3D打印在医疗方面的应用

　　打印技术速度的提高和适用材料的研发是未来的发展方向。

2011年夏季，比利时的一位83岁的老奶奶由于严重的骨髓炎而不得不接受下颌骨全切除手术。下颌骨的全切除不但会影响相貌，而且会严重影响正常饮食，这对老人的生活将会是一个严重的打击。因此，医生决定要给她做修复整形术，让老人能够恢复正常生活。最好的办法就是给老人植入一个和原来形状一样的钛合金人工下颌骨。

传统的制作人工下颌骨的方法是采用模具铸造，手术需要20小时以上，这对医生和患者都是一场巨大的挑战。幸运的是，医生想到了3D打印技术。

医生先用MRI（磁共振成像）技术扫描患者的下颌骨，利用3D重建软件得到下颌骨的3D数字图像，然后采用激光选区熔融的3D打印技术，用钛合金粉末制备出和原下颌骨形状和尺寸几乎完全一样的人工下颌骨。手术仅用了4小时就完成了，手术后几小时老奶奶就可以吃东西了。

这只是近年来3D打印技术在医学上成功应用的众多实例之一。

3D打印技术起源于20世纪80年代末，到了90年代末期，美国新泽西州普林斯顿的Therics公司就开始利用3D打印技术进行颅骨和颌面部生物陶瓷植入修复物的打印。其原理是首先采集患者的CT或MRI的数据，经3D重建后再打印出能够与患者骨缺损部位的尺寸和形状完全符合的植入修复物。这样，医生在手术室内就不需要对修复物的尺寸和形状进行修正，手术时间可以大大缩短，患者的痛苦和恢复时间也可大大减少。当时，Therics公司还用3D打印技术打印快速崩解药片，笔者之一当时就参与了这两项工作。遗憾的是，这些想法和技术当时很超前，在寻求FDA产品批准上面临很多障碍和不确定性。后来Therics公司就被其他公司并购了，一部分人离开Therics公司后又成立了Aprecia公司继续进行3D打印药片的研发。其研发的3D打印药片于2015年终于获得了FDA的批准上市，前后耗时15年。

如今，经过20多年的发展，3D打印已经形成了许多较为成熟的加工工艺及3D打印成型系统。

随着CT及MRI的普及以及近年来3D影像数据重建软件的发展，现在已经可以很容易地从患者的CT或MRI扫描数据得到相关组织和器官的3D数字模型。近年来，3D打印技术在生物医学领域得到了快速发展,特别是在构建医学模型、个性化治疗用模型、辅助手术导板、人工骨骼、可吸收血管支架、生物器官制造、齿科、可控释放药物以及美容整形等方面都得到了很好的应用。

　　在骨科中的应用

3D打印模型对骨科疾病的诊疗拥有良好的应用前景和极高的应用价值。术前根据患者CT三维重建数据构建出1:1的3D模型，既有利于辅助复杂疾病的诊断，又可进行模拟手术和手术方案确定。采用3D打印的骨骼模型还可以帮助医生与患者及家属交流，使得患者及家属能够正确理解手术的必要性和风险。

新西兰维多利亚大学的杰克?埃维尔（Jake Evill）还设计出针对骨折患者的治疗和康复辅助工具的新的解决方案，这一设计的主体是通过3D打印技术制作的新型骨骼固定支架。这个名为CORTEX的骨骼固定支架由聚酰胺构成，采用了仿生物骨骼的网状有机形态，具有轻质、透气、可清洗的特点。这种支架成本不高、生产迅速，而且是针对每位患者的特点一对一制作，有助于伤处更好地恢复，同时还易于穿戴。

3D打印技术材料的选择：骨缺损修复物/植入物一般选用具有良好生物相容性的生物陶瓷材料、高分子聚合物，以及力学性能较强的钛合金等。例如，聚醚醚酮（PEEK）材料具有很好的生物相容性和力学强度，可用于制造承重的骨植入物。美国牛津性能材料（OPM）公司采用3D打印技术制备出的聚醚醚酮颅骨修复物OsteoFab?于2013年获得FDA 510（k）市场准入，可用于患者大面积颅骨缺损。该公司于2015年7月又宣布其3D打印SpineFab VBR人工椎体植入物获得FDA的510（k）市场准入许可。这是目前唯一一个获得FDA批准植入的聚合物3D打印承重装置。

微孔调整与诱导成骨：3D打印技术还可以根据需要调节骨修复物结构中孔隙率和微孔的大小。通过调节三维打印材料的密度，改变植入物的孔隙率和微孔大小，从而制造出可以诱导骨细胞生长的人工骨植入物。

北医三院刘忠军教授等利用金属3D打印技术，依照患者的解剖结构，制造出与患者5节脊椎形态与长度相仿的人工椎体，这种人工椎体的特殊之处在于具有海绵状的微孔结构，类似人体骨头中的骨小梁。有了这种“骨小梁”，相邻正常脊椎的骨细胞可以长入其中，最终实现骨融合。刘忠军教授带领的团队研发的颈椎人工椎体及人工髋臼关节两个产品已经取得中国国家食品药品监督管理局产品注册证。

