向順祿，楊冬東，何可，黃長青，柏才敏

（1.四川省動物疫病預(yù)防控制中心，四川成都 610041；2.四川省獸醫(yī)協(xié)會，四川成都 610041）

在首屆世界3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)大會上，來自美國、德國和全世界3D打印行業(yè)的600多位嘉賓就3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)化過程中的熱點(diǎn)難點(diǎn)問題展開了深入討論，并成立了世界3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。全世界已經(jīng)掀起了3D打印技術(shù)的熱潮，隨著該技術(shù)的日趨完善，成本不斷降低，3D打印技術(shù)的應(yīng)用在設(shè)計(jì)、醫(yī)療、制造等領(lǐng)域不斷完善和成熟，人類已經(jīng)進(jìn)入了3D打印時(shí)代。目前，3D打印技術(shù)雖然已經(jīng)在很多領(lǐng)域初露鋒芒，但畜牧獸醫(yī)行業(yè)對3D打印技術(shù)的認(rèn)知十分有限。本文匯集了國內(nèi)外相關(guān)資料，試圖將3D打印技術(shù)的概念及原理、應(yīng)用現(xiàn)狀、在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用等情況介紹給大家，并對3D打印技術(shù)在未來畜牧獸醫(yī)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了大膽設(shè)想。

一、3D打印技術(shù)的概念及原理

3D打印技術(shù)，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印的概念在上個(gè)世紀(jì)80年代就出現(xiàn)了，3D打印機(jī)則出現(xiàn)在上世紀(jì)90年代中期，它與普通打印機(jī)工作原理相同，打印機(jī)內(nèi)裝有液體或粉末等“打印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。

3D打印機(jī)的工作原理有一個(gè)形象的比喻：蠶吐出很細(xì)的絲，一層一層把自己包裹起來，就形成了一個(gè)“立體”的繭。雖然目前材料和工藝不一樣，但3D打印的基本原理都是根據(jù)要打印的物體形狀，通過一層層地堆積而成。比如塑料材料，就是將塑料加熱后，形成塑料絲，然后將塑料絲一層一層地堆起來，就形成了三維物品；還有一種是用激光照射光敏樹脂或金屬粉末，形成固體后堆積起來變成三維物品。不管是哪種材料，都是一層一層往上加材料，而不是像傳統(tǒng)制作工藝“車、洗、磨”那樣把原材料削去。3D打印是增加需要的部分，而傳統(tǒng)制作工藝是減掉不需要的部分。

二、3D打印技術(shù)即將開啟第三次技術(shù)革命

放眼全球，3D打印技術(shù)成了各國競相研發(fā)的項(xiàng)目，美國《時(shí)代》周刊已將3D打印產(chǎn)業(yè)列為“美國十大增長最快的工業(yè)”；英國《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)將與數(shù)字化生產(chǎn)模式一起推動實(shí)現(xiàn)新的工業(yè)革命，將3D打印技術(shù)稱為世界第三次技術(shù)革命，必將引起市場格局和技術(shù)慣例的變革，使得人類即將跨入“點(diǎn)擊制造”時(shí)代。

目前3D打印技術(shù)已經(jīng)滲透到各行各業(yè)，在工業(yè)制造領(lǐng)域，3D打印技術(shù)已經(jīng)用于產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)、原型制作、產(chǎn)品評審、功能驗(yàn)證等方面，3D打印的小型無人飛機(jī)、小型汽車等產(chǎn)品已經(jīng)問世，一些3D打印的家用器具，也經(jīng)常被用于企業(yè)的宣傳、營銷活動之中；在航空航天、國防軍工領(lǐng)域，3D打印技術(shù)被用于制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸細(xì)微且具有特殊性能的零部件，也用于機(jī)構(gòu)的直接制造，而且結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，取得的效果越好；在建筑領(lǐng)域里，工程師和設(shè)計(jì)師已經(jīng)開始使用3D打印機(jī)打印建筑模型，荷蘭科學(xué)家甚至已經(jīng)著手打印整體建筑；在消費(fèi)品領(lǐng)域，一些珠寶、服飾、鞋類、玩具的設(shè)計(jì)與制造也通過3D打印技術(shù)來完成。

