上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)3D打印創(chuàng)新研究中心戴尅戎：個性化理念與3D打印

中國工程院院士、上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)3D打印創(chuàng)新研究中心主任戴尅戎：《個性化理念與3D打印》主題演講。

戴尅戎：我的題目是個性化理念與3D打印，這里面有兩個關(guān)健詞，一個是個性化，一個是增材制造。

   
先談一下背景。第一個背景，為什么我要強調(diào)個性化醫(yī)療？這跟3D打印有什么關(guān)系？
   
大家都知道，我們的關(guān)節(jié)有病以后現(xiàn)在有一個很好的辦法，就是做人工關(guān)節(jié)，把關(guān)節(jié)換掉，用一個金屬的把原來的骨頭換掉。這個是整個醫(yī)學(xué)發(fā)展，特別是骨科發(fā)展當(dāng)中二十世紀(jì)進步的一個很大的一個標(biāo)志，很多關(guān)節(jié)疾病都是這樣治療的。但實際上還有很多關(guān)節(jié)的疾病是得不到這樣的治療的，比如有很嚴(yán)重的畸形，往往有的時候我們的治療就很困難了。有的是一個巨大的腫瘤，腫瘤切除以后它有一個巨大的缺損，還有嚴(yán)重的不溶解，這些方面往往治療就產(chǎn)生了困難。所以有人就說，這張圖片天上和地上都是葉子，但是全世界找不到兩個葉子是完全相同的，樹葉如此，人如何？也是一樣，全世界人跟人完全一樣的即使是雙生的也不是。
   
所以在這種情況下，我們每年要做200多萬例的人工關(guān)節(jié)手術(shù)，每一個公司能給我們的只是四到五種類型，它要覆蓋200萬個病人，怎么覆蓋？所以在這方面就產(chǎn)生了很大的問題，所以要做到個性化就需要測量，要量的非常準(zhǔn)確，要進行設(shè)計，要進行計算機化，要省時間還要便宜，這是一個個性化的基本要求。
   
第二個背景，我們現(xiàn)在為什么行了呢？我們現(xiàn)在為什么能夠大談個性化了呢？這是很多工程學(xué)的進步，這個工程學(xué)進步首先是計算機技術(shù)的進步，比如CAD、CAM，這就是的，柔性制造技術(shù)也是的。3D打印以前叫做快速原型技術(shù)，它是打3D打印模型，我們可以根據(jù)病人的模型為每一個病人造一個人工關(guān)節(jié)。現(xiàn)在到了這個世紀(jì)以后我們又可以直接制造出來，我們設(shè)計了以后用不著再用減材制造技術(shù)去做，直接可以用增材制造技術(shù)去進行。因此我們有了一串一串從設(shè)計到加工，一直到使用的全過程鏈條，就這么形成了，所以我們也就逐步從去材制造環(huán)境慢慢進入到增材制造的環(huán)境。南極熊3D打印網(wǎng)編輯發(fā)布。
   
下面以關(guān)節(jié)為例，給大家舉一些例子。我們現(xiàn)在不需要模具了，可以在比較復(fù)雜的條件下完成很多東西，因此有人認(rèn)為增材制造是在蒸汽機、電腦、互聯(lián)網(wǎng)以后又一項非常偉大的發(fā)明，對我們的工作、生活都會有巨大的影響。
   
（PPT圖示）下面談一些在醫(yī)療上的具體應(yīng)用。這是目前九院的3D打印中心，在前面那一大段發(fā)展過程當(dāng)中，我們發(fā)現(xiàn)首先是發(fā)現(xiàn)了3D打印這么一個技術(shù)，然后不斷的創(chuàng)造各式各樣3D打印的機器。所以也就是說，在前面這一段發(fā)展中，在上一個世紀(jì)后半段的時候是一個3D打印的方法和設(shè)備以及材料的進步。從我們院涉及到的情況來看，我們大概在98年的時候就已經(jīng)開始用3D打印的快速原型技術(shù)進行假體的設(shè)計，做到個性化。到了13年的時候，我們開始拿到了國家食品藥品監(jiān)督管理局的批準(zhǔn)，批準(zhǔn)進行個性化定制的假體的生產(chǎn)。本來在03年以后從一張證變成三張證，從三張證變成六張證，個性化假體就得到了允許。再然后建立了3D打印的中心，這些中心直接到了醫(yī)院，3D打印機也開始進入了醫(yī)院。再往后金屬打印機出來了，以前用打印機打模型，然后用簡材制造的機器做實物�，F(xiàn)在像這樣的腫瘤病人，我們可以把他的圖象搞出來以后，前面是金屬打印機，前面是金屬打印的假體，后面是塑料打印出來的模型，根據(jù)這個模型來設(shè)計。所以現(xiàn)在打印到什么程度呢？內(nèi)心是實心的，而外表面是多孔的，為什么要多孔？輕了，重量輕了，另外骨頭能長進去，肌肉能長進去，血管能長進去，這樣有利于它跟周圍組織的整合。
   
