北工大陳繼民教授自述：醉心研究3D打印,，只因不忘初心

用3D打印技術(shù)助力精準(zhǔn)醫(yī)療,，造福于民


    我從博士畢業(yè)留校以來(lái),，一直從事激光快速成形技術(shù)的研究,，也就是現(xiàn)在的3D打印,。最近我們和有關(guān)單位配合,，剛剛完成了北京市科委的重大研發(fā)項(xiàng)目,，另外的一些項(xiàng)目也有一定的進(jìn)展。

    其中,，3D打印輔助腫瘤靶標(biāo)治療的項(xiàng)目今年已驗(yàn)收完畢,。在這個(gè)項(xiàng)目上，北京市大概投入經(jīng)費(fèi)800多萬(wàn)元,。我們組織了好幾家有關(guān)醫(yī)療單位和科研院所進(jìn)行聯(lián)合攻關(guān),，研制出腫瘤粒子植入輔助導(dǎo)板用的3D打印設(shè)備以及檢測(cè)設(shè)備，同時(shí),，這項(xiàng)技術(shù)在幾家醫(yī)院成功地進(jìn)行了臨床試驗(yàn),，取得了國(guó)家藥監(jiān)局的醫(yī)療注冊(cè)許可證，為今后將該技術(shù)進(jìn)行推廣奠定了基礎(chǔ),。

    這個(gè)項(xiàng)目的主要內(nèi)容是針對(duì)腫瘤靶標(biāo)植入手術(shù)中,，難于定位的問(wèn)題，利用3D打印技術(shù)打印出輔助手術(shù)的導(dǎo)板,。在進(jìn)行腫瘤粒子植入穿刺手術(shù)治療的過(guò)程中間,，根據(jù)腫瘤的大小和形狀設(shè)計(jì)出不同的醫(yī)療導(dǎo)板，進(jìn)而輔助醫(yī)生進(jìn)行手術(shù),，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位,、精準(zhǔn)治療。避免了以前采用傳統(tǒng)的放療方法中,，放射線(xiàn)在殺死腫瘤癌細(xì)胞的同時(shí)對(duì)人體的正常組織造成的巨大傷害,。采用這種方式，基本上可以做到定點(diǎn)清除腫瘤癌細(xì)胞,。這項(xiàng)技術(shù)在醫(yī)療單位里面經(jīng)過(guò)臨床試驗(yàn)取得了比較明顯的效果,。

    我們這項(xiàng)成果2016年2月也在美國(guó)舊金山召開(kāi)的國(guó)際SPIE大會(huì)上做了邀請(qǐng)報(bào)告，并進(jìn)行了詳細(xì)介紹,，得到了與會(huì)各國(guó)專(zhuān)家和學(xué)者的好評(píng),。主要是這項(xiàng)技術(shù)花費(fèi)比較少，效果好,，不像一般的腫瘤治療需要高昂費(fèi)用,。采用這項(xiàng)技術(shù),，可以大大降低手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)，提高手術(shù)的準(zhǔn)確性,。這種技術(shù)不僅在穿刺手術(shù)中可以用,，也可以推廣到其他需要精確定位手術(shù)中。所以我們也希望能通過(guò)媒體作進(jìn)一步的宣傳,，在更多的醫(yī)療單位進(jìn)行應(yīng)用,，造福于民。

    北工大研究涵蓋整個(gè)3D打印產(chǎn)業(yè)鏈,，謀求產(chǎn)業(yè)化

    北京工業(yè)大學(xué)的材料學(xué)科是國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科,，材料方面的研究有非常強(qiáng)的實(shí)力。前不久我國(guó)著名的材料專(zhuān)家周廉院士在北京工業(yè)大學(xué)的3D打印材料院士工作室也完成了揭牌,，標(biāo)志著我校正式進(jìn)軍3D打印材料領(lǐng)域,。目前，北京工業(yè)大學(xué)對(duì)3D打印技術(shù)方面的研究已包括從材料研究,、打印設(shè)備到打印工藝以及應(yīng)用等各個(gè)方面,，軟件方面也在開(kāi)展相關(guān)的研究工作，基本上涵蓋了整個(gè)3D打印的產(chǎn)業(yè)鏈,。我們希望能夠通過(guò)將這些研究成果不斷轉(zhuǎn)化,，全面帶動(dòng)和推進(jìn)3D打印技術(shù)在北京市的進(jìn)一步推廣，促進(jìn)北京市3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,。

