3D打印在生物醫療方面的應用

朱正楷

摘 要：3D打印技術是一種以數字模擬為基礎的快速成型技術，它通過使用金屬，陶瓷，塑料的粉末來進行逐層打印，自20世紀90年代起，3D打印技術才開始走向了正軌并呈現出一種繁盛發展的趨勢。從最初簡單制造出塑料模型，到如今小到可以打印出航天飛機上的精細零件，大到可以打印出一整個汽車；又或者是在生物醫療方面打印出人造骨骼，甚至能夠打印出人體的器官。本篇文章主要是分析3D在人工骨骼制造方面，醫療個性化和干細胞打印，這三個方面來進行討論。

關鍵詞：3D打印技術；生物醫療；前沿科技

中圖分類號：R318 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）17-0192-02

1 現狀

談到3D打印技術，人們對于這個概念并不陌生。早在1986年，美國科學家Charles Hull發明了世界上第一臺3D印刷機。這項技術于普通的平面打印之間有著相似之處，而3D打印技術只是將墨水換成了熔點較低的金屬以及塑料粉末進行打印，它主要采用逐層添加的方式，并根據電腦中的數據模型來進行打印，拼接。

3D打印對于相比較于傳統的制造業來說，主要的優勢就在于對復雜，精密物品的打印上有著巨大的優勢，逐層添加的打印方式使得操作者可以盡情想象他們需要的物體，而傳統制造業制造精密物體時總需要開模，打磨，拋光等一系列繁瑣的過程，所以3D打印大量用于航空航天領域，醫療領域等。對于生物醫療領域來說，因為每個病人不同病情所造成手術的獨特性，醫生有時需要特定的手術工具或器械來滿足不同的需求，3D打印就可以通過整合多樣化的數據來制造出個性化的手術器械。對于患者來說，更重要的是3D打印技術可以直接打印出植入體內的修復體，即快速制造層面，在這個層面上打印出可以植入到人體內的個性化修復體，為了能夠更好地與病人結合，從而做到精準醫治疾病。而與干細胞聯合打印器官則是幫助了我國乃至全世界需要器官移植患者的福音。據統計，雖然我國每年只有百分之一的人能夠得到器官移植，但這項技術的應用仍然可以很大程度上讓更多的患者得到治愈的希望。

2 3D打印材料在人工骨骼上的應用

其實這項技術比不是這幾年才開始興起的，早在1989年，ISERI就采用了逆向工程獲取了一名12歲的小女孩的頭骨模型，之后將這種快速成形技術與用到病人的診斷問題上。其實這項技術很大程度上解決了大段骨修復上的難題。臨床上，醫生通常使用核磁共振，斷層掃描技術來獲得病人損傷骨骼的模型。

其實3D打印技術在人工骨骼的應用比起普通假肢有著兩個明顯的優點：一是3D打印采用人體可降解的支架材料，這可以減少人體對于外來異物的免疫排斥，它可以使得人工骨骼能夠參與人體的新陳代謝和生長過程。更重要的是它所具有的降解速率可以很好地與人類體內的新骨生成速率相匹配[1]。另一方面，3D打印制造出來的人工骨，不僅具有與人體本身骨頭一樣的形狀和性能，它還具有一樣的功能梯度。因為人體骨骼組織結構比較單一，所以很多實驗室都把重心放在了材料更新方面。比如F-33076法國大學和波爾多第二的GUILLEMOT等用激光打印系統將細胞和生物材料直接打印在小鼠頭顱骨缺損部位[2]。澳大利亞斯威本科技大學KOUHI等[3]用熔融沉積法制備P400ABS塑料下頜骨。3D材料上的多變使得3D個性化的人造骨有著更多功能上的選擇，以及相較于傳統制造上的優勢，這在醫學上對于大段骨修復方面的研究有著突破性的發展。如中山市人民醫院就曾經使用模擬出下頜骨損傷患者的骨骼三維立體模型后，先使用3D打印技術制作出植入體的樹脂模型，之后他們采用了真空離心澆鑄法完成三維鈦網修復，手術之后，患者大多都回到了健康水平。

3 3D打印醫療上的個性化設計

3D打印技術能夠實現個體之間差異的個性化器件，比如在牙科領域，近幾年所興起的“隱適美”，它所利用的技術就是先掃描患者的牙齒情況，接著通過電腦模擬治療中牙齒的移動方向，并通過3D技術制作出牙齒治療中各個階段所使用的牙套。相比于普通的鋼絲牙套，3D打印的牙套能夠更好的控制患者牙齒移動方向，并且這種精準治療能夠減少每個個體之間差異所導致的治療效果的差異。

