上海大學(xué)快速制造中心主任、教授胡慶夕：生物3D打印可實(shí)現(xiàn)組織完美形態(tài)修復(fù)

5月29－31日,，由亞洲制造業(yè)協(xié)會、中國3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟,、英國增材制造聯(lián)盟等單位共同主辦的2013年世界3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)大會在北京中國大飯店隆重舉行,。國內(nèi)外600多位代表出席會議，就3D打印技術(shù)發(fā)展趨勢,、3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)化,、3D打印技術(shù)如何與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)結(jié)合等議題展開討論。

上海大學(xué)快速制造中心主任,、教授胡慶夕
　　以下為上海大學(xué)快速制造中心主任、教授胡慶夕演講實(shí)錄：
　　今天我主要是給大家介紹一下我們做的工作,，主要介紹幾部分,，一個是中心的情況介紹，背景,、意義,、國內(nèi)外的情況，以及后面的三個工作,。
　　我們中心是2001年和華東科技大學(xué)共同建立了快速制造工程中心,，我們中心目前3D打印的設(shè)備種類方面是最全的，工程應(yīng)用方面也是最成熟的,。所以,，我們一直致力于三維打印以及生物三維打印，以及快速模具這方面的研究和應(yīng)用,。我們在近十年的時間里,，做了數(shù)十萬的關(guān)于3D打印的產(chǎn)品，目前我們與上海第九醫(yī)院,、新華醫(yī)院等等都進(jìn)行了合作,。
　　從裝備來說，在測量裝備方面我們有17臺先進(jìn)的測量裝備,。在三維打印方面,，我們的裝備現(xiàn)在是有15臺，就差一個，現(xiàn)在沒有金屬粉末,，其他的各種全部都有了,，而且我們基本上是每種兩臺。這是我們的實(shí)驗(yàn)室,，包括數(shù)據(jù)處理,、3D打印、快速模具以及后處理的,。
　　在應(yīng)用方面,，包括在醫(yī)學(xué)上的，當(dāng)時這是上海的第一個兒科醫(yī)院,，當(dāng)時給連體嬰兒做的,，當(dāng)時在中央電視臺也做了報道，還有頭骨的,、汽車的儀表盤等等,。這是當(dāng)時美國一個公司在上海北外灘當(dāng)時要投標(biāo)建設(shè)一個樓房，這是我們做的各種客戶的產(chǎn)品,，這是摩托車,。
　　我主要介紹的是后面的部分，關(guān)于三維打印,，因?yàn)樵谖覀兊闹行�,，一部分是為企業(yè)的工程應(yīng)用服務(wù)，再一部分就是我們做的研究,。研究圍繞著生物制造方面,，或者叫生物三維打印，最早我們的研究是研究工藝,，用三維打印來做，就是現(xiàn)成的設(shè)備,。通過多年的研究開始發(fā)現(xiàn),，用現(xiàn)成的設(shè)備存在很大的問題，我們在后面會提到,。
　　前面的老師都已經(jīng)講了關(guān)于生物三維打印的意義,，我們從中也可以看出來，因?yàn)槲覀兏鞣N組織器官的障礙是我們?nèi)祟惤】档囊粋�主要危害之一,。再一個,，在前面西安電子科大的老師也講了，它在我們醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用是非常廣泛的,，這樣的病例也是非常多的,，存在的問題，我們一直在問，是不是有一天我們?nèi)祟惼鞴俚娜斯ぶ圃斐蔀榭赡�,？使眾多的由于疾病,、事故或者�?zhàn)爭導(dǎo)致的器官缺損這樣的患者能夠全部被治愈，后來出現(xiàn)了組織工程,，就是我們現(xiàn)在說的再生缺損組織修復(fù),。通過這種方式，三維打印最后要形成自身有功能的活體組織,，也就是永久性的替代,。再一個，按照組織的缺損形狀任意塑形,，實(shí)現(xiàn)完美形態(tài)修復(fù),。
　　我們知道，生物增材制造技術(shù),，就是我們現(xiàn)在說的生物三維打印,，它是伴隨著我們增材制造技術(shù)或者叫三維打印技術(shù)，逐漸形成一個全新的研究領(lǐng)域,。
　　從組織工程和生物制造技術(shù)進(jìn)行缺損的修復(fù),，能有效地解決一個自體的移植，因?yàn)槲覀冎�道用自己的骨或者是皮膚來修復(fù)自己,，那是創(chuàng)傷修復(fù)創(chuàng)傷,。生物三維打印的發(fā)展，要解決的就是這方面的問題,，所以它展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用空間,。