    我們按照北京市的統(tǒng)一部署,，將3D打印領(lǐng)域的重點(diǎn)放在三個(gè)方面進(jìn)行研究：航空航天、醫(yī)療和文化創(chuàng)意,。我校作為北京市市屬唯一的一所211大學(xué),，理應(yīng)通過(guò)我們的工作，為北京的3D打印的發(fā)展添磚加瓦,，為首都的經(jīng)濟(jì)建設(shè),、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)貢獻(xiàn)一份力量。

    目前,，北工大在數(shù)字化醫(yī)療方面取得的一些成績(jī)也是離不開(kāi)大家的關(guān)心和幫助,，我們會(huì)一如既往的努力工作，爭(zhēng)取在未來(lái)有更大的突破,。下一步主要把工作重點(diǎn)放在推進(jìn)3D打印技術(shù)的應(yīng)用上面,。也就是說(shuō)把研究成果搬出實(shí)驗(yàn)室走向市場(chǎng)。這份工作任重而道遠(yuǎn),，需要方方面面的共同努力才能推進(jìn)。現(xiàn)在,，我們已經(jīng)和很多公司合作,。比如說(shuō)李寧體育運(yùn)動(dòng)科學(xué)研究中心,、國(guó)家老齡委以及有關(guān)的一些和醫(yī)療器械相關(guān)的公司。目的之一就是希望盡可能將研究成果盡快的推向市場(chǎng),，使更多的人從中受益,。此外，我們也積極與北工大校醫(yī)院進(jìn)行合作,，開(kāi)展口腔種植3D打印技術(shù)的應(yīng)用,。這樣可以降低我校教職工在口腔種植上的一些花費(fèi)和成本，為廣大教職工謀得一些福利,。和國(guó)家老齡委合作,，根據(jù)行動(dòng)不方便的老人不同要求進(jìn)行個(gè)性化鞋墊的3D打印定制。此外還和國(guó)家宇航局的合作等,，這些合作很多,。我們今后將還會(huì)與所有的有志于3D打印技術(shù)應(yīng)用的單位進(jìn)行密切的合作，把這項(xiàng)技術(shù)盡快的推廣,。

    北工大目前除了承擔(dān)北京市科委的一些項(xiàng)目以外,，還自主研發(fā)了一些用于3D打印的打印機(jī)，包括基于光固化DLP和光固化SLA的打印機(jī),。此外,，我們研制的金屬粉末直接成型的3D打印機(jī)樣機(jī)也已問(wèn)世。這些研究成果正在和有關(guān)的企業(yè)合作,，希望能夠盡快的把設(shè)備產(chǎn)業(yè)化,。其中在3D打印治療腫瘤的項(xiàng)目中，我們自主開(kāi)發(fā)的腫瘤治療導(dǎo)板成型裝備,，這個(gè)樣機(jī)目前已經(jīng)完成,，下一步主要是如何把它進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化。

    3D打印在醫(yī)療領(lǐng)域的四個(gè)應(yīng)用層次

    關(guān)于3D打印在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用有很多不同的層次,，我把它大概分成了4個(gè)層次,。第一個(gè)層次相對(duì)簡(jiǎn)單，即打印一些醫(yī)療模型,。這些模型根據(jù)CT或核磁共振成像采集的一系列二維圖像數(shù)據(jù),，通過(guò)3D建模、打印,，得到三維的組織模型,。這樣模型更具直觀性，醫(yī)生理應(yīng)這些模型和患者進(jìn)行交流的時(shí)候也更方便,。目前這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用沒(méi)有任何技術(shù)上的障礙,，但是由于涉及到一些費(fèi)用的問(wèn)題，要在國(guó)家物價(jià)部門(mén)陸續(xù)出臺(tái)的相關(guān)政策之后,，這個(gè)技術(shù)才有可能進(jìn)一步大規(guī)模推廣,。

