周偉民 閔國全 李小麗

·述評(píng)·

3D打印醫(yī)學(xué)

周偉民 閔國全 李小麗

3D打印技術(shù)的個(gè)性化、精準(zhǔn)化、遠(yuǎn)程化等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。本文介紹了3D打印技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢(shì)、技術(shù)特征，以及在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，包括體外醫(yī)學(xué)模型、定制化醫(yī)療器械、人工器官和組織等；同時(shí)，也對(duì)3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的研究瓶頸和對(duì)策進(jìn)行了闡述。

3D打印技術(shù)體外醫(yī)學(xué)模型定制化醫(yī)療器械人工器官和組織

當(dāng)前，3D打印技術(shù)在國內(nèi)外引起政府、產(chǎn)業(yè)界和研究者的廣泛關(guān)注。這種新興的數(shù)字化技術(shù)，有別于前兩次以蒸汽機(jī)與流水線生產(chǎn)的工業(yè)革命。3D打印技術(shù)可以使人們以更低的勞動(dòng)力成本靈活地生產(chǎn)少量產(chǎn)品，從而使大規(guī)模的個(gè)性化生產(chǎn)成為可能，導(dǎo)致全球制造業(yè)的重大變革。

由于這項(xiàng)技術(shù)所蘊(yùn)含的巨大應(yīng)用前景，世界各國都在加緊布局3D打印技術(shù)的研發(fā)。2011年6月，美國宣布一項(xiàng)新政策，向3D打印產(chǎn)業(yè)支出2.8億美元，以提升美國在制造業(yè)上的領(lǐng)先地位；美國《時(shí)代》周刊已將3D打印列為“美國十大增長(zhǎng)最快的工業(yè)”；美國科學(xué)與技術(shù)政策辦公室2012年3月頒布了《3D打印技術(shù)：現(xiàn)狀與機(jī)遇》專題報(bào)告，全面介紹了該技術(shù)的現(xiàn)狀與相關(guān)對(duì)策；2012年8月，美國著名智庫高德納（Gartner）公司公布了第17份年度《高德納新興IT技術(shù)顯示度周期特別報(bào)告》，報(bào)告共評(píng)估了1 900多種技術(shù)，而3D打印是其中發(fā)展最快的七種技術(shù)之一；歐洲多國政府也將3D打印技術(shù)作為新興制造技術(shù)；歐盟曾組織制定了3D打印技術(shù)的發(fā)展規(guī)劃，其規(guī)模遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過美國。在歐盟FP7中，有20個(gè)項(xiàng)目聚焦于3D打印技術(shù)，經(jīng)費(fèi)達(dá)到1億歐元。德國的Fraunhofe研究所、芬蘭赫爾辛基大學(xué)、瑞典的IVF工業(yè)研究體、荷蘭TNO集團(tuán)、英國的帝國大學(xué)、諾丁漢大學(xué)等參與了3D打印技術(shù)的研發(fā)工作；此外，澳大利亞針對(duì)本國豐富的礦產(chǎn)資源，制定了相應(yīng)的3D打印產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線圖，以期抓住革命性技術(shù)機(jī)遇，促進(jìn)產(chǎn)品開發(fā)與利用、繁榮商業(yè)和增加就業(yè)機(jī)會(huì)；中國政府也在2014年863計(jì)劃中，設(shè)立了3D打印技術(shù)專項(xiàng)，聚焦于航天航空、模具領(lǐng)域的需求，力爭(zhēng)突破3D打印技術(shù)中的核心關(guān)鍵技術(shù)。各地方政府也設(shè)立了相應(yīng)的計(jì)劃，以推動(dòng)3D打印技術(shù)的研究。

1 3D打印技術(shù)的概念和原理

3D打印（3D Printing）技術(shù)，又稱“添加制造”（Additive Manufacturing）技術(shù)（也稱增材制造或增量制造）。根據(jù)美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）2009年成立的3D打印技術(shù)子委員會(huì)F42公布的定義，3D打印是指一種與傳統(tǒng)的材料去除加工方法相反的，基于三維數(shù)字模型的，通常采用逐層制造方式將材料結(jié)合起來的工藝。3D打印技術(shù)的內(nèi)容涵蓋了產(chǎn)品生命周期前端的“快速原型”（Rapid Prototyping）到全生產(chǎn)周期的“快速制造”（Rapid Manufacturing），以及其他所有相關(guān)的打印工藝、技術(shù)、設(shè)備類別和應(yīng)用。目前，應(yīng)用較多的3D打印技術(shù)主要包括光固化立體印刷（SLA）、熔融沉積制造（FDM）、選擇性激光燒結(jié)/熔化（SLS/SLM）和三維噴?。?DP）等。1986年，Charles Hull生產(chǎn)出第一臺(tái)SLA-250打印機(jī)并創(chuàng)立了3D System公司。同年，Scott Crump發(fā)明了另外一種3D打印技術(shù)——熔融沉積制造（FDM，F(xiàn)used Deposition Modeling），并成立了Stratasys公司。這兩家公司已成為全球兩大主要的3D打印技術(shù)設(shè)備制造商。3D打印技術(shù)的主要類型如表1所示。