3D打印技術(shù)解決了傳統(tǒng)工藝難以制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的問題，能夠明顯提高生產(chǎn)效率，具有快速、成本低、環(huán)保、節(jié)能降耗等眾多優(yōu)勢，因此，在“衣食住行，文體娛樂”的各個(gè)領(lǐng)域，3D打印技術(shù)都是“如魚得水”，即將開啟第三次技術(shù)革命的大門。

三、3D打印技術(shù)在醫(yī)療行業(yè)的應(yīng)用

3D打印技術(shù)作為科技前沿的代表性技術(shù)，自然受到了醫(yī)療行業(yè)的青睞。如今，3D打印技術(shù)逐漸應(yīng)用到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的范圍已經(jīng)超出了我們的想象，引起了廣泛關(guān)注。就目前而言，3D打印技術(shù)在醫(yī)療方面的運(yùn)用主要在以下幾個(gè)方面：

（一）快速制作人體器官模型3D打印出來的器官可用于教學(xué)和術(shù)前模擬等，這是最傳統(tǒng)的用途。據(jù)國外媒體報(bào)告，英國專家研發(fā)的3D打印技術(shù)可用胚胎干細(xì)胞制造人體組織，這種由愛丁堡赫瑞·瓦特大學(xué)開發(fā)的方法意味著病入膏肓的病人或是災(zāi)難中受嚴(yán)重傷害的病人，可輕易獲得肝臟、心臟和其它器官。

威爾·休博士和他的科研團(tuán)隊(duì)正和英國中洛錫安郡干細(xì)胞技術(shù)公司Roslin Cellab密切合作。他說：“據(jù)我們所知，這些細(xì)胞被3D打印出來尚屬首次。這項(xiàng)技術(shù)將使我們制造出更精確的人體組織模型。從長遠(yuǎn)來看，我們設(shè)想這項(xiàng)技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展，可用患者自己的細(xì)胞為醫(yī)療植入制造出可用的3D器官。這是第一步。這是把細(xì)胞變成你想要器官的干細(xì)胞技術(shù)的巨大進(jìn)步。在我們看來，為了最后培育出你想要的任何組織或器官，最好是先精通這項(xiàng)技術(shù)?！?/p>

數(shù)據(jù)顯示，截至2012年3月，英國國家醫(yī)療服務(wù)體系(NHS)器官捐贈登記表共有186 935 49人。這項(xiàng)技術(shù)培育出的器官，可減少器官捐贈的需要以及排除出現(xiàn)免疫抑制和移植排斥等問題的可能性。

（二）作為手術(shù)植入體 3D打印產(chǎn)品可以根據(jù)確切體型匹配定制，如今通過3D打印制造的醫(yī)療植入物這種技術(shù)已被應(yīng)用于制造更好的鈦質(zhì)骨植入物、義肢以及矯正設(shè)備。美國研究人員利用3D打印機(jī)開發(fā)骨骼打印技術(shù)，造出類似骨骼的材料，它可被用于骨科、牙科治療或開發(fā)治療骨質(zhì)疏松癥藥物。

華盛頓州立大學(xué)蘇斯米塔·博斯帶領(lǐng)研究小組，耗費(fèi)4年時(shí)間開發(fā)類骨骼物質(zhì)。他們發(fā)現(xiàn)，在生物陶瓷粉主要成分磷酸鈣中添加硅和氧化鋅可以使其強(qiáng)度提升一倍。磷酸鈣生物陶瓷材料是整形外科領(lǐng)域一類重要的骨修復(fù)材料，可模擬人體自然骨結(jié)構(gòu)，適宜細(xì)胞和骨組織的長入。研究人員使用一部先前用于打印金屬材料的3D打印機(jī)制造類骨骼物質(zhì)。它在粉末層上噴出塑料黏合劑，粉末層厚度僅為一根頭發(fā)絲寬度的一半。粉末層層疊加，干燥后達(dá)到要求的支架厚度，然后在1250℃下烘烤2小時(shí)。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的未成熟骨細(xì)胞生長測試顯示，支架上的骨細(xì)胞在移植一周內(nèi)開始生長。在兔子和老鼠身上的活體實(shí)驗(yàn)同樣得到可喜效果。