另一方面它在構建植入物的微觀結構方面明顯優于傳統工藝，因為它能根據患者的實際情況設計、打印出復雜的具有三維多孔結構的金屬植入物，使梯度孔徑、差異化孔隙、孔與孔之間完全實現三維貫通，以利于骨骼的生長。例如在2014年就發生了一起事故，一個從不慎從三樓墜落左部大腦受到了創傷，中國陜西西京醫院的外科醫生為這個患者用3D打印技術打造了一個鈦網的植入物來醫治他。同樣的在2018年3月，北京航空航天大學的劉教授就曾幫助來自青海殘疾人聯合會的兩名四五歲的兒童制作出適合他們的義肢，劉教授最先想使用發電機來制造出一個靈巧手來進行簡單的抓握功能，但是因為兩名孩子的年級較小，手部還沒有足夠的肌肉來傳導出明顯的肌電信號，所以最后只能通過3D打印技術打印出兩個尺寸相符的手部結構。其中一個孩子因為先天的缺陷，手掌上只有五個很短的指節，教授便為他單獨設計一個獨特鏤空結構的手掌進行安裝。

3D打印比起傳統制造方式能夠更好的滿足不同個體的個性化設計，它在構建植入物的微觀結構方面明顯優于傳統工藝。傳統工藝只能簡單的滿足大量人群的需求，而在現實中，它在許多復雜工藝，或者個性化定制方面上有著很大的局限性。3D打印就能很好地彌補這個空隙，例如它在的制作人造骨骼方面，因其具有三維多孔結構的金屬植入物，從而使得梯度孔徑、差異化孔隙、孔與孔之間完全實現三維貫通，以利于骨骼的生長；金屬假體的彈性模量完全可以更好地與人體原有骨骼匹配。

4 3D打印與干細胞聯合應用

干細胞相比于其他的人體細胞都有著與眾不同的功能，它有著自我更新和定向分化的功能能夠幫助人體自身修復。目前生物醫學上就提出了很多理論想要通過培養干細胞來制造出不同的人體組織、器官，這樣能夠在人類日后遇到器官衰竭，癌變之類問題時，很好地解決器官移植問題。但打印器官并不是真的完整的打印一個器官，而是圍繞一個生物支架來進行細胞的培養，使得它能夠在功能上和真實器官一樣。現如今研究者可以通過3D打印進行器官重建，從而成功打印出簡單的器官，如耳廓，同樣也包括復雜器官打印，如心臟、肝臟。美國康奈爾大學生物工程學家與威爾康乃爾醫學院的研究者利用可注射膠技術，并且使用3D打印技術制作出和人類幾乎一樣的人造耳，因為注射入了活細胞，他們在器官耳上長出了軟骨，接著那些軟骨就會逐漸替換掉原來固定造型的膠體[4]。現今比較成熟的技術來自美國Organovo公司，他們已經可以利用手術切除掉的肝臟打印出微型肝臟，這種人造肝臟已經具備了人體肝臟的大部分功能。

3D打印技術在這些實驗中的應用主要通過氣動技術來完成的。氣動技術就是通過控制噴出閥門的氣壓、噴嘴直徑以及噴射時間來控制細胞放置的數量，也就是說3D技術在這里并不是打印細胞，而是將細胞作為材料，噴出到放置位置來完成。這種氣動技術的好處就在于，它可以很好地保持細胞的存活率，有研究表明在細胞打印后24小時之內，超過95%的細胞都處于存活狀態，并且在打印的過程中沒有細胞死亡；而三天以后，超過89%的細胞仍然存活。這些打印出來的胚胎干細胞仍然保持著他們的活性，它們都養具有和正常干細胞一樣的分化能力。那么如果研究者能夠掌握使用活性的胚胎干細胞打印出三維結構，那么在將來患者就可能使用上這樣的人造組織。

5 結語

總體來說，3D打印技術還在日益完善，成熟的階段，但此項技術仍有很多不足之處，比如在打印干細胞的過程中打印技術仍然需要完善，一個腎單體的內部復雜結構超出想象，更不要說其中的營養供應，支撐結構會非常復雜，當前的技術還不能達到這樣的精準打印。另一大缺點是3D打印技術制造出來的器官與人體有著明顯的排斥性。3D打印器官就是為了替換人體病變的器官，而人體會自然的對于外來組織或者異物有著免疫排斥，所以研究人員仍然需要思考如何解決這一難題。當然3D打印這一革新技術無疑引領著醫療以及其他行業進一步的發展，它所帶來的個性化特點，制造人工器官的可能依然是我們研究它的主體方向。筆者在這里有著很高的希望相信3D打印技術必將成為一種新式的，便捷、易控、有效的生物醫療技術革新的關鍵。

參考文獻

[1]房巖，孫剛，叢茜，等.仿生材料學研究進展[J].農業機械學報，2006，37（11）：163-167.

[2]GUILLEMOT F. High-throughput laser printing of cells and biomaterials for tissue engineering[J].Acta Biomater，2010，6（7）：2494-2500.

[3]KOUHIE，MASOODS，MORSIY. Design and fabrication of reconstructive mandibular models using fused deposition modeling[J]. Assembly Automation，2008，28（3）：246-254.

[4]Zopf DA， Hollister SJ， Nelson ME， et al. Bioresorbable airway splint created with a three-dimensional printer[J].N Engl J Med，2013，368（21）：2043-2045.