)的完美結(jié)合則有望解決器官排異問題[9]。未來人們或許還可以利用3D打印直接修復(fù)身體上的一些傷口。此外，醫(yī)藥機構(gòu)還可以從3D打印的人體活體組織中提取大量翔實而準確的數(shù)據(jù)，有利于加速新藥品的研發(fā)進度。

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[6]張曙,金天拾,黃仲明.三維打印的現(xiàn)狀與發(fā)展前景[J].機械設(shè)計與制造工程,2013,43(2):1-5.

[7]劉凱,張學(xué)燕.3D打印機與CT三維重建的結(jié)合應(yīng)用[J].實用醫(yī)技雜志,2013,20(6):666.

[8]周燁,馬立敏,周霞,等.3D打印技術(shù)在下頜骨腫瘤中的應(yīng)用[J].海南醫(yī)學(xué),2013,24(23):3486-3488.

[9]高宏君.3D打印技術(shù)在器官移植中的應(yīng)用設(shè)想[J].器官移植,2013,4(5):256-257,303.