（PPT圖示）白白的這個東西是一個導(dǎo)板，我們在手術(shù)前在模型上模型虛擬的一套手術(shù)技術(shù)，到了手術(shù)當(dāng)中能不能按照術(shù)前的方法去進行腫瘤的切除？因為如果切的跟術(shù)前設(shè)計不一樣，假體裝進去肯定是歪掉的，甚至不能安裝的，所以這又是用3D打印打印出來的導(dǎo)板，根據(jù)這個導(dǎo)板把腫瘤切下來，然后把假體裝上去，裝上去以后就達到了替代原來骨頭的目的。像這個病人是骨盆的并且，10個月之后他就能開車了，這個病人可以100%下蹲，兩邊是對稱的，分不清哪邊開過刀。
   
（PPT圖示）這個女孩子從小跳了18年，堅決不用拐杖，現(xiàn)在她要上大學(xué)了，到處找醫(yī)生。所以這個孩子來了以后，我很爽快，我說你不要再跑下去了，截肢。因為這個腿畸形很厲害，截肢之后我保證你兩年以后上大學(xué)，可以兩條腿走路。最后我們給她做了3D打印。她的畸形到處都有，而且膝蓋扭轉(zhuǎn)了60度，要轉(zhuǎn)過來需要把所有韌帶都切段，這樣關(guān)節(jié)就都壞掉了。所以最后簽了兩張知情同意書，第一張她愿意做這個手術(shù)，但是預(yù)知這個手術(shù)失敗。第二張同意書，如果在手術(shù)當(dāng)中失敗了她同意截肢。當(dāng)然很幸運，她最后做了手術(shù)矯正，當(dāng)然骨骼上面還有彎曲，不能再做了，因為太多補丁，定制的。所以這個孩子到了18歲以后，有生以來第一次在拐杖幫助下兩條腿下地走路，因此第二年她就考上了大學(xué)，因為她能上樓下樓，她就考上了大學(xué)。大學(xué)畢業(yè)以后她開始做一些教學(xué)的工作，然后到了泰國工作，那邊有很多孔子學(xué)院，她的英文很好。九年以后她結(jié)婚了，我們后面又給她做了一個手術(shù)，我們用的是記憶合金髖管器，把骨頭全部矯正了，所以九年以后她結(jié)婚了。我從來不參加人家的婚禮，也不參加葬禮，這個婚禮我去了。這就提出一個問題，如果九年以前這個孩子和她的媽媽同意我的意見截肢截掉，她有沒有今天這么愉快？所以科學(xué)的進步對每個人、對每個家庭都會有很多影響。我們可以用3D打印做各種體外的東西，這些體外的東西以前大家?guī)�上假板都不愿意出去，很難看，現(xiàn)在這種假體可以出去，它可以根據(jù)自己的設(shè)計變成世界上獨一無二的拐杖。這是病人為自己制造的假肢，他說這是世界上最漂亮的假肢、最輕的假肢、最便宜的假肢。
   
（PPT圖示）這個病人整個骨盆爛了一個大洞，也就是說哪怕定做的關(guān)節(jié)擺進去，它掉到洞里面去了。所以這種情況下用3D打印了一個骨盆的模型，跟病人實際模型一樣留一個大洞，就在這個模型上做設(shè)計，設(shè)計假體。這是在手術(shù)當(dāng)中清理出大量的黏性肉芽組織，最后做完手術(shù)，功能又重新得到了恢復(fù)。
   
