3D技術在生物醫學領域的應用

楊修遠

摘 要：3Dprinter，亦稱三維打印技術。其技術雛形出現于上世紀80年代中期，是一種快速成型的累計制造技術。從3D打印技術（3Dprinter）在當前開發應用的初步成效來看，未來人們可以將它廣泛應用在生物醫學領域。

關鍵詞：3D技術； 生物醫學領域； 應用

中圖分類號：TP18 文獻標識碼：A 文章編號：1006-3315（2013）08-003-001

一、3D技術（三維打印技術）的誕生

不同于很多人想象中的憑空造物，3D打印技術利用是一種“提升維度—累積”的思想。通常來說藝術家在二維尺度上創作繪畫作品，即長和寬兩個方向；雕塑作品則有三個維度，長，寬，高。3D打印技術的核心在于把一個立體的物體分割成無數層級，每個層級都是一副獨立的畫作。在打印機工作的時候，每一個層級都疊加于前一個層級之上，聚沙成塔，最終完成一個固態的立體的構件。

就結構上來說，一般的3D打印機與普通的噴墨打印機區別不大，都是有噴頭，墨盒，支架之類的組件，但是因為用來打印立體部件，大多數3D打印機還有一個可以上下移動的支持平臺，用來承載打印的部件。至于工作原理，則跟傳統二維打印機一樣，需要在電腦上設計一個模型（圖形），輸入之后才能打印出物體。現行的3D打印機輸入文件格式，包括stl，3ds，dxf，obj，wrl，zpr等等，其中要屬STL和WRL較為流行。打印機通過讀取文件中的橫截面信息，把“墨水”逐層打印出來。比較常見的墨水有粉狀或者液體狀兩種，對于兩種墨水，分別有兩種后續處理方法。就粉狀墨水來說，有粘合法：噴頭首先將粉狀微粒噴灑成一張圖案，然后用液態粘合劑進行黏合使其定型，然后再噴灑下一層，疊加于上一層。激光熔鑄法：用激光高能集中的特性對每一層粉狀顆粒進行加工，然后逐層累積成型。對于塑料產品，還可以使用液體墨水，首先噴灑一層液態的塑料物質，等凝固之后再噴灑下一層。目前市面上的3D打印機大多尺寸不大，不能加工超過700mm立方的物件。即使是世界最大的3D打印機也離制造大型工業構件為時尚早，最多只有1500mm左右。

二、3D技術（三維打印技術）的現狀

中國物聯網校聯盟將3D打印機稱作“上上個世紀的思想，上個世紀的技術，這個世界的市場?！边@種說法不無道理，單一噴頭的3D打印機對處理塑料，金屬，陶瓷甚至其他常見材料已是不在話下。有一些設計復雜的3D打印機則可以處理復合型材料，比如內層是金屬，外層是塑料；又或者幾種不同顏色的材料互相交織，打印出彩色的雕像。對于傳統工業，3D打印機的優點在于可以加工出精確的物件，比如高精度的小型金屬原件，或者是尺寸小但是復雜的工藝品甚至是食品。想要制作出更精細的產品，則必須滿足兩個條件，一是更加精確的三維掃描或者三維設計文件，二是減少每一層的厚度。任意一個條件都會加大制作的時間成本和材料成本。從目前來說，這些就注定了3D打印機還無法投入大規模生產，另一方面來說，需要大規模生產的構件并不要求很高的精度。

3D打印機與傳統打印機的最大區別在于材料。正是因為3D打印這項技術的先天定位，其在利用傳統材料制造物件的可開發性不大，取得的經濟效益有限。不過總體來看，3D打印技術還是有光明前景的，但是其應用性在目前來說，并沒有想象的那樣大。無論是在“墨水”的制造上，還是儀器的結構優化上，仍有許多技術壁壘需要攻克。

三、3D技術（三維打印技術）在生物醫學領域的應用

從3D打印技術（3Dprinter） 在當前開發應用的初步成效來看，未來人們可以將它廣泛應用在生物醫學領域。日常生活中，人們為各種各樣的病痛所困擾，尤其是因為某些原因導致器官性缺損的病人，若骨頭壞死被截肢，器官病變被切除等等。眾所周知，經受器官移植手術的病人在術后，必須不間斷的服藥以減少自身免疫器官對外來移植器官的排斥作用，這給病人帶來極大的痛苦和損傷。由于器官的結構和功能較為復雜，所以結構比較單一的骨骼成為打印的首要目標。日前，北京大學第三醫院骨科專家劉忠軍教授帶領的團隊在征得病人同意之后，在脊柱及關節外科領域研發出3D打印脊柱外科植入物植入患者體內，其中包括頸椎椎間融合器、頸椎人工椎體及人工髖關節在內的三個產品已經進入了臨床觀察階段。從材料上來看，這種假骨與真骨有一定的區別，它的主要作用在于定型，可以將周邊的骨頭吸引過來，使人體骨骼和植入物結合起來，促進患者康復。2013年6月，美國麻省理工學院的Markus Buehler宣布他的項目組開發出一種類似人類骨骼的生物材料，這種材料也有類似骨骼的復合結構（膠原蛋白和羥磷灰石），由兩種不同的物質交錯形成，它的韌性甚至比人骨更強。另一種方法就是利用3D打印技術打印出一個“腳手架”，在里面填入可以發育成人骨細胞的胚胎細胞和生長因子。目前，這種方法在老鼠身上已經取得成功，但還沒有在人類身上進行臨床實驗。此外，現在的技術還可以為患者定做牙齒，更加方便節省時間。

科學家的目標不僅于此，為了解決免疫系統對外來器官的排異問題，他們已經在著手于利用3D打印技術訂制器官。首要的實驗目標是腎臟，因為人體有兩個腎臟，有一個腎臟作為對照，可以更精確的建設三維模型。科學家的設想是用3D打印機打印出一個跟完好腎臟一樣大小的模型，在這個模型里面有無數個大小、形狀不一的空隙；接下來是在不同的空隙里面注入可以成長為不同細胞的胚胎細胞以及誘導素，生長因子以及營養物質。經過一段時間的培養，這些空隙被填滿之后，這個人造腎臟就會擁有類似真實腎臟的功能，而且不會受到病人免疫系統的排斥（用病人自己的細胞培養而成）。但是，在實際應用中仍面臨許多問題：這個腎臟真的有人器官的一樣功能嗎？培養過程太慢以及這個腎臟移植之后的成活問題等等。所以說，人類在器官打印技術應用的道路上還有很多需要攻克的難題。