表1 3D打印技術(shù)的類型和屬性Table 1The classification and properties of 3D printing

1.1 光固化立體印刷（SLA）

該技術(shù)以光敏樹脂為打印材料，通過計(jì)算機(jī)控制紫外激光的運(yùn)動(dòng)，沿著零件各分層截面對(duì)液體光敏樹脂逐點(diǎn)掃描，被掃描的光敏樹脂薄層產(chǎn)生聚合而固化，而未被掃描到的光敏樹脂仍保持液態(tài)。當(dāng)一層固化完畢，工作臺(tái)移動(dòng)一個(gè)層片厚度的距離，然后在上一層已經(jīng)固化的樹脂表面再覆蓋一層新的液態(tài)樹脂，用以進(jìn)行再一次的掃描固化。新固化的一層牢固地粘合在前一層上，如此循環(huán)往復(fù)，直到整個(gè)零件原型制造完畢。該方法的特點(diǎn)是精度高、成品表面質(zhì)量好、材料利用率高，可以成型復(fù)雜的零件。

1.2 熔融沉積制造（FDM）

該技術(shù)把絲狀的熱熔性材料(ABS樹脂、尼龍、蠟等）加熱熔化到半流體態(tài)，在計(jì)算機(jī)的控制下，根據(jù)截面輪廓信息，噴頭將半流態(tài)的材料擠壓出來，凝固后形成輪廓狀的薄層。一層完畢后，工作臺(tái)下降一個(gè)分層厚度的高度再成型下一層，進(jìn)行固化。這樣層層堆積黏結(jié)，自上而下形成一個(gè)零件的整個(gè)實(shí)體造型。FDM成型的零件強(qiáng)度好、易于裝配。

1.3 選擇性激光燒結(jié)（SLS）

預(yù)先在工作臺(tái)上鋪設(shè)塑料、蠟、陶瓷、金屬或其復(fù)合物的粉末，激光束在計(jì)算機(jī)控制下，通過掃描器以一定的速度和能量密度按層進(jìn)行二維數(shù)據(jù)掃描；固化后工作態(tài)下降一個(gè)分層厚度，再次鋪粉，開始一個(gè)新的循環(huán)，通過層層堆積獲得實(shí)體零件。該技術(shù)工藝簡(jiǎn)單、打印材料選擇范圍廣。該技術(shù)特點(diǎn)：精度差、速度較快、材料強(qiáng)度一般。

1.4 三維噴印（3DP）

是一種利用微滴噴射技術(shù)的打印技術(shù)，通過噴射黏結(jié)劑將成型材料黏結(jié)，周而復(fù)始地送粉、鋪粉和噴射黏結(jié)劑，最終完成一個(gè)三維粉體的黏結(jié)，從而生產(chǎn)制成品。3DP與SLS工藝最大的不同是，3DP不是將材料熔融，而是通過噴頭噴出結(jié)劑將材料粘合在一起。隨著技術(shù)的發(fā)展，直接噴射出成型材料在外場(chǎng)下固化，成為這種工藝的新發(fā)展趨勢(shì)。3DP材料來源廣泛，包括尼龍粉末、ABS粉末、金屬粉末、陶瓷粉末和干細(xì)胞溶液等。

2 3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

美國技術(shù)咨詢服務(wù)協(xié)會(huì)Wohlers發(fā)布的2012年度報(bào)告指出，3D打印技術(shù)行業(yè)2011年的銷售額為17.14億美元，3D打印技術(shù)市場(chǎng)的年均復(fù)合增長(zhǎng)率為29.4%；據(jù)預(yù)測(cè)，該行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模到2015年將達(dá)37億美元，到2019年將增長(zhǎng)到65億美元，醫(yī)學(xué)約占其中的15.1%。隨著醫(yī)學(xué)個(gè)性化需求的不斷擴(kuò)大，3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用將快速增長(zhǎng)。圖1和圖2分別顯示了3D打印技術(shù)的行業(yè)分布和主要應(yīng)用功能的比例。2012年年底出版的《福布斯》雜志指出，3D打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用研究，已涵蓋了納米醫(yī)學(xué)、制藥，甚至器官打印。設(shè)想得更遠(yuǎn)一點(diǎn)，未來或許能夠依賴3D打印技術(shù)以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化醫(yī)療，減少甚至消除器官捐獻(xiàn)者短缺的問題。目前，3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