（PPT圖示）這是更嚴(yán)重的腫瘤病人，腫瘤從骨盆蔓延到大腿上端，這是已經(jīng)比較后期的病人了。我們老規(guī)矩，用3D打印做了模型，然后做各種手術(shù)和假體的設(shè)計，在3D打印白顏色的導(dǎo)板下面把手術(shù)切除，然后用3D打印的假體裝在骨盆這一側(cè)，然后再接上骨骨側(cè)的假體，把這兩邊連起來。這是手術(shù)后一年半的情況，他也跟那個女孩子一樣，他現(xiàn)在有了自己的家庭，他已經(jīng)手術(shù)后將近四年，他說我現(xiàn)在什么都不想，就想有一個小孩子。所以我們用3D打印模型進行虛擬手術(shù)設(shè)計，然后用3D打印打印導(dǎo)板確定范圍，然后再用3D打印技術(shù)確定手術(shù)的組織，這些過程中任何細節(jié)都離不開3D打印。
   
（PPT圖示）這是頸椎高度腫瘤，這個腫瘤在病人入院以后哪怕晃一晃，或者在廁所里解大便的時候就可能發(fā)生錯位，一旦錯位就可能引起猝死，幾分鐘內(nèi)病人就可能死亡，所以這個病人面臨非常大的生命危險。他找到我們，怎么辦？首先這個手術(shù)難度太大，因為手術(shù)一碰就可能死在手術(shù)臺上。所以我們用3D打印假體確定這個刀怎么開，最后確定這個刀要分兩次開，第一次開后面，第一次開前面。開了刀如果很幸運把腫瘤拿掉而病人沒有死亡我們怎么補上去？讓上頸椎怎么樣重新得到重建？所以又給他設(shè)計了一個非常怪的，當(dāng)中是紅心的假體。結(jié)果我們確實做了手術(shù)，先做后面，再做前面。紅箭頭的地方骨頭都真到假體里面去了，也就是說，這個時候他就穩(wěn)定了，猝死的可能性就不存在了。三個月的時候他已經(jīng)能夠非常好的走路，能夠自然的下蹲，所以這個時候我們把手術(shù)以后的保護性的石膏給他解除了。我們一直跟他保持聯(lián)系，兩年以后突然聯(lián)系不上了，電話也打不通了，最后問了他家庭才知道他現(xiàn)在在船上，他不是去旅游，是在做船工，在船上做勞動，所以他到了亞洲、澳洲，其中左上角是美洲，是美國的海岸，所以他完完全全換了一個人。當(dāng)然我們對他的工作還是提出異議的，好象太重了一些。
   
（PPT圖示）這是一個肩部腫瘤，我們用3D打印技術(shù)打印出來，發(fā)現(xiàn)腫瘤交織在一起，因此這個手術(shù)非常困難。我們一個多學(xué)科團隊給他做手術(shù)，利用3D打印切除腫瘤，裝上假體。也就是說，在很多特殊病人當(dāng)中，我們進行診斷和開始治療設(shè)計就已經(jīng)依靠上了3D打印，最后依靠3D裝上假體。這個技術(shù)不僅僅限于骨骼，比如這是一個面部腫瘤，一個很大的腫瘤，我們進行設(shè)計，手術(shù)以后不僅把腫瘤切除，而且確保了兩個眼睛是基本對稱，這個病人還能夠走到社會上去。
   
（PPT圖示）這可能是我們所安放的腫瘤中最小的一個，手里面有8個骨頭，最當(dāng)中的是月骨，這個骨頭跟周圍的骨頭一起動這個手就可以動。他的月骨斷了，而且死掉了，死掉的骨頭怎么辦？我們用3D打印打一個，怎么設(shè)計的呢？把另外對稱的月骨做一個靜相，反過來就是這邊的，做好以后它比一個銅板還小，給病人安上去了。一個半月以后，它可以跟好手一樣旋轉(zhuǎn)，都能夠恢復(fù)了。
   