研究人員說，這種類骨骼物質(zhì)可被添加到受損自然骨上，當(dāng)作支架材料，促使細(xì)胞和骨組織生長，而且這種類骨骼物質(zhì)可最終降解，沒有“明顯負(fù)面效果”。他們表示，數(shù)年后，醫(yī)生可利用這一技術(shù)定做更換骨組織。

（三）口服控釋給藥 英國媒體報(bào)道，英國格拉斯哥大學(xué)的李克羅寧教授及其45名成員的研究團(tuán)隊(duì)對一臺3D打印機(jī)進(jìn)行改良，在其中加入裝有化學(xué)藥品的容器。經(jīng)過改造，這部3D打印機(jī)相當(dāng)于擁有一個(gè)小型“反應(yīng)件”，可合成用戶所需藥品。

傳統(tǒng)口服藥在剛服用一段時(shí)間后血液中藥物濃度會有一個(gè)高峰，隨后就下降。三維打印采取的“逐層打印、層層疊加”原理可以方便地打印出特殊外型或復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的藥品，可以通過特殊的藥片結(jié)構(gòu)控制藥粉/藥劑的釋放過程，讓人體內(nèi)的藥物吸收過程更為合理。

除此之外，這項(xiàng)技術(shù)將大大降低藥品制作成本，使更多的患者能接受之前負(fù)擔(dān)不起的昂貴治療。

（四）改良藥物測試 在最理想的狀態(tài)下，打印結(jié)構(gòu)還能用于藥物測試，加速改良測試過程。大部分藥物開發(fā)都是以人類疾病為目標(biāo)，用人類組織來實(shí)驗(yàn)更有意義。研究發(fā)現(xiàn)，與藥物開發(fā)部門目前正在使用的技術(shù)相比，3D培養(yǎng)的細(xì)胞生理表現(xiàn)很不相同。愛丁堡赫瑞瓦特大學(xué)的研究人員已經(jīng)開發(fā)出了基于瓣膜的細(xì)胞打印過程，可以按特定的模式打印細(xì)胞，每液滴中能夠提供低至2 NL或小于5個(gè)的細(xì)胞。3D打印的人造肝臟組織“對于藥物研發(fā)非常有價(jià)值，因?yàn)樗鼈兛梢愿_切地模擬人體對藥物的反應(yīng)，有助于從中選擇更安全、更有效的藥物?！?/p>

威爾·休博士帶領(lǐng)赫瑞瓦特大學(xué)的研究小組開發(fā)了一種基于瓣膜的雙噴嘴打印機(jī)，已經(jīng)過驗(yàn)證，可打印高度活細(xì)胞，包括用于組織再生的首例人體胚胎干細(xì)胞打印。威爾·休博士說：“革命性的新藥需要10～15年的時(shí)間進(jìn)入市場，投資成本超過100億美元，實(shí)際上，人體器官切片可以使研發(fā)周期減少至10年以下，關(guān)鍵的是成本可減半。新藥物可進(jìn)行潛在肝毒性的測試，因此這將有利于所有的疾病?！?/p>

威爾·休博士的研究團(tuán)隊(duì)正在與中洛錫安郡的Roslin Cellab公司密切合作。該公司與制藥和生物技術(shù)機(jī)構(gòu)合作，旨在推動干細(xì)胞產(chǎn)品的商業(yè)化。相信在多方共同努力下，3D打印技術(shù)在未來某一天有可能使定制藥物成為現(xiàn)實(shí)，并緩解（如果不能消除的話）供體短缺的問題。