圖13D打印技術(shù)的行業(yè)分布Fig.1The industrial distribution of 3D printing

圖23D打印技術(shù)的應(yīng)用分布Fig.2The distribution of the application in 3D printing

2.1 體外醫(yī)學(xué)模型

3D打印在醫(yī)學(xué)上的最直接應(yīng)用，就是打印出各式各樣的器官或組織的3D模型。借助這些模型，能將器官或組織內(nèi)部構(gòu)造的細(xì)節(jié)逼真地顯示出來，將使醫(yī)學(xué)知識(shí)變得更為直觀明了。

新藥研究耗資大、周期長(zhǎng)、風(fēng)險(xiǎn)高，是一個(gè)系統(tǒng)工程，涉及到分子生物學(xué)、生物化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、計(jì)算機(jī)化學(xué)、藥理毒理學(xué)和臨床醫(yī)藥學(xué)等多學(xué)科協(xié)作。在新藥研究領(lǐng)域，革命性的新藥一般需要10~15年的驗(yàn)證時(shí)間才能進(jìn)入市場(chǎng)，投資成本大多超過100億美元。目前的藥物研究需要?jiǎng)游飳?shí)驗(yàn)和人體試驗(yàn)，將來可以通過3D打印的模式器官來檢測(cè)藥物效果，不僅有利于縮短臨床藥物研發(fā)周期，還可能避免潛在的人體試驗(yàn)損害，極大地節(jié)省新藥的研發(fā)費(fèi)用。據(jù)英國《新科學(xué)家》周刊網(wǎng)站2013年4月23日?qǐng)?bào)道，美國圣迭戈Organovo生物技術(shù)公司生產(chǎn)的0.5毫米厚、4毫米寬的微型肝臟，是通過逐層打印肝臟細(xì)胞和血管內(nèi)壁細(xì)胞，打印了約20層。這種微型肝臟具有部分真實(shí)的肝臟生理功能，能合成白蛋白、膽固醇和名叫“細(xì)胞色素P450”的主要解毒酶。Parabon納米實(shí)驗(yàn)室利用3D打印技術(shù)，研發(fā)了一種革命性的抗癌藥生產(chǎn)方法。

復(fù)雜的外科手術(shù)，往往需要進(jìn)行演練，以確保手術(shù)的成功。3D打印技術(shù)所具有的優(yōu)點(diǎn)能夠滿足構(gòu)建3D模型的需求，在手術(shù)設(shè)計(jì)、操作演練和預(yù)后等方面具有廣闊的應(yīng)用前景和極高的應(yīng)用價(jià)值。這種技術(shù)已在整復(fù)外科、口腔科、眼科等領(lǐng)域中的顱骨修復(fù)、下頜骨修復(fù)整形等方面發(fā)揮了積極作用。

2.2 定制化醫(yī)療器械/組織工程

在助聽器、假肢制造、骨科手術(shù)個(gè)性化導(dǎo)板、人工關(guān)節(jié)、人工外耳和個(gè)性化種植牙等方面，3D打印技術(shù)已得到了廣泛應(yīng)用。運(yùn)用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)和制作的助聽器可滿足個(gè)性化需求。據(jù)報(bào)道，歐洲個(gè)性化助聽器的生產(chǎn)規(guī)模正在以30%的速度增加。利用3D打印技術(shù)制造出的假肢也更加符合人體工學(xué)，在歐洲使用3D打印的鈦合金骨骼的患者已經(jīng)超過3萬余例。應(yīng)用金屬打印制作的多孔鈦結(jié)構(gòu)，生物學(xué)表面特性更加合理，具有輕量化，更加符合人體工程學(xué)，從而克服了傳統(tǒng)制造工藝的限制。

傳統(tǒng)牙齒修復(fù)過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力、精度難以保證，返修率高，制作周期長(zhǎng)。將3D打印技術(shù)運(yùn)用到義齒修復(fù)中已經(jīng)成為了牙科領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的技術(shù)，降低了義齒修復(fù)成本，縮短了制作周期。

