3D打印機在生物醫(yī)療領域的應用解析

從1988年第一臺3D打印機問世到如今,，3D打印似乎已經成為了一個炙手可熱,，耳熟能詳的名詞,，還被譽為是“第三次工業(yè)革命的重要標志之一”,。但是很多人對它的印象可能僅停留在“好像什么復雜的建材都能打印出來”的觀點上。但實際上,，在過去的十幾年里,，3D打印已不再局限于制造業(yè)，它在醫(yī)藥行業(yè)也擴展得十分迅猛，各項有前景的應用接踵而至,，這次本文便來簡單講講3D打印及其在醫(yī)藥行業(yè)中的應用狀況,。

第一臺3D打印機

一、3D打印的類型
3D 打印技術是20世紀80年代后期開始逐漸興起的一項新興制造技術,，它是指在計算機控制下,，根據物體的計算機輔助設計（CAD）模型或計算機斷層掃描（CT）等數據，通過材料的精確3D堆積,，快速制造任意復雜形狀3D物體的新型數字化成型技術 ,。
目前應用較多的 3D 打印技術主要包括光固化立體印刷（SLA）、熔融沉積成型（FDM）,、選擇性激光燒結（SLS）和三維噴�,。�3DP）等。

1,、立體光固化成型打印
立體光固化成型 SLA（stereo lithographyappearance）,，即用特定波長與強度的激光聚焦到液態(tài)的光固化材料表面，使之由點到線,，由線到面的順序凝固,，完成一個層面的繪圖作業(yè)。然后再移動光波至另一個層面,，層層疊加構成一個三維實體,。

2、熔融沉積成型打印
熔融沉積成型FDM(Fused DepositionModeling)工藝是通過將絲狀材料,，如熱塑性塑料,、蠟或金屬的熔絲從加熱的噴嘴擠出，按照零件每一層的預定軌跡,，以固定的速率進行熔體沉積,。每完成一層，工作臺下降一個層厚進行迭加沉積新的一層,，如此反復最終實現零件的沉積成型,。FDM 工藝的關鍵是保持半流動成型材料的溫度剛好在熔點之上 ( 比熔點高 1˚C左右)。其每一層片的厚度由擠出絲的直徑決定,，通常是0.25~0.50mm,。

3,、選擇性激光燒結打印
選擇性激光燒結法   SLS（Se1ected Laser Sintering）,，采用紅外激光器作能源，使用的造型材料多為粉末材料,。加工時,，首先將粉末預熱到稍低于其熔點的溫度，然后在刮平棍子的作用下將粉末鋪平 ；激光束在計算機控制下根據分層截面信息進行有選擇地燒結,，一層完成后再進行下一層燒結,，全部燒結完后去掉多余的粉末，則就可以得到一燒結好的零件,。

4,、三維噴墨打印
三維噴墨打印是通過將液態(tài)連結體鋪放在粉末薄層上，以打印橫截面數據的方式逐層創(chuàng)建各部件,，創(chuàng)建三維實體模型,。采用這種技術打印成型的樣品模型與實際產品具有同樣的色彩，還可以將彩色分析結果直接描繪在模型上,，模型樣品所傳遞的信息較大,。 三維噴墨打印的材料主要是一些高性能復合材料（高強打印粉）。目前,，三維噴墨打印機是市場上精度最高,，成型效果最好的高端打印設備。

二,、3D打印的優(yōu)劣勢
優(yōu)勢：
（1）打印精度高,。目前上市的主流3D打印機精度基本控制在0.3 mm以下，個別精度較高的可實現600 dpi的分辨率,，打印厚度只有0.01 mm,。
（2）生產周期短。3D打印可在數小時內快速精確地將計算機中的數字模型打印出來,。
（3）滿足個性化需求,。理論上講，3D 打印機能打印出計算機設計的任何形狀的模型,。
（4）節(jié)省材料,。3D打印因其增材制作的特性在生產中不會產生邊角料，通過摒棄生產線降低了成本,，提高了材料利用率,。

劣勢：
（1）打印精度受限。3D 打印技術發(fā)展到現在,，雖然有了很高的精度,，但還不能實現一些特殊精密產品的打印，如照相機鏡頭等,。
（2）使用材料范圍有限,。基于目前 3D 打印機的成型原理,，僅可使用金屬粉末,、無機粉料、光敏樹脂、塑料等,，像衣服纖維這樣的特殊材料還顯得無能為力,。
（3）打印尺寸受限。3D 打印應用范圍雖然廣泛,，但對軍工,、航空航天和航海等領域所需要的大尺寸零部件來說暫時還難以實現。

三,、3D 打印技術在醫(yī)藥領域的應用
隨著 3D 打印技術的發(fā)展和成熟,，它在醫(yī)學模型制造、組織器官再生,、臨床修復治療和藥物研發(fā)試驗等領域也得到了廣泛應用,。

1、 醫(yī)學模型制造
醫(yī)學模型在基礎醫(yī)學和臨床實驗教學中的用途十分廣泛,，用量也大,，但是用傳統(tǒng)方法制作醫(yī)學模型程序復雜、周期長,，在使用過程中極易損壞,。利用 3D 打印制作醫(yī)學教學用具、醫(yī)療實驗模型等用品不僅避免了上述問題的出現,，同時還可以根據實際需要對一些特殊模型實現個性化制造,。

