【解析】3D打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的研究進(jìn)展

3D打印起源于20世紀(jì)80年代美國(guó)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。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(lái)全球制造業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)。接下來(lái)南極熊主要從實(shí)現(xiàn)方式、發(fā)展歷程及其在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用方面觀察3D打印的研究進(jìn)展。

3D打印及其實(shí)現(xiàn)方式
3D打印是依托于信息技術(shù)、精密機(jī)械以及材料科學(xué)等多學(xué)科發(fā)展起來(lái)的尖端技術(shù)，又稱(chēng)為“快速成型”技術(shù)或“增材制造”技術(shù)，主要通過(guò)電腦創(chuàng)建的三維設(shè)計(jì)圖對(duì)材料進(jìn)行分層“打印”疊加，最終整體成形。3D打印實(shí)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）立體光刻成型。先由軟件把3D數(shù)字模型“切”成若干個(gè)平面，形成多個(gè)剖面；再由紫外線激光經(jīng)一個(gè)周?chē)�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(tái)從模型的剖面底層開(kāi)始進(jìn)行照射固化；底層固化后，平臺(tái)下移，開(kāi)始固化下一層；如此往復(fù)，直到最終成型。
（2）熔融沉積成型。材料經(jīng)高溫熔化成液態(tài)，然后通過(guò)噴嘴擠壓出許多很小的球狀顆粒，這些顆粒在噴出后會(huì)立即固化，固化的顆粒在 立體空間進(jìn)行排列組合最終形成實(shí)物。
（3）選擇性激光燒結(jié)成型。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(kāi)始進(jìn)行燒結(jié)；接著平臺(tái)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(jìn)行燒結(jié)；如此往復(fù)，直到整體成型。

3D打印機(jī)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(zhuān)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(kāi)發(fā)了SLS技術(shù)，并進(jìn)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(tái)分層實(shí)體制造（LOM）系統(tǒng)。1992年，Stratasys公司售出了首批基于FDM的“三維建�！睓C(jī)器。1993年，麻省理工學(xué)院獲得了“三維打印技術(shù)”專(zhuān)利，該技術(shù)類(lèi)似于二維打印機(jī)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(jī)；同年Z Corporation推出“Z402”并首次冠以“3D打印機(jī)”的稱(chēng)謂。2005年，Z Corporation推出市場(chǎng)上第一臺(tái)高精度彩色3D打印機(jī)“SpectrumZ510”。2006年，RepRap開(kāi)放源碼項(xiàng)目啟動(dòng)，旨在開(kāi)發(fā)能進(jìn)行自我復(fù)制的3D打印機(jī)。2008年，Objet Geometries公司推出有史以來(lái)第一個(gè)能夠同時(shí)使用幾種不同材料的3D打印機(jī)“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(jiàn)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。
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(gè)下顎的制作過(guò)程。與傳統(tǒng)制作方法相比，3D打印耗費(fèi)的材料更少，生產(chǎn)時(shí)間更短，往往只需數(shù)小時(shí)便可以制出一只下頜骨。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(lái)設(shè)計(jì)骨骼部件的效果圖，然后利用高精度鐳射槍來(lái)熔解鈦粉，并將他們一層層地噴涂疊加起來(lái)，最終制作出立體人造骨骼部件成品。整個(gè)過(guò)程不需要任何膠水或粘結(jié)劑�？蒲腥藛T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。


（2）打印外骨骼。
3D打印現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)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(dòng)能力。經(jīng)3D打印制作的輕量級(jí)體外骨骼可以輔助用戶站立及走動(dòng)。

（3）打印細(xì)胞。
科學(xué)家已經(jīng)使用人類(lèi)細(xì)胞經(jīng)3D打印制作出了世界上第一個(gè)人造肝臟。研究人員開(kāi)發(fā)出了基于瓣膜的細(xì)胞打印過(guò)程，可以按特定的模式打印細(xì)胞。細(xì)胞打印過(guò)程中的關(guān)鍵在于打印機(jī)噴嘴，噴嘴用力必須輕柔，以保護(hù)細(xì)胞和組織的生命力。赫瑞瓦特大學(xué)開(kāi)發(fā)了一種基于瓣膜的雙噴嘴打印機(jī)，能夠打印高度活細(xì)胞如用于組織再生的人體胚胎干細(xì)胞，其細(xì)胞打印系統(tǒng)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(xì)胞特性。利用一臺(tái)3D打印機(jī)，研究小組可將小水滴組裝成為一種類(lèi)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(xì)胞束一樣傳輸電信號(hào)，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。通過(guò)這一過(guò)程打印出來(lái)的 血管可以與人體組織相互“溝通”，不會(huì)發(fā)生器官排斥，且可以生長(zhǎng)出類(lèi)似于肌肉的組織。該研究成果將有望用于人體試驗(yàn)和藥物測(cè)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(xì)胞，使用加入細(xì)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(xiàng)技術(shù)還幫助一個(gè)孩子成功移植了人工膀胱。此外，利用CT掃描等醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，3D打印機(jī)還可以采用丙烯酸樹(shù)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(shí)現(xiàn)腫瘤放療效果的可視化。美國(guó)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）治療癲癇。
日本科研團(tuán)隊(duì)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(shù)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(guò)3D微電極的接口進(jìn)行互連，從而發(fā)送或接收來(lái)自神經(jīng)元的電信號(hào)，可用于進(jìn)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(xiàng)技術(shù)目前仍處于實(shí)驗(yàn)階段。

（8）胎兒塑像診療。
倫敦超聲波中心是英國(guó)第一家提供3D服務(wù)的診所。針對(duì)懷孕＞24周、身體狀況穩(wěn)定的母親，可用超聲波探測(cè)其子宮中的胎兒，記錄出各種數(shù)據(jù)；再運(yùn)用3D掃描技術(shù)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)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(lái)。這項(xiàng)技術(shù)有助于胎兒先天性缺陷的探測(cè)。

（9）打印支氣管。
醫(yī)務(wù)人員利用3D打印機(jī)，采用生物材料制作出了一個(gè)可在氣道中開(kāi)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(guó)當(dāng)?shù)氐尼t(yī)療機(jī)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(guó)食品藥物管理局（FDA）批準(zhǔn)，如果材料申請(qǐng)能夠通過(guò)，那么預(yù)計(jì)會(huì)有75%的顱骨外傷患者接受相關(guān)修補(bǔ)手術(shù)。

（11）減少癌患負(fù)擔(dān)。
通過(guò)在3D打印機(jī)中加入裝有化學(xué)藥品的容器，3D打印機(jī)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(fù)擔(dān)。

4  結(jié)語(yǔ)
作為一項(xiàng)具有開(kāi)創(chuàng)性意義的技術(shù)，3D打印必將對(duì)整個(gè)醫(yī)療行業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)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(shí)得到捐贈(zèng)器官而死亡，而即便得到了捐贈(zèng)器官，患者在接受移植手術(shù)后也會(huì)出現(xiàn)不同程度的排異反應(yīng)。而未來(lái)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(wèn)題。未來(lái)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(jī)構(gòu)還可以從3D打印的人體活體組織中提取大量翔實(shí)而準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，有利于加速新藥品的研發(fā)進(jìn)度。

編輯：南極熊
作者：管吉，楊樹(shù)欣，高磊（中國(guó)人民解放軍第三零二醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程保障管理中心）管葉（.中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院 門(mén)診眼科）