（五）電子醫(yī)療器械市場Organovo是一家來自美國圣地亞哥專注3D打印制造生物組織并用于藥物研究和外科運(yùn)用的公司，該公司通過和美國專門學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)以及其他商業(yè)公司合作，研發(fā)技術(shù)。目前美國Organovo公司已經(jīng)同美國輝瑞制藥公司、美國聯(lián)合治療集團(tuán)、哈佛醫(yī)學(xué)院以及哥倫比亞大學(xué)等建立了合作關(guān)系，將3D生物打印技術(shù)運(yùn)用于藥物制造和醫(yī)療行業(yè)，BBC市場研究報(bào)告顯示，其全球市場價(jià)值達(dá)到了11億美元。

如果，3D打印技術(shù)供應(yīng)商擁有足夠的技術(shù)儲備，同醫(yī)院建立起合作關(guān)系，向其提供包括設(shè)備、技術(shù)在內(nèi)的支持和維護(hù)，并進(jìn)行相應(yīng)的培訓(xùn)，那么這必將開啟極具前景和潛力的電子醫(yī)療器械市場。

四、3D打印技術(shù)在畜牧獸醫(yī)領(lǐng)域的展望

3D打印技術(shù)未來能否繼續(xù)扮演新一輪產(chǎn)業(yè)革命的主角，人們拭目以待。專家認(rèn)為，隨著技術(shù)日趨完善，3D打印技術(shù)的應(yīng)用將是想象力的問題。3D生物打印技術(shù)將在醫(yī)學(xué)的各個(gè)子學(xué)科中廣泛應(yīng)用，讓我們來大膽展望它在我們獸醫(yī)行業(yè)中的應(yīng)用。

（一）打印生物疫苗 人類社會進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著世界人口不斷增加，生活品、工業(yè)品需求量節(jié)節(jié)攀升，對環(huán)境也造成了嚴(yán)重污染，滋生了各種病毒。2002年的SARS病毒以及現(xiàn)在的H7N9病毒的出現(xiàn)就說明了當(dāng)今社會應(yīng)針對病毒做好積極的防疫工作。3D打印技術(shù)可應(yīng)用于疫苗的生產(chǎn)，通過電鏡識別新病毒，再用3D打印機(jī)將具有相應(yīng)抗原特性的疫苗打印出來，便可第一時(shí)間獲得疫苗。2009年暴發(fā)H5N1病毒時(shí)，各國政府普遍耗時(shí)6個(gè)月才生產(chǎn)出相應(yīng)的疫苗。如果運(yùn)用3D打印技術(shù)，便能在最短的時(shí)間打印出最新疫苗并在第一時(shí)間分發(fā)到各家各戶，這樣便能在最短的時(shí)間內(nèi)有效地防止疫病擴(kuò)散。

（二）打印器官，保護(hù)珍稀動物 打印制造軟組織的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)進(jìn)行，通過3D打印制造的血管和動脈正在試圖應(yīng)用于手術(shù)。這樣的技術(shù)同樣也可以為患病動物特別是珍稀動物提供更為有效的治療，通過3D打印技術(shù)制造的器官可緩解器官供體短缺或出現(xiàn)排斥等問題。精確打印出來的器官，其外型與功能幾乎與原配一樣，這樣就可以讓瀕臨滅絕的動物尋求更多生還機(jī)會。

（三）打印鮮肉，提供豐富的仿生性食品 用3D打印技術(shù)可在糖類物質(zhì)構(gòu)成的框架上打印生產(chǎn)出鮮肉，口感與真肉十分接近?！磅r肉”如此打印，不僅可以滿足人類對肉類食品的需求，也將減少被捕殺動物的數(shù)量。減少了大量的規(guī)模養(yǎng)殖，從一定程度上減少疫病的滋生、傳播，達(dá)到真正的清潔無疫，促進(jìn)畜牧業(yè)又好又快的發(fā)展，保障人類和動物的安全，同時(shí)也可以改善一直存在爭議的動物福利問題。