    第二個(gè)層次是定制和打印一些輔助的醫(yī)療器械,，比如手術(shù)中的醫(yī)療導(dǎo)板。因?yàn)獒t(yī)生做手術(shù)是千差萬(wàn)別的,，由于病情不同,，患者不同，每一臺(tái)手術(shù)都有其獨(dú)特性,。醫(yī)生手術(shù)時(shí)希望針對(duì)該手術(shù)使用一些特殊功能的手術(shù)器械,。由于這種個(gè)性化定制的手術(shù)器械主要針對(duì)這一臺(tái)手術(shù)，用完之后就報(bào)廢了,，由于這種特殊性往往不需批量生產(chǎn),，所以傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式很難滿(mǎn)足。有了3D打印技術(shù)之后,，根據(jù)需求定制打印出一些具有特殊功能的手術(shù)器械就很容易實(shí)現(xiàn),，花費(fèi)也能接受，如手術(shù)種植導(dǎo)板以及骨科治療用導(dǎo)板,。然而這種應(yīng)用必須要求有醫(yī)學(xué)背景和醫(yī)學(xué)知識(shí)的人來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì),，這樣設(shè)計(jì)出的醫(yī)療器械醫(yī)生才覺(jué)得好用。

    第三個(gè)層次是個(gè)性化的植入體,，用于人體內(nèi)的骨組織修復(fù)等,。比如骨骼、關(guān)節(jié)等等,。這些還處于臨床的試驗(yàn)階段,，國(guó)家也會(huì)出臺(tái)一些政策來(lái)支持這項(xiàng)技術(shù)在醫(yī)療方面的應(yīng)用。我相信這些方面的應(yīng)用在未來(lái)會(huì)逐漸普及,。

    第四個(gè)層次,，即更高層次的應(yīng)用是生物3D打印。生物3D打印可以打印用于人體的功能性器官,，比如心臟,、肝臟、腎臟等,。因?yàn)槿梭w器官一旦損壞就不能靠自身的生長(zhǎng)修復(fù),，只能靠器官移植。而器官移植受供體少,、排異反應(yīng),、配型困難等限制。如果能從患者身上取出一些功能性器官細(xì)胞培養(yǎng)出來(lái),，然后再打印出需要的各種器官,，這樣就解決了供體和人體排異等問(wèn)題。目前,，這項(xiàng)研究雖然有一些進(jìn)展,，但是應(yīng)用到人體還有一段時(shí)間,。有人比較樂(lè)觀的估計(jì)是十年,，也可能更長(zhǎng)的一段時(shí)間,。但是不管怎樣，3D打印人體器官在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間會(huì)成為3D打印工作者尖端的研究課題,。

    3D打印數(shù)字化醫(yī)療將使人類(lèi)獲益

    我們知道數(shù)字化醫(yī)療和傳統(tǒng)手段不同,。所謂數(shù)字化醫(yī)療，就是我們可以通過(guò)CT,、核磁等數(shù)字化的手段把病灶和需要治療的部分在電腦中完全呈現(xiàn)在醫(yī)生眼前,，然后再在電腦中進(jìn)行規(guī)劃和治療。比起傳統(tǒng)的采用經(jīng)驗(yàn)的方式來(lái)治療,，它可以節(jié)省大量的醫(yī)療資源,，同時(shí)治療的精準(zhǔn)性、有效性也將大大的提高,。數(shù)字化3D打印在醫(yī)療中的應(yīng)用將會(huì)給醫(yī)療領(lǐng)域帶來(lái)極大的變革,。有了這項(xiàng)技術(shù)，廣大人民群眾也可以從中獲益,。

