淺談3D打印技術在醫療領域中的應用與發展

楊光 尹中凡

摘?要：目前，全球正經歷著第三次工業革命，將對制造業的發展產生深遠影響，其中一項具有代表性的技術就是3D打印技術，《時代》周刊也將3D打印列為“美國增長最快的十大工業”。近年來，國內的媒體、學術界、制造產業界也掀起了一場關注3D打印技術的潮流，各級政府也不斷出臺推動3D打印技術發展的政策與計劃。本文基于課程學習與文獻查閱中對3D打印的認識，著重介紹了3D打印技術的相關內容以及3D打印技術在生物醫療領域的相關應用，展望了未來的發展趨勢。

關鍵詞：3D打印;個性化;生物醫療;醫療器械

1 3D打印技術概述

3D打印技術又稱增材制造技術（Additive Manufacturing，AM）是通過CAD設計數據采用材料逐層累加的方法制造實體零件的技術，相對于傳統的“減材加工”方式，是一種“自上而下”材料累加的制造方式。3D打印技術基于離散/堆積的原理，利用計算機將成形零件的模型分解成一系列一定厚度的“薄片”，然后通過3D打印機從最底層開始由下而上逐層進行加工，最終疊加成實體零件。

根據3D打印所用材料及成形方式，主要可以分為熔融沉積成型（FDM）、立體光固化成型（SLA）、分層實體制造（LOM）、激光選區燒結（SLS）、三維粘結（3DP）、聚合物噴射（Polyjet）、金屬激光熔化成型（LDMD）、電子束選區熔化（EBM）等加工方式。

2 3D打印在醫療領域的應用

生物醫療領域是3D打印技術目前擴張最為迅猛的行業，3D打印技術可以為生物醫療提供更完善的個性化解決方案，生物3D打印技術將會促進再生醫學領域在人造活體組織和器官的研究。在個性化解決方案方面，主要的應用有3D手術預規劃模型、手術導板、3D打印植入物，以及假肢、助聽器等康復醫療器械。在再生醫學領域，研究人員在利用生物3D打印技術培養人造器官方面取得了值得肯定的進展。目前，3D打印技術在生物醫學領域主要有4大應用。

2.1 3D打印醫學模型

對于風險高難度大的手術，術前規劃十分重要，通過CT、核磁共振（MRI）等影像設備獲取患者的數據，是做醫生手術預規劃的基礎，但得到的醫學影像是二維的。如果將二維數據利用三維軟件轉成逼真的三維數據并通過3D打印機將三維數據直接打印出來，既可輔助醫生進行精準的手術規劃、提升手術的成功率，又方便醫生與患者就手術方案進行直觀的溝通。

2.2 3D打印制造醫療器材

手術導板是將手術預規劃方案準確的在手術中實施的輔助手術工具，在多個學科都有應用，例如：關節類導板、脊柱導板、口腔種植體導板，還有腫瘤內部內照射源粒子植入的導向定位導板等。3D打印導板是三維的，根據對患者骨骼的掃描數據生成，可以讓醫生獲得最真實的信息，從而更好地規劃手術，并且制造成本也不高，即便普通患者也負擔得起。

假肢、矯形器等康復輔具同樣具有小批量、定制化的需求，并且設計較為復雜，傳統數控機床在此方面受到諸多因素的限制，3D打印技術為制作個性化康復輔具提供了更合理的制造方法。

2.3 3D打印用于組織功能的產品

一些植入物是通過鑄造或傳統的金屬加工方法來制造的，需要首先制造出模具，對于只需要一件或者少量的植入物來說，單件生產成本十分昂貴，再加上具有生物相容性的植入物材料本身的高價格，骨科植入物的總制造成本很高，對于結構復雜的特殊植入物，傳統技術也難以實現。而3D打印技術用于制造骨科植入物，可以有效降低定制化、小批量植入物的制造成本，可以快速、便捷的制造出更多結構復雜的植入物。

很多牙科診所、實驗室已經引入數字化口腔技術，以提升效率、降低成本，結合了3D打印的數字化口腔技術為牙科行業帶來了精度高、成本低、效率高，以及符合規范化生產鏈相符的治療方法，利用3D打印技術制造患者牙齒模型可以用作模具并使用傳統方法輔助生產牙冠、假牙等。另一種作用與骨科、腫瘤手術3D模型類似，用來模擬、規劃手術過程，或與患者溝通手術過程。

2.4 3D打印活體組織和器官

之前提到的3D打印的定制化假肢、牙科、骨科植入物、助聽器外殼等醫療器械都屬于“初級階梯”使用金屬、塑料等非活體組織材料，而打印血管、軟骨組織這類單一的活體組織屬于“中級階梯”，3D打印的人工肝臟、心臟等人工器官則屬于“頂級階梯”。無論是人造血管、軟骨組織，還是肝臟組織、腎臟組織，其核心是特定類型細胞的分離（或定向誘導）及大規模擴增，而生物3D打印技術，在人工組織、器官培養過程更多承擔了三維形狀的構建，即讓人體細胞按照預先設計好的形狀來生長，因此人造器官、組織的發展更大程度上取決于生物技術的發展。

3 3D打印技術在生物醫療領域的優勢

3D打印技術具有自由成型的特點，能快速準確的制作出定制化的內植入物，不僅縮短了患者的等待時間，提高了治療效果，同時還解決了傳統通用內植入物修復時形狀不匹配，力學性能差的問題。

3D打印技術在制造多孔內植入物和有復雜圍觀結構的復雜內植物方面具有獨特的優勢。以上兩種內植物是解決普遍存在的應力屏蔽現象和生物活性低的問題的有效途徑。因此，3D打印技術在個性化的骨科修復手術與醫療器械的制造中具有重要作用。

與傳統生產不同，可以根據病人的需求使用3D打印機制造出特別的或定制的產品滿足治療要求。同時，患者所需的物品可以按需就近生產，并且零時間交付。這將最大限度的減少長途運輸的成本，節約急癥患者的救治時間。

4 總結與展望

在我國生物醫療行業中，3D打印技術已經在體外醫療器械制造和個性化永久植入物方面都有了一些應用，供產品設計的醫療模型和指導手術的導板裝置也已使用多年，但在生物3D打印方面，我國仍還處在實驗階段。

要促進3D打印技術在生物醫療行業的廣泛應用，還有以下幾點要做，一要鼓勵發展擁有自主知識產權的3D打印機和專用配套材料，二是加強計算機輔助設計人才的培養，三是政策上的支持，比如鼓勵使用并推廣這項技術，同時嚴控質量，包括完善醫療器械監督管理條例、加強行業管理和規范，鼓勵創新和臨床轉化。

參考文獻

[1]?盧秉恒，李滌塵.增材制造（3D打?。┘夹g發展[A].機械制造與自動化.2013

[2]?張慣石，翟為.三維打印技術及其在醫療領域的應用[J].中國醫療設備.2014

[3]?張學軍，唐思熠，肇恒躍，郭紹慶，李能，孫冰冰，陳冰清.3D打印技術研究現狀和關鍵技術[A].材料工程.2016

[4]?楊錦武.3D打印技術醫療領域的應用.2016

[5]?周長春，王科峰，肖占文，張興棟.3D打印技術在生物醫學工程中的研究及應用[J].科技創新與應用.2014