（四）打印實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，保障動物?quán)利 目前人類測試新藥物的過程，往往使用大量的實(shí)驗(yàn)動物。這不是理想的做法，因?yàn)椴粌H成本昂貴，而且不太可能準(zhǔn)確地呈現(xiàn)出人體器官對其的代謝能力和毒性反應(yīng)，同時(shí)會引發(fā)動物福利組織的反對。研發(fā)人員希望可以直接在這些“打印”出來的，且在法律意義上不具生命的活器官上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和改良，以取代動物實(shí)驗(yàn)，提供更快的結(jié)果反饋，同時(shí)顯著降低臨床實(shí)驗(yàn)的成本，也使動物的權(quán)利得到有效的保障。此外，通過打印胚胎干細(xì)胞生成的3D結(jié)構(gòu)，能造出更精確的活體組織模型，今后藥物開發(fā)和實(shí)驗(yàn)過程將不再需要進(jìn)行各種動物實(shí)驗(yàn)。以動物疾病預(yù)防控制為目標(biāo)的藥物、疫苗開發(fā)，可直接采用動物組織來做藥性測試。它們可以更確切地模擬動物對藥物的反應(yīng)，有助于從中選擇更安全、更有效的藥物及疫苗，這對藥物研發(fā)、毒性測試都非常有價(jià)值。

以上幾點(diǎn)，只是對于3D打印技術(shù)在畜牧獸醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用展望，相信隨著技術(shù)的不斷成熟，3D打印技術(shù)能夠在畜牧獸醫(yī)學(xué)方面發(fā)揮出更大的積極作用。

五、3D打印技術(shù)的瓶頸

上海同濟(jì)大學(xué)教授、現(xiàn)代制造技術(shù)研究所名譽(yù)所長張曙認(rèn)為：“過去，我們只是把3D打印當(dāng)成是一種快速成形技術(shù)，但現(xiàn)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，可以讓設(shè)計(jì)、創(chuàng)意與生產(chǎn)分開，實(shí)現(xiàn)減少庫存的生產(chǎn)，等于提供了新的商務(wù)模式，就勢必會引起制造業(yè)的變革。但3D打印的技術(shù)還存在很多難題，加工精度、材料應(yīng)用等方面，在制造業(yè)的應(yīng)用不是一時(shí)半刻能夠?qū)崿F(xiàn)的”。從張教授的話里，我們了解到，3D打印技術(shù)雖然優(yōu)勢明顯，但仍然存在一些發(fā)展瓶頸，主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

（一）適用范圍有限 對于一般要求較低、專業(yè)性不強(qiáng)的部件，3D打印可以滿足要求，設(shè)計(jì)師能通過這種方法將電腦上的圖形快速轉(zhuǎn)換成物理實(shí)物模型，方便對設(shè)計(jì)和功能進(jìn)行驗(yàn)證，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。如果用傳統(tǒng)方法，需要經(jīng)過繪圖、工藝設(shè)計(jì)、模具制造等多個(gè)環(huán)節(jié)，花費(fèi)較多的時(shí)間和較高的成本。但如果是做例如鉆頭這種高硬度的產(chǎn)品，3D打印明顯力不從心。這個(gè)不是改進(jìn)技術(shù)就能夠解決的，因?yàn)榭焖俪尚图夹g(shù)本身存在本質(zhì)性缺陷和局限性。

（二）材料單一 材質(zhì)、原料是這項(xiàng)技術(shù)的核心，找到適合的材料才能制造出相應(yīng)產(chǎn)品。目前，可用的3D材質(zhì)并不多，只是一些可溶性的金屬、樹脂、塑料等材質(zhì)的應(yīng)用。

（三）成本昂貴 由于產(chǎn)品數(shù)量少，技術(shù)研發(fā)成本高，只購買3D打印機(jī)就價(jià)格不菲，數(shù)千元的產(chǎn)品，也僅僅是打印一些簡單的小東西。

除了這些問題，3D打印技術(shù)在現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用中還存在某些門坎兒，不僅會導(dǎo)致資本和工作重新分配，知識產(chǎn)權(quán)規(guī)則也將被改變，為此人們應(yīng)該從現(xiàn)在開始考慮這種技術(shù)的長遠(yuǎn)影響，將處于趨勢焦點(diǎn)的3D打印技術(shù)推入發(fā)展的快車道。

（略）