    以癌癥治療為例,，在治療腫瘤的過(guò)程中間，其實(shí)現(xiàn)在有很多種方法可以用來(lái)殺死癌細(xì)胞,。不管放療還是化療以及高溫藥物等都可以將腫瘤殺死,。問(wèn)題在于如何保證殺死癌細(xì)胞的同時(shí)不對(duì)正常人體組織產(chǎn)生影響或降低這種影響，這是比較困難的,，原因在于癌細(xì)胞是人體的一部分,，無(wú)論是藥物還是射線(xiàn)，都無(wú)法區(qū)分出正常細(xì)胞和癌細(xì)胞,。目前采用3D打印的方法基本上可以做到完全精準(zhǔn)的靶向治療,。當(dāng)然，這項(xiàng)技術(shù)還剛剛開(kāi)始,，有許多需要研究的地方,，我們也希望和更多的人合作來(lái)開(kāi)發(fā)和完善這項(xiàng)技術(shù)。

    復(fù)合型人才稀缺仍是3D打印醫(yī)療的困擾

    現(xiàn)在,，在生物醫(yī)療方面應(yīng)用的主要難題是人才的缺乏,。對(duì)于大夫來(lái)說(shuō)，他們專(zhuān)注于怎么樣進(jìn)行手術(shù)和治療病人,，而對(duì)如何進(jìn)行設(shè)計(jì)和根據(jù)需要打印出所需的手術(shù)器械或輔助工具比較困難,。而一般工程技術(shù)人員由于缺乏一些醫(yī)療方面的知識(shí)設(shè)計(jì)出的東西不好用或是大夫不愿意用。這就需要一種跨界的復(fù)合型人才,，既要對(duì)3打印方面有所了解又要對(duì)醫(yī)療方面有一些認(rèn)識(shí),。這樣設(shè)計(jì)出來(lái)的不管是模型還是醫(yī)療手術(shù)器械都好用,。所以我覺(jué)得問(wèn)題在于缺乏這樣的人才，因此我們北工大也在積極招生和培養(yǎng)3D打印方面的人才,，這需要一個(gè)過(guò)程,。因?yàn)?D打印在醫(yī)療領(lǐng)域有很大的市場(chǎng)空間。我們知道3D打印比較適合制作批量小且個(gè)性化的產(chǎn)品,。而在醫(yī)療領(lǐng)域,，病人和手術(shù)都具有特殊性。所以3D打印在醫(yī)療領(lǐng)域的市場(chǎng)是極其巨大的,，具有非常廣闊的前景,。

    我們現(xiàn)在萬(wàn)里長(zhǎng)征剛剛邁出了第一步，未來(lái)還有很多工作要做,。無(wú)論面對(duì)什么樣困難,，我們都會(huì)一如既往。我想就用一句話(huà)來(lái)結(jié)束：路漫漫其修遠(yuǎn)兮,，我將上下而求索,。謝謝。



陳繼民教授簡(jiǎn)介

    北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院博士生導(dǎo)師,，中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)激光加工專(zhuān)業(yè)委員會(huì)委員,，中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)特種加工專(zhuān)業(yè)委員會(huì)理事�,！都す馀c光電學(xué)進(jìn)展》雜志編委,，國(guó)際光學(xué)學(xué)會(huì)SPIE會(huì)員（會(huì)員號(hào)：00664755）。1986年,，1989年在華中科技大學(xué)機(jī)械工程系分別獲得學(xué)士學(xué)位和碩士學(xué)位,，2000年1-6月在德國(guó)從事合作研究，2001年北京工業(yè)大學(xué)光學(xué)工程專(zhuān)業(yè)獲博士學(xué)位,。2011年10月-2012年10月在美國(guó)紐約州立大學(xué)布法羅分校做訪(fǎng)問(wèn)學(xué)者,。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人承擔(dān)并完成了包括國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金以及北京教委項(xiàng)目在內(nèi)的多項(xiàng)課題,，發(fā)表論文120余篇,，其中SCI、EI,、ISTP檢索論文50余篇,。申報(bào)專(zhuān)利18項(xiàng)（10項(xiàng)獲得授權(quán)），獲得軟件著作6項(xiàng),，獲第16屆全國(guó)發(fā)明展金獎(jiǎng)1項(xiàng),，北京市科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，中國(guó)產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新獎(jiǎng)1項(xiàng)。研究領(lǐng)域包括：激光加工,、激光快速成型,、激光三維加工等。