基于3D打印技術的生物醫學工程創新人才培養模式初探

陸真慧

摘要：生物醫學工程是一門工程技術與生物醫學相結合的新興邊緣學科。隨著教學改革的發展，急需發展創新型生物醫學工程人才培養模式。人類社會數字化時代的推進，通過將數字化技術與教學實踐相結合，已經成為現階段創新人才培養的新模式。3D打印技術作為數字化創新性技術之一，已經在工業、創意及醫學等領域進行廣泛應用。因此，將3D打印技術應用于生物醫學工程專業人才培養，可望打造新型人才培養模式，推動學科發展。

關鍵詞：3D打印技術;生物醫學工程;創新人才培養; 教學改革;實踐

引言

生物醫學工程是一門新興的綜合工程學、醫學及生物學的交叉學科，在近代高技術發展的基礎上，通過精密機械、射線技術、光學、近代物理學、力學、高分子化學、化學、微電子學、電子學與醫學結合發展起來的，它的發展進程離不開世界高新技術[1]。由此，生物醫學工程人才的培養在滿足社會人才需求的前提下，適應科學技術的發展進行重新人才培養至關重要。如何通過高新技術將理論教學與實踐相結合，探索一條創新型生物醫學工程教學模式具有重要的意義。隨著3D打印技術的不斷成熟發展，目前已被廣泛應用于工科及醫學領域的教學實踐中，通過結合3D打印技術探索新的教學模式是目前研究的熱點。本文通過探討3D打印技術在生物醫學工程課堂中的應用價值，旨在探索更適合時代發展的教學模式及方法，為培養創新型生物醫學工程人才提供新思路。

1 生物醫學中3D打印技術

傳統的醫學影像技術主要通過掃描人體組織的斷層圖像對疾病進行診斷及治療。但是由于缺乏組織或器官的立體構架，僅憑借醫者自身的醫學知識和經驗，往往會出現醫學誤診或漏診。每個患者由于個體差異，在藥物治療時僅僅通過傳統的藥物配伍或劑量的不斷嘗試，不可避免的會出現一些錯誤診療的可能。三維打印（Three Dimension printing; 3D）打印技術是基于計算機三維數字成像技術和多層次連續打印技術的一種新興應用技術。因其能將復雜三維結構數字化，并精確地打印成實物，有望解決一系列醫學、工程學、構建科學的問題，被譽為新的工業革命。目前已在生物醫學工程中廣泛應用，主要包括：教學及訓練模具、康復輔助支具、術前手術規劃模型、手術導板、細胞及組織工程支架和個體化植入物制造等[2]。

2 3D打印技術在生物醫學工程中的應用

2.1 康復輔助支具制造

康復輔助支具通常需要攜帶一些外支架來維持病變部位，傳統工藝制作的支架不能完美地貼合病人的活動需求。例如骨折需要石膏進行固定并維持病變部位的，但是石膏比較笨重，不利于攜帶。通過3D打印技術可以根據材料設計便捷、輕巧并且符合病人個體需要的輔助支具。

2.2 教學及術前規劃模型制造

主要用于教學訓練、醫療診斷及手術規劃。術前根據病人的病灶部位影像數據打印立體三維模型，使醫生能在手術前直觀手術部位的結構并做好手術規劃，盡量避開血管和神經，尤其是針對一些復雜部位的手術，避免手術風險、提高手術成功率、縮短手術時間，并且便于醫生與患者間的溝通。

2.4 術中導航模板制造

在手術固定等過程中通常需要手術導板進行輔助，以便更準確的定位。3D打印手術導板可以根據患者手術部位進行個體化定制，大大提高手術操作的安全性及精準度。

2.4 個體化植入體制造

由于創傷或疾病等造成的組織器官損傷，需要個體化定制進行精準治療。例如顱骨的缺損，需要根據。四川大學醫用生物材料工程研究中心基于羥基磷灰石生物活性陶瓷的骨誘導性，通過3D打印構建骨替代植入物，用于顱骨缺損修復，細胞可以通過3D網絡結構長入植入體中，形成新骨，并隨著羥基磷灰石的降解逐步被新骨替代。

