周麗燕 李淑楨 張雅昳

近些年來，“3D打印”成為熱詞。日前，美國韋克福雷斯特大學再生醫學學院的研究人員宣布其利用新開發的3D生物打印系統打印出的人造耳朵、骨頭和肌肉組織，移植到動物身上后也能保持活性。

目前世界多個國家都對3D打印進行了密集的政策支持，我國出臺的《中國制造2025》規劃中，也將3D打印列入未來重點突破的十大領域之一。

隨著我國首個3D打印人體植入物——人工髖關節產品于2015年獲得國家食品藥品監督管理總局注冊批準，它在醫療領域的應用前景也愈發清晰喜人�！�3D打印”究竟是什么？它與醫學領域的加法又會給人類帶來什么呢？

3D打印助推醫療變革

有關統計數據顯示，我國每年150萬器官衰竭患者中，僅有一萬余人能夠得到器官移植，更多的人只能在等待配體的過程中使病情惡化甚至離世。為此，研究者們開發了很多替代方案，如使用動物來源的器官或人工制造的器官等。而3D生物打印機的出現，則有可能解決這方面的問題，從而延續病人的生命，提高他們的生活質量。

那么，什么是3D生物打印？

據中國科學院遺傳與發育生物學研究所相關負責人介紹，3D打印是一種快速成型技術，以數字模型為基礎，運用粉末或液體可黏合材料，通過逐層固化成型的方式來構建具有復雜結構的物體。而醫療3D打印，就是使用3D打印的方法成型生物材料，特別是細胞材料，用來制造人工的組織、器官，還有各種假肢、手術導板等一系列生物醫療領域的產品。它是3D打印研究中最前沿的領域。

現階段，醫療3D打印的應用主要包括：血管打印、細胞打印、組織工程支架和植入物打印、假體打印和手術器械打印。

隨著3D打印技術的迅速發展，甚至業內一度認為3D打印將引領第三次工業革命。由于醫療行業鮮有標準的量化生產，更是規避了3D打印的劣勢，率先在醫療領域獲得應用上的突破。

健康“私人定制”

中國工程院院士戴尅戎曾介紹了這樣一個案例：醫生通過提取一位患脂肪瘤女孩腿部的CT參數，將數據輸入3D打印機，并打印出女孩腿部的3D下肢骨骼的3D模型，最終幫助女孩雙腳直立。

無獨有偶，2015年末，一個全新的手術探索在北京大學人民醫院上演。骨腫瘤科主任郭衛教授和他的團隊歷經4個小時完成了“世界首例右骨盆巨大腫瘤切除3D髂骨假體重建術”，成為繼7月8日北京大學人民醫院完成的3D全骶骨假體重建術后又一創舉。

手術患者是來自長沙18歲的姑娘妞妞（化名），年初練舞時摔了一跤，繼而右側髖骨疼，最終被確診為骨肉瘤。由于摘除的腫瘤牽連的局部髂骨將妞妞的右側髂骨“攔腰折斷”，需要量身訂制假體進行再接，對假體的要求更加精準。為了達到“嚴絲合縫”的效果，郭衛團隊應用3D打印技術，精心設計，反復修改，讓“私人訂制”的局部髂骨更符合生物力學結構的功能重建。

“3D打印在個性化制造以及制備復雜結構的人體器官與組織上具有明顯優勢，產業前景非常好。”中國科學院上海硅酸鹽研究所生物材料與組織工程研究中心副主任吳成鐵研究員說。前不久，他帶領的研究小組首次提出將骨組織工程與光熱治療相結合的思想”。在制備用于治療與修復骨腫瘤缺損的光熱功能化的生物活性陶瓷支架的研究中取得了新進展。該研究通過3D打印技術制備出生物陶瓷與氧化石墨烯復合支架，在超低功率近紅外光下可使支架溫度迅速升高，且其光熱性能可控，在體外骨腫瘤細胞殺傷率達到90%。同時，該支架還能顯著促進骨間充質干細胞的增殖與成骨分化，并誘導體內新生骨組織的長入，從而賦予了3D打印生物陶瓷支架抗腫瘤和骨修復的雙功能性，在骨腫瘤的治療與修復中具有潛在的應用。