而對于風險很大的手術，為了保證醫(yī)療手術的安全實施,，醫(yī)生會根據病變器官模型進行分析策劃以確定重要的手術方案,。利用 3D打印技術對材料進行精確控制的優(yōu)點可快速制備出高質量的器官模型，幫助醫(yī)生進行精準的手術規(guī)劃,、提升手術的成功率,，又方便醫(yī)生與患者就手術方案進行直觀的溝通。

舉例：
美國一家醫(yī)院成功地為一對連體雙胞胎嬰兒實施了頭顱分離手術,，其中引人注目的是手術前醫(yī)院采用了以色列Obeject公司的三維打印機制作出精確的連體頭顱,。據此進行了縝密的手術方案研究，使手術順利進行,，只用了22h,，而以往相類似的手術則長達72h。

連體頭顱模型

2,、 細胞的制備
近年來,，研究者已開始廣泛關注細胞的3D打印技術，如通過攜帶細胞進行3D打印而直接制備動物器官,、組織的方法,。此技術的優(yōu)點在于通過對加工過程的精確控制優(yōu)勢,，調節(jié)細胞在微觀尺度上的排列情況,，以實現對單個細胞的行為和細胞間的相互作用（細胞與細胞,、細胞與材料）進行控制，從而促進細胞形成具備各種功能的組織,，為醫(yī)療手術及術后恢復提供便利,。

3D打印的細胞生長成的皮膚狀片層結構

3、 3D打印組織器官
人體組織器官替代物一直是臨床醫(yī)學上的一個難題,，很多患者為此而喪失生命,，且人體組織器官代替物對材料的要求很高，實現難度大,。但隨著科學技術的發(fā)展,，3D 打印人體器官已經成為可能。

舉例：
加州大學圣地亞哥分校（UCSD）利用自行研制的數字光處理（DLP）3D打印機,，他們成功打印出了復雜的血管網絡,，而此網絡在被植入小鼠體內后居然成功與后者的血管系統(tǒng)實現了融合，并且表現出了正常的功能,。

UCSD團隊利用3D打印的5毫米大的血管網絡

此外還可利用 3D 技術打印人體肝臟,、腎臟和特定細胞組織用于新藥測試，不僅可以真實模擬人體對藥物的反應,，得到準確的測試效果,，而且還能在很大程度上降低新藥的研發(fā)成本。

4,、3D打印植入物
3D打印技術用于制造骨科植入物,，可有效降低定制化、小批量植入物的制造成本,，且這種植入物能夠更好地融入人體,，改善對患者的治療效果。近年來,，醫(yī)療行業(yè)已越來越多地采用金屬3D打印技術來設計和制造醫(yī)療植入物,。

舉例：
澳大利亞聯邦科學與工業(yè)研究組織（CSIRO）、墨爾本醫(yī)療植入物公司Anatomics和英國醫(yī)生聯手,，為一名61歲的英國患者Edward Evans實施了3D打印鈦-聚合物胸骨植入手術,，這也是全球首創(chuàng)。之前這種植入物一般都會用純鈦制造,，新型胸骨植入物能夠比之前的純鈦植入物更好地幫助重建人體內的“堅硬與柔軟組織”,。

使用3D打印制造的鈦-聚合物胸骨

5、3D打印藥物
3D打印技術的優(yōu)勢在于個性化制備復雜結構,，因此用于制藥時可以實現劑量,、外觀,、口感等的個性化定制，同時因為3D打印的“藥片”可擁有特殊的微觀結構,，有助于改善藥物的釋放行為,，從而提高療效并降低副作用。

舉例：
美國制藥公司Aprecia成功地應用了3D打印技術,，將藥物的活性和非活性成分層層放置,，開發(fā)出了世界上第一個3D打印的藥品 —— Spritam（化學名為：左乙拉西坦），這是一種用于治療癲癇的藥物,。這種用藥物粉末打印出來的藥丸有著多孔的結構優(yōu)勢,，在接觸到水后能夠迅速溶解，能更快更好地發(fā)揮效力,，以應對突如其來的抽搐,。

Aprecia利用3D打印生產的SPRITAM（左乙拉西坦）片劑

雖然技術也需要繼續(xù)改進，在新材料領域也需要更多的研究,，但不可否認3D打印是目前藥物生產的一種可行方法,。但目前3D打印藥物最大的挑戰(zhàn)并不在于技術本身，而是監(jiān)管環(huán)境,。如果將藥品投放市場但沒有嚴格的監(jiān)管要求,，那么就很難保證它的安全有效性。

作為一項新興科技產業(yè),，3D 打印技術在醫(yī)療領域產生了深遠影響,，推動了醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)的快速發(fā)展。但目前來看,，3D打印醫(yī)用材料的各項技術仍未成熟,，若想真正實現3D打印大范圍運用在醫(yī)藥領域，還有一段很長的路要走,。但相信隨著3D打印技術在程序以及機械方面的快速發(fā)展,，機遇也會隨之出現。

來源： 醫(yī)學3D打印創(chuàng)新研究中心