2013年3月，美國OPM公司采用EOS P800機(jī)器打印出PEEK材料的骨移植物，已經(jīng)獲得美國FDA的批準(zhǔn)，并首次成功地替換了一名患者病損的骨組織。據(jù)專家預(yù)計(jì)，每種骨骼替代物市場(chǎng)規(guī)模約為5000萬~1億美元，由此可見其潛在的巨大市場(chǎng)和顛覆性的市場(chǎng)影響力。

2.3 人工器官和組織

生物打印是3D打印技術(shù)研究中最前沿的領(lǐng)域，是最具有價(jià)值的技術(shù)，可以直接“打印”出功能性的人體器官和組織。它利用干細(xì)胞為打印材料，按照3D打印技術(shù)制作，打印出來的組織會(huì)形成自給的血管和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。美國圣迭戈Organovo生物技術(shù)公司已經(jīng)成功打印出心肌組織、動(dòng)脈血管等。愛丁堡赫瑞瓦特大學(xué)開發(fā)了一種基于瓣膜的雙噴嘴打印機(jī)，可打印活細(xì)胞，包括用于組織再生的首例人體胚胎干細(xì)胞打印。所研發(fā)的3D打印機(jī)配有兩個(gè)“墨盒”，一個(gè)裝著浸在細(xì)胞培養(yǎng)基中的人體胚胎干細(xì)胞，另一個(gè)只有培養(yǎng)基。通過控制實(shí)現(xiàn)精確打印速度和墨水流量。結(jié)果表明，打印后24 h，95%以上的細(xì)胞仍然存活，顯示打印過程未殺死細(xì)胞；3 d后，超過89%的細(xì)胞存活，并且仍具有分化能力。

3 3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的研究瓶頸和對(duì)策

3.1 研發(fā)中存在的瓶頸

3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)取得了重大進(jìn)展，但有關(guān)材料、設(shè)備和軟件等方面的問題依然存在，具體表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面。

3.1.1 3D打印材料

耗材是影響3D打印無法廣泛應(yīng)用最關(guān)鍵的原因。目前開發(fā)的材料主要有塑料、樹脂和金屬等。3D打印技術(shù)要在更多的領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用，必須開發(fā)更多的可打印材料，應(yīng)深入研究加工—結(jié)構(gòu)—屬性之間的關(guān)系，了解材料的局限性和優(yōu)點(diǎn)，開發(fā)質(zhì)量測(cè)試程序和方法，建立材料性能數(shù)據(jù)的規(guī)范性標(biāo)準(zhǔn)等。

3.1.2 價(jià)格

目前，3D打印不具備規(guī)模經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢(shì)，材料價(jià)格高昂是主要障礙之一。打印材料價(jià)格從幾百元到幾千元不等。對(duì)于適合人體特性的金屬材料如鈦合金，其金屬粉末價(jià)格更是高達(dá)每千克2 000元左右，而且打印機(jī)的價(jià)格從數(shù)萬元到上千萬元不等。

3.1.3 知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)

3D打印技術(shù)的意義不僅在于改變資本和工作的分配模式，而且也在于它能改變知識(shí)產(chǎn)權(quán)的規(guī)則。該技術(shù)的出現(xiàn)使制造業(yè)的成功不再取決于生產(chǎn)規(guī)模，而取決于創(chuàng)意。然而，單靠創(chuàng)意也是很危險(xiǎn)的，模仿者和創(chuàng)新者都能輕而易舉地在市場(chǎng)上快速推出新產(chǎn)品，使得知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)面臨全新挑戰(zhàn)。

3.1.4 生產(chǎn)技能

3D打印技術(shù)需要依靠數(shù)字模型來進(jìn)行生產(chǎn)，大多數(shù)臨床醫(yī)生不會(huì)使用3D打印機(jī)，需要專門的技術(shù)人員把3D影像轉(zhuǎn)為可打印的3D數(shù)據(jù)并操作打印機(jī)。但隨著社會(huì)發(fā)展，未來越來越多的醫(yī)生都將能掌握一定的技術(shù)。而且企業(yè)也會(huì)提供一些簡(jiǎn)單的產(chǎn)品，用戶不必學(xué)會(huì)3D設(shè)計(jì)技能就能制作模型，就像傻瓜相機(jī)的發(fā)展一樣。

3.1.5 政策因素

3D打印技術(shù)的研發(fā)需要大量的資金支持。相關(guān)的打印材料和打印成品亦需要政府相關(guān)部門的許可；并且，3D生物打印技術(shù)的革命性將帶來醫(yī)學(xué)倫理學(xué)方面的挑戰(zhàn)。