3D打印在臨床醫學的應用，簡言之，一方面通過患者病變部位掃描成像，利用3D打印機將二維圖像打印成3D模型，讓病人和醫生更為直觀地觀察與溝通，并根據模型反應的實際情況量身定做手術方案，保證手術精度；另一方面，通過3D模型，用特殊的生物“墨汁”打印活體細胞，在體外培育仿生器官及活體組織，再植入人體內。

在個性化消費的浪潮中，個體化健康方案無疑是一個大趨勢。美國毒理研究院院士康裕建認為，臨床醫學引入3D打印技術，開啟了“精準醫學”、“訂制健康”的時代。

3D打印醫療器械

導管是用來給病人或新生兒輸送營養物質的一個重要醫療裝置。當前市面上的導管只有固定的形狀和尺寸，生產定制導管對公司來說成本太高。而3D打印則可以解決這個問題。

美國東北大學機械和工業工程系副教授RandallErb開發了一個根據具體病人的具體情況打印特定導管的設備。這個新設備打破常規，通過改變磁場來改變合成材料的尺寸和形狀，從而為病人提供定制服務。合成材料是塑料和陶瓷的混合物，磁場可以改變陶瓷材料纖維的排布方式。在這個過程中，包被著氧化鐵的陶瓷纖維被磁化了。一旦形狀適當，這個纖維就會被放入液體塑料中，然后打印機就會打印出特定尺寸的導管。

3D打印與醫療設備的另一完美結晶是原型機的生產。原型機的概念是相對于量產機而言的。由于醫療對器械的要求非常高，生產商們往往希望盡早實驗設備的產品性能和使用壽命。越早生產出原型機，廠商就能越早改進原型機，繼而推廣使用新產品。有了3D打印，這一研發效率就大大提升了，設備生產商們通過3D打印技術快速、精準地制造出原型機，一方面利于量產前的改進，另一方面方便了監管部門的檢測和反饋。沒有3D打印的時代，這個周期是很緩慢的。

3D打印市場前景廣闊

中國3D打印技術聯盟預測，到2016年，中國3D打印機市場規模預測將擴大到100億元，是2012年的10倍，屆時中國將超越美國成為全球最大的3D打印機市場。

3D生物打印技術將被用于制藥、美容、食品、服裝等多個領域，徹底改變我們的生活。例如，未來的病人可以在自己家中利用標準化學品構建模塊，打印納米藥品，而他日常所吃的食物也來源于凝膠、明膠材料與脂肪等食品添加劑的混合打印，所穿的衣服則來自網絡下載模板后的量體打印。將來外科醫生們或許就將可以在手術中現場利用打印設備打印出各種尺寸的骨骼用于臨床使用。這種神奇的3D打印機已經被制造出來了，而用于替代真實人體骨骼的打印材料則正在緊鑼密鼓地測試之中。

在實驗室測試中，這種骨骼替代打印材料已經被證明可以支持人體骨骼細胞在其中生長，并且其有效性也已經在老鼠和兔子身上得到了驗證。未來數年內，打印出的質量更好的骨骼替代品或將幫助外科手術醫師進行骨骼損傷的修復，用于牙醫診所，甚至幫助骨質疏松癥患者恢復健康。

3D打印于2013年被列入國家863計劃，獲得了國家研究基金的支持。更為重要的是在2015年2月，由工信部、發改委和財政部聯合發布了《國家增材制造產業發展推進計劃（2015～2016）》，將3D打印提升到國家戰略層面，為產業的發展做出了整體規劃。有專家預測，如果3D打印的應用市場能夠打開，到2020年3D打印的市場有可能突破一千億元甚至兩千億元。