（PPT圖示）現(xiàn)在有人說4D、5D，5D是什么？我打了細胞，打了生長因子，這個細胞長成肌腱來了，我們能不能用3D打印打一個關(guān)節(jié)出來呢？我們做了一些嘗試，大家可以看到右下角軟骨的圖象，上面是軟骨，下面是軟骨下骨，這兩者之間界限畫不出一條線來，它是漸變的，這就是關(guān)節(jié)的表面。這兩種組織結(jié)構(gòu)、細胞類型、發(fā)育生物學(xué)、生物力學(xué)都不一樣，在3D打印的時候就打出一種是專門生產(chǎn)軟骨的兩種材料，打出一個支架來，然后專門生長骨頭的又有兩種材料，一共四種材料共同構(gòu)成了關(guān)節(jié)。上面一排種軟骨，中間是種骨頭的，底下的是套在一起的，我們把它養(yǎng)在老鼠身上八個多禮拜，養(yǎng)老鼠的意思是什么？將來我們可以養(yǎng)在人身上，養(yǎng)好了以后放在他自己身上去，這是一個活性的生物反應(yīng)器，這個生物反應(yīng)器可以幫我們養(yǎng)出一個關(guān)節(jié)，當(dāng)然也可以給我們養(yǎng)出一個腎臟或者是養(yǎng)出一個肝臟。
   
（PPT圖示）這是軟骨部分，非常逼真，都是健康的軟骨。這是骨頭部分，白顏色是3D打印出來的支架，現(xiàn)在開始第四個D在變了，紅顏色的東西是新長出來的骨頭，慢慢白顏色被吸收，紅顏色全部被取代，這就是第四個D。
   
（PPT圖示）這個上面是軟骨，下面是硬的骨頭，我們叫軟骨下骨，這之間界限也分不清楚，互相交織，非常逼真，這只羊走的非常好。下面是兩個研究生，一個是材料研究生，一個是醫(yī)學(xué)研究生，是他們兩個的合作。
   
現(xiàn)在由于疾病導(dǎo)致有很多患者是等肝臟的、腎臟的、角膜的，只有1—4/100人能夠得到滿足。所以這是一個很大的挑戰(zhàn)，我們?nèi)说膲勖�越來越長，健康狀況越來越好，但是有些人在等，所以這是一個死結(jié)，是解不開的。但是現(xiàn)在我們已經(jīng)開始有人做出耳朵來了，這個在九院做的最早，單單九院至少有10個以上耳朵全沒有的重新做出來了。有人做了虛擬的腎臟，還有人作出了心臟，還有做出了支氣管，支氣管在美國已經(jīng)有將近10個病例直接用在小孩身上了，國內(nèi)也有將近10個病例在不同的醫(yī)院用在小孩身上，都是先天性支氣管的異常。
   
所以不能不說這是一個偉大的事情，是一個非常偉大的事情。也就是說，再生醫(yī)學(xué)里面所面臨的我剛才講到的，缺乏臟器和組織的死結(jié)有可能因為3D打印和工程組織的結(jié)合而得到徹底的解決，這是我們的未來。
   
最后講一下我們的未來，現(xiàn)在開始越來越多領(lǐng)域引發(fā)研究、設(shè)計、生產(chǎn)，是流通的革命性變化。還有很多偏遠地區(qū)，我們有很多分院、分中心或者聯(lián)盟，我們也一樣建立了很多，這是一個非常好的互相幫忙的方式，在新疆有一個病人，可以通過遠程會診，我們給他設(shè)計好，給他做一個東西出來拿飛機運過去。有人說這太費事情，這邊傳過去，那邊用一個3D打印機在新疆打出來。這個無所謂，因為跑一趟也不要緊。但如果在飛船上面有一個螺絲釘斷了，是不是要派一個人送一個螺絲釘?shù)斤w船上去？應(yīng)該在飛船上有一個3D打印機，它可以打印出很多東西來。我們的技術(shù)展望，通過不斷的普及可以使得少數(shù)人掌握變成多數(shù)人掌握，甚至于變成每個人掌握。剛剛有電腦的時候，誰有那么多錢來買電腦？現(xiàn)在在城市里幾乎家家有電腦，甚至一家有三四個電腦，打印機會不會這樣？所以我們這些設(shè)備本來局限在工廠生產(chǎn)單位的，將來能不能進學(xué)校，能不能進醫(yī)院，能不能進家庭？所以3D打印我個人覺得確實它的發(fā)展是無限的，它的應(yīng)用能力正在不斷的擴大，它在制造業(yè)以及其他的行業(yè)也在不斷的提高，它的研發(fā)和市場鏈條越來越形成，所以出現(xiàn)了良好的競爭力，當(dāng)然它也不斷產(chǎn)生各種各樣的問題。所以在打印設(shè)備、技術(shù)成熟度以及怎么樣做到國產(chǎn)化，使得國產(chǎn)的設(shè)備和材料能夠占有一定的市場。我們的教育培訓(xùn)系統(tǒng)怎么樣把它完善化，現(xiàn)在我們派了幾個專人來組織創(chuàng)客中心，使得把它的技術(shù)推廣出去。當(dāng)然我們要做很多的監(jiān)測，要定規(guī)范，定生產(chǎn)的要求，這還有很多事情要做。
   