尽管骨骼具有很强的自我修复能力，但无法完全修复大体积的骨缺损。全世界每年骨缺损的患者数以千万计，因肿瘤和创伤而造成的大体积骨缺损是临床上需要进行骨修复和移植的主要原因。治疗骨缺损最理想的材料就是自体骨，但是自体骨来源有限，而且需要进行额外的手术，增加患者的痛苦，还不能满足临床需要。骨组织工程的出现，为这一难题的解决提供了一个解决方案。

　　组织工程基本出发点是以“诱导成骨”的方式实现骨的修复和再生。近年来，随着骨组织工程的研究深入，支架材料的制备及其制备的方法也成为研究重点。骨组织工程支架的传统制备方法不能实现对支架孔隙结构的精确控制，结构形状也无法做到与骨缺损部位的解剖结构完全契合，因此不能实现个性化植入物的制备。3D打印技术可以有效地弥补这些不足，因此迅速在骨组织工程支架制备中得到广泛应用。而且，采用这种3D打印的支架，细胞代谢产物很容易被排出，干细胞等细胞可以在支架内快速生长。

　　3D打印药物

可控释放药物是采用生物可降解的聚合物膜或聚合物控制释放骨架将药物密封，或是将药物与聚合物混合在一起，随着聚合物的分解，药物在体内逐渐地释放出来。可控释放药物可以根据具体的治疗需求维持在特定的浓度，从而减少药品的不良反应和用量，使治疗过程得到优化，同时提高患者的舒适度。传统的制药方法是将所有原材料混合在一个容器内烘干，然后挤压成型，这在制造具有复杂内部孔穴和薄壁结构的可控释放药物时存在很大的困难。

3D打印药片可显著改变药片崩解速度。美国Aprecia公司采用3D粉末黏结打印技术制备的左乙拉西坦速溶片是第一个获FDA批准上市的3D打印药片，主要用于治疗患有癫痫症的儿童和成人。该药片只需要一口水就能快速在口中溶解，对于需要一次性服用大剂量药物的患者来说，这种“速溶片”可以极大地减轻患者服药的痛苦。3D打印技术采用分层制造的方法，便于制造具有复杂型腔的可控释放药物，具有良好的应用前景。

然而，总体来说，目前大多数研究仍处在概念应用性证明的初级阶段，具有复杂释药特征、给药装置的设计制备研究相对比较粗糙且不够全面，相关技术仍处于研究阶段。

　　未来突破点

3D打印是一种新的加工制造技术，在生物医学领域内的应用也还处于一个初始阶段。但我们可以看到，3D打印技术在生物医学领域显示出了独特的应用价值与潜能。与医学影像数据相结合，3D打印技术可以制备个性化的植入物和药物释放装置，但其价值并不限于此。

随着实时测量技术和生物制造技术的发展，3D打印技术出现了一个重要分支——原位3D打印技术。该技术是指在手术过程中，通过对患者病变部位进行扫描，获得缺损部位数据，同时快速采集患者的细胞（如干细胞）与生物材料混合，然后利用生物3D打印机直接在缺损部位进行形态和组织结构适配化的原位3D打印，实现人体组织的快速修复。由于原位3D打印可以采用机械臂通过单孔进入腹腔内打印，可以实现微创化手术，无需后处理操作，大大缩短手术介入时间，预计临床应用潜力巨大。但是，这方面的研究目前还处于相对较早阶段。

在个性化药物方面，设想一下：有一天你生病了到医院看病,医生诊断后给你开了一张转化为二进制数字的“条形码”药方，你拿着药方到医院自助3D药片打印机前扫描一下药方，3D打印机就开始打印适合你服用的剂量的药片让你带回家服用。这种在今天看似不可思议的看病流程，随着3D打印技术的发展，已经离现实越来越近了。

目前，3D打印发展的瓶颈在于打印速度、适用于3D打印的生物相容性材料和打印成本。因此，研发更高打印速度的3D打印技术和适用材料是未来发展的方向。例如，采用快速光固化树脂可以将打印速度提高数倍。从3D打印的原理上进行改进，也是提高打印速度的一条路径。例如，我们采用的3D曲面打印技术就是将传统的3D平面叠加过程改为曲面堆积成形，可以将多孔管状类产品的打印速度提高几十倍。采用新型可快速切换的具有不同孔径的喷头和多材料打印技术，在固定材料厚度和高度的位置采用大喷头打印，在需要改变材料和需要精细结构的位置采用小口径喷头，都可以大大提高3D打印的整体速度。

除了技术发展外，未来3D打印技术的突破在于寻找能产出更大经济效益的应用。目前，3D打印可以生产出很多现有技术难以制造的产品，但3D打印技术仍然是对现有加工生产技术的一个补充，3D打印的产品也没有达到影响人们日常生活的程度。在一个商品化的社会，如果一项技术产生不了足够大的经济效益，其价值会大打折扣。目前，笔者正在利用3D打印技术进行血管支架的研发。如果成功，将对我国上百万的心脏病和糖尿病患者的治疗产生巨大的影响。希望我们能够在不久的将来再与读者分享我们的成功经验。

　　刘青，同济大学医学院生物医学工程与纳米科学研究院兼职教授， 东方医院纳米医学应用技术研究所PI。

　　孟潇，江阴瑞康健生物医学科技有限公司技术部经理。

　　时东陆，同济大学医学院生物医学工程与纳米科学研究院院长，教授， 东方医院纳米医学应用技术研究所所长。

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