2.5 細胞及組織工程支架打印

通過3D打印技術將活細胞和支架材料同時打印，構建個體化的活體組織或器官，用于組織修復及藥物篩選。例如我們前期利用軟骨細胞復合支架材料（海藻酸鈉及膠原水凝膠），通過3D打印技術構建了組織工程化軟骨，可以用于關節軟骨的缺損修復[3]。目前3D打印的肝臟、心臟組織、血管化結構及腫瘤模型已經成功構建用于個體化藥物篩選[4]。

3 基于3D打印技術的生物醫學工程人才培養措施

3.1理論與實踐相結合

基于“理論與實踐相結合”的培養模式，針對工科院校新工科背景下對于新興產業的需求及醫學資源嚴重缺乏的情況，通過3D打印的教學模具，可以方便老師更直觀的對人體的構造及疾病模型進行講述。而針對醫學院校學生，由于缺乏工學基礎，通過3D打印技術可以培養學生的實踐能力。以理論為基礎，開設相關課程及實踐平臺，在實驗課前重點講解理論知識，引導學生掌握3D打印技術的原理及其在生物醫學工程中的應用。并在實驗方法課的基礎上，設立小實驗，鍛煉學生通過查閱文獻及專業所學進行課題設計的能力，設計包括研究的背景及可行性分析、研究方法、研究內容等。同時，通過文獻學習引導學生善于通過生活中的規律或原理進行3D打印設計創意。例如，中國科學院上海硅酸鹽研究所基于蓮藕的微觀結構，通過3D打印技術制備了具有蓮藕垂直多孔結構的仿生材料引導細胞的遷移及血管形成，從而促進骨再生[5]。

3.2建立科研導師機制，引導學生興趣

依托3D打印實驗平臺，學院根據學生興趣方向，為其安排相應的導師，借助導師的項目研究，開發學生的創新思維能力，培養科學研究的興趣。導師作為良師益友，可以通過3D打印技術更好地帶領學生盡早接觸先進的科學技術，指導學生根據自己未來的發展目標制定相應的規劃。并在實施規劃過程中，通過3D打印技術的實踐引導學生不斷嘗試并反思，提高學生自身的執行力。

3.3 設立學術學分制，激發學生積極性

設置學期或學年3D打印先進技術學術學分的制度，并加入到“三好學生”及獎學金的評定標準。同時，每年設立“3D打印學術之星”項目供學生申請，并根據課題結題時評定“3D打印先進學術標兵”，更好地激發學生的主動性及積極性，使其能夠充分了解并學習3D打印技術。此外，可以增加3D打印學術交流及培訓，豐富學生的學識，在以后的工作中能夠結合實際開展工作。

3.4 加強實踐能力，開啟學生創新創業道路

通過校企合作，增加學生的見習機會，鍛煉學識科技創造能力。在“大眾創業，萬眾創新”的背景下，依托大學生創新創業項目及“互聯網+”平臺，將3D打印技術普及化，實現產業的快速孵化，提升3D打印技術在生物醫學工程應用領域的專業性及精準性，為企業及社會輸送創新型生物醫學工程人才，創建產學研一體的創新人才培養模式，以更好地服務地方經濟發展。

3 結語

科技是第一生產力，隨著科技強國的不斷推進，生物醫學工程作為多學科融合的新興學科，應該適應社會需求輸送科技創新型人才，助力科技興國夢。3D打印技術作為現代社會新興先進制造技術的代表，在生活及工作中不斷地普及化及智能化，通過將其融合到傳統的生物醫學工程人才培養模式中，有助于高校學生更深入的了解和掌握先進制造技術的前沿，靈活地將理論與實踐結合，激發學生創意，提升學生實踐創造能力，為社會有效培養并輸送先進的創新性生物醫學工程人才提供保障。

參考文獻：

[1]高原，劉洪運，張政波.醫院生物醫學工程的發展和創新[J].中國醫療設備，2010，25（06）：93-95.

[2]周長春， 王科峰， 肖占文，等. 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， 000（021）：41-42.

[3] Yang X， Lu Z， Wu H， et al. Collagen-alginate as bioink for three-dimensional （3D） cell printing based cartilage tissue engineering [J]. Materials Science & Engineering C Materials for Biological Applications， 2018， 83：195.

[4]常永泉. 3D打印技術在醫療領域中的應用[J]. 科技創新與應用，2017，000（008）：50-51.

[5] Feng C， Zhang W， Deng C， et al. 3D Printing of Lotus Root‐Like Biomimetic Materials for Cell Delivery and Tissue Regeneration [J]. Advanced Science， 2017， 4（12）.