簡單做一個預(yù)測，3D打印本來是做模型的，然后直接制造了假體，制造了產(chǎn)品。我們本來只是把本來的一些制造技術(shù)加以補充，加以提高，現(xiàn)在替代，將來有很多增材制造可以替代簡材制造。我們的產(chǎn)量從小批量個性化，逐漸變成大批量個性化。所以現(xiàn)在我們提個性化那是個別人的事，但是我們做人工關(guān)節(jié)一年200多萬例，怎么個性化？所以怎么樣批量化的生產(chǎn)？所以將來在醫(yī)學(xué)上面3的P都要沾光，個體化、精準(zhǔn)化、皮肌化都要沾光，還要省時間、省錢。
   
第二是大規(guī)模制造，將來假眼睛，現(xiàn)在好的老師八周做一只，我們能不能3D打印？3D打印不需要8周，打印機很大，我們沒有必要一次打一個假眼睛，一次打一排10個行不行？如果行兩排就是20個，或者一次打60個假眼睛，這不就行了嘛。英國一個公司計算出來，平均一個鐘頭做150個假眼睛，而且效果可以跟最有經(jīng)驗的老師相媲美。
   
所以個性化定制將成為一個非常熱門的詞匯，現(xiàn)在已經(jīng)不是為個別人服務(wù)了，它的定制范圍是包羅萬象的，以不可思議的速度進入我們的生活，在各個方面，包括做眼睛等等。所以有各種各樣的APP橫空出世，我們就可以直接用它來打印東西，它會進入到每家每戶，而且價格在降低。所以我們可以通過打印得到一個高品質(zhì)的東西，而它的價格是平民的價格。
   
美國喬治華盛頓大學(xué)GV預(yù)測，改變未來的十大技術(shù)，就是大規(guī)模的定制。這個大規(guī)模定制是兩個技術(shù)捆在一起的，沒有3D就沒有Mass Customn，所以把這兩個技術(shù)捆在一起了，認(rèn)為是影響未來十大技術(shù)之二。
   
剛才講到4D、5D，剛才第一個女孩子就用了形狀記憶合金的產(chǎn)品，所以這當(dāng)中還有很多其他的D。
   
我們的輔助設(shè)備在提高，我們做很多手術(shù)的時候都需要用激光進行掃描，現(xiàn)在有一些掃描儀，掃全身只需要4秒鐘，全身掃出來給你數(shù)據(jù)10美元。這就可以完全普及了。
   
另外是很多的標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在我們總認(rèn)為是可以靜下心來寫標(biāo)準(zhǔn)的時候了，但是很多人認(rèn)為早就應(yīng)該寫標(biāo)準(zhǔn)了，不是現(xiàn)在寫標(biāo)準(zhǔn)的問題，比如日本，到現(xiàn)在沒有作出很多個性化的東西，但是它寫了很多標(biāo)準(zhǔn)出來了，個性化的髖、個性化的踝等等都寫出來了。現(xiàn)在我們國家是遍地的產(chǎn)品，但是標(biāo)準(zhǔn)沒有出來。
   
所以我個人感覺到，一旦用了3D金屬打印技術(shù)以后，看到了它的方便、簡潔、緊缺之后，就再也不愿意回到原來舊的服務(wù)方式中去了。
   
非常感謝大家。