　　在國內(nèi)外的研究，生物三維打印技術(shù)設(shè)置的門檻比較高,，牽涉的技術(shù)比較多,，我們從這里可以看出，我們將各個學(xué)科的交叉,，實(shí)際上要解決的就是幾個方面的問題,，一個方面就是生物材料，再一個方面就是生物的建模,，以及包括它的制造和它的工藝,，要解決這方面的問題。通過這些問題的解決,，實(shí)現(xiàn)再生的結(jié)構(gòu)體,，就是現(xiàn)在說的細(xì)胞的打印，直接出來支架,，來修復(fù)我們說的骨骼,、軟骨,、血管、皮膚,，或者是心臟等等,。
在這個研究過程中，生物制造前面已經(jīng)講了,，主要包括這幾個方面,，層次上的術(shù)前的醫(yī)療模型，就像我們做的連體嬰兒,，那就是術(shù)前的醫(yī)療模型,，給醫(yī)生進(jìn)行分析使用的。再一種就是替代物的,，就是我們做的很多假體,。再往上走一個部分，就是我們現(xiàn)在說的組織工程支架,，可以降解的,。到現(xiàn)在開始做的一些研究，就是用細(xì)胞直接做器官,。
　　在生物建模方面,，國內(nèi)外現(xiàn)在都很多，實(shí)際上在這個方面做的最具有代表性,，就是比利時的Materialise公司,，我們一直在應(yīng)用它的軟件，在國內(nèi)也有從事這方面的研究,，我們在這方面也做了一些工作,，對稱缺損骨的模型，非對稱的等等,。
　　再一個是關(guān)于工藝方面或者設(shè)備方面,，一個就是基于我們?nèi)�維打印的再生支架這方面的制備，這方面的制備是成為國內(nèi)研究的一個焦點(diǎn),，美國,、新加坡、韓國,、德國等等都在做，包括國內(nèi)清華,、西交大都在做這方面的工作,，而且已經(jīng)取得了很顯著的成績。我們剛開始研究的時候,，基于三維打印的方法,，采用了不同的三維打印工藝,，比如說PLA、FDM等等,。我們知道,，雖然三維打印可以制造任意復(fù)雜支架的外形，但是它在形狀的精度很難實(shí)現(xiàn)200微米以下的微孔,，這是三維打印存在的缺陷,。當(dāng)然，隨著它制造的技術(shù)不斷地完善,，它可能會做更精細(xì)的零件,。在目前的情況下，對于微結(jié)構(gòu)形態(tài)存在很多技術(shù)的壁壘,，這是我們在使用現(xiàn)有的裝備在研究的過程中發(fā)現(xiàn)的,。
　　再一個，基于電紡絲的再生支架制備工藝,，美國,、韓國、意大利,、包括我們國內(nèi)都在從事這方面的研究工作,，我們也采用電紡絲運(yùn)用不同的材料進(jìn)行再生支架這方面的工作。再一種就是把這兩項技術(shù)組合,、綜合,，采用這種技術(shù)現(xiàn)在剛剛開始，從我們所查到的文獻(xiàn)看到,，像葡萄牙用FDM和電紡絲技術(shù)的結(jié)合,，韓國也是FDM和電紡絲的結(jié)合，用生物材料進(jìn)行這方面支架的制備,。我們將常溫擠出成型和電紡絲結(jié)合,，進(jìn)行再生支架的制備。這種制備是采用三維打印的方式,，主要是保證支架的性能,。我們利用電紡絲是彌補(bǔ)它的不足，就是微觀的結(jié)構(gòu),。
　　在這個方面,，因?yàn)槲覀冊谘芯康倪^程中，當(dāng)時我們沒有用電紡絲的時候,，開始出現(xiàn)一個宏觀支架的結(jié)構(gòu),，在進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)的時候發(fā)現(xiàn)細(xì)胞有的時候放進(jìn)去以后，它就自己放下沉積,，中間沒有能把它截住的地方,。這個微結(jié)構(gòu)的問題一直解決不了,。再一個就是細(xì)胞的組裝，國內(nèi)國外在這個方面做了大量的工作,，細(xì)胞組裝技術(shù)是得到了國內(nèi)外學(xué)者的重視,，擠出成型、電噴射成型等等,，已經(jīng)得到了這方面的認(rèn)可,。
　　再生支架的建模，因?yàn)槲覀兦懊婧芏嗄曜隽诉@方面的工作,，最早我們用的是上面那個,，就是說要用很多軟件來完成建模。這個在醫(yī)學(xué)上是很難實(shí)現(xiàn)的,，包括我們工程上的很多軟件都用到了,。到后來，我們就提出來要做下面這個,，基于醫(yī)學(xué)圖象的缺損骨再生支架建模方法,，我們就提出這樣一個架構(gòu)。再生支架在建立的過程中,，我們對它提出來一個就是它這個模型的特征,，一個就是外部的模型特征，這就是說拿一個缺損的形狀,，再一個就是內(nèi)部模型的特征,，它分為兩個部分，大家看到的很多就像搭架子一樣,，宏觀的結(jié)構(gòu)形狀,。還有一種是微觀的。宏觀結(jié)構(gòu)是可以通過建模實(shí)現(xiàn)的,，所以在這里面,，宏觀結(jié)構(gòu)我們利用的是三維打印，包括外形,，不可建模部分我們是用的電紡絲來完成這個工作,。
　　實(shí)際上我們建模在這里面要獲取缺損部分的模型。這一塊的建模剛才幾位老師都有很多介紹,，實(shí)際上就是通過建立一個單元的結(jié)構(gòu)圖,，然后組成一個外形形狀，進(jìn)行運(yùn)算,，接得到了這樣一個宏觀結(jié)構(gòu),。宏觀結(jié)構(gòu)的種類有很多，一種是大家看到的這種形式,，這是我們通過三維打印實(shí)現(xiàn)的微孔結(jié)構(gòu),。
　　這個結(jié)構(gòu)可以是圓柱體、球體等各種各樣的形狀,，你可以根據(jù)自身的需要去建模,，大部分建模都是圓柱形的，有60度的,，有90度的,，這是內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，醫(yī)學(xué)的三維軟件,。這是我們自己建的一個軟件,，這里面就包括剛才講的三個過程，CT數(shù)據(jù)過來,，然后進(jìn)行重建,，重建以后獲取缺損部位，然后再進(jìn)行微結(jié)構(gòu)的構(gòu)建,，微結(jié)構(gòu)是你自己可以輸入,，你要得到多大的結(jié)構(gòu)，他們之間的間距多大,，然后得到我們要的結(jié)構(gòu),。
這是一個非對稱的，因?yàn)槲覀冋f人是基本上對稱的,，對稱的建模方法基本上覆蓋了人體的90%多,，非對稱的只有很小一部分，我們?nèi)说闹虚g部位這一塊是非對稱的,，因?yàn)楫?dāng)這一塊缺損的時候,，你想利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，是沒有的,，你沒有辦法來獲取它的三維數(shù)據(jù),，這時候你要進(jìn)行一個非對稱的建模。
　　再一個就是關(guān)于三維打印復(fù)合成型部分,，在這個方面的研究,。一部分就是要用生物材料，有天然的,、有合成的,，以及有無機(jī)。關(guān)于生物材料,，我們在使用的時候,，大部分都是跟醫(yī)院在合作，得到醫(yī)藥總局批文的相關(guān)材料來進(jìn)行這方面的研究,。因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在用的一些材料都是醫(yī)院提供的,，我們在建的時候,，就是用三維打印和電紡絲技術(shù)進(jìn)行結(jié)合。這里我們的復(fù)合成型方法,，一種是低溫的擠出,，一個是熱熔的擠出，再一個是常溫的擠出,。材料黏度較小時使用電噴射,，材料有一定的黏度時就用電紡絲，這種技術(shù)在我們說的微納芯片的制造中,，覺得做出來以后太厚了,，但是在我們這兒，可能不是太厚,，微納芯片在用的時候,，他們跟我聊的時候就說到，這種技術(shù)他們在用的時候,，一直解決不了薄的問題,。這是我們建立的系統(tǒng)，這是我們自己開發(fā)的平臺,，這是第一代的,，第二代馬上就要出來了，現(xiàn)在我們用這個平臺給醫(yī)院做皮膚包括血管等等,，都是通過這個看上去不像樣的實(shí)驗(yàn)平臺來做,。這里面是用低溫水溶性的材料，這個是常溫的用的是水明膠做的質(zhì)量,，這個是同軸結(jié)構(gòu)的,，這個是梯度結(jié)構(gòu)的，因?yàn)槲覀冋f將來你要做軟骨,，中間是梯隊結(jié)構(gòu),，要研究梯度結(jié)構(gòu)的擠出，再一個是復(fù)合的,，可以看出來,，里面有密密麻麻的網(wǎng)格在里面，這底下就是做的一些細(xì)胞的培養(yǎng),。
　　我們后期要做一些工作,，也向大家匯報一下。一個是要擴(kuò)展應(yīng)用的領(lǐng)域,，完善這個方面的設(shè)備,，推動設(shè)計與制造一體化的裝備研究。在這個過程中，一個是我們復(fù)合工藝的血管,、器官等等相關(guān),，因?yàn)檫@個是跟兒科在做血管方面的研究。再一個,，復(fù)合工藝就是細(xì)胞打印,、組裝。再一個,，是將生物建模與設(shè)備集成，形成從CT直接過來,，出去的就是生物解體圖,，這樣一個過程，這是我們下一步要做的研究工作,。
　　最后,，用美國生物學(xué)家諾貝爾獎獲得者的一句話，用不了50年,，人類將能夠培育出人體的所有器官,。當(dāng)然，最后,，我們希望我們的研究能為人類的健康做出我們應(yīng)有的貢獻(xiàn),。來自中國3d打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