3.2 解決對(duì)策

針對(duì)3D打印技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢(shì)和存在問題，我們認(rèn)為必須聯(lián)合國內(nèi)外優(yōu)勢(shì)資源開展協(xié)同創(chuàng)新，共同攻克設(shè)備、材料等方面的技術(shù)難關(guān)，獲得并掌握核心技術(shù)。我們建議，從全產(chǎn)業(yè)鏈角度出發(fā)，設(shè)立規(guī)模化的3D打印醫(yī)學(xué)研發(fā)中心，具體內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面。

3.2.1 制定路線圖，支持3D打印醫(yī)學(xué)的新增長(zhǎng)點(diǎn)

3D打印醫(yī)學(xué)產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)且粋€(gè)巨大的系統(tǒng)工程，涉及到機(jī)械、電子、生物、材料和醫(yī)學(xué)等眾多學(xué)科。通過頂層設(shè)計(jì)，統(tǒng)一制定和組織實(shí)施3D打印醫(yī)學(xué)的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)路線圖，避免重復(fù)投入，造成資源浪費(fèi)。利用3D打印技術(shù)來支撐醫(yī)學(xué)轉(zhuǎn)型升級(jí)，支持企業(yè)提高產(chǎn)品開發(fā)及自主創(chuàng)新能力，利用3D打印技術(shù)培育醫(yī)學(xué)產(chǎn)業(yè)新的發(fā)展方向。

3.2.2 建立公共平臺(tái)，提高醫(yī)學(xué)的應(yīng)用技術(shù)水平

設(shè)立“3D打印技術(shù)創(chuàng)新中心”，提供第三方3D設(shè)計(jì)、制造等技術(shù)服務(wù)。一方面為醫(yī)療市場(chǎng)提供服務(wù)，滿足醫(yī)療需求；另一方面，也可以充分了解醫(yī)學(xué)需求，盡快完成目標(biāo)數(shù)據(jù)的積累和研究，培育并擴(kuò)大3D打印技術(shù)的醫(yī)療市場(chǎng)。

3.2.3 營造應(yīng)用環(huán)境，培育新的增長(zhǎng)點(diǎn)

利用教育培訓(xùn)資源，開展各類豐富多彩的教育培訓(xùn)；設(shè)立3D打印創(chuàng)意產(chǎn)品和創(chuàng)意人才的競(jìng)賽及獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制，將3D打印的創(chuàng)意設(shè)計(jì)等納入科普教育、成人繼續(xù)教育、職業(yè)能力培訓(xùn)計(jì)劃，以培養(yǎng)、發(fā)掘和鼓勵(lì)創(chuàng)意創(chuàng)新人才，形成良性的行業(yè)激勵(lì)發(fā)展氛圍；開展包括國際論壇、技術(shù)研討、市場(chǎng)交易等各種形式、不同層次的3D打印會(huì)展業(yè)務(wù)，吸引全球業(yè)內(nèi)專家和市場(chǎng)人才，共同參與到3D打印技術(shù)的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研發(fā)工作中來。

[1]上海產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院.3D打印技術(shù)趨勢(shì)對(duì)上海帶來的挑戰(zhàn)（上海市決策委報(bào)告）[R].上海:上海產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院,2012.

[2]Wohlers Associates.Additive manufacturing and 3D printing state of the industry[R].Annual Worldwide Progress Report,2012.（收稿日期：2013年11月15日；修回日期：2013年12月21日）

3D Printing in Medicine

ZHOU Weimin,MIN Guoquan,LI Xiaoli.
Shanghai Industrial Technology Institute,Shanghai 201203,China;Shanghai Nanotechnology Promotion Center,Shanghai 200237,China.Corresponding author:ZHOU Weimin (E-mail:zhouwemin@snpc.org.cn,zhouweimin@sjtu.org).

【Summary】The advantages of 3D printing including personalization,precision and long-range were suitable for its application in the field of medicine.In this paper,the development situation,technical characteristics and medical application of 3D printing(including medical model in vitro,customized medical instruments,artificial organs and tissue,etc) were introduced.Meantime,the research bottleneck and countermeasures of 3D printing in the field of medicine were expounded.

3D printing;Medical model in vitro;Customized medical instruments;Artificial organ and tissue

R319

B

1673－0364（2014）01－0001－04

10.3969/j.issn.1673-0364.2014.01.001

201203上海市上海產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院；200237上海市上海市納米科技與產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進(jìn)中心。

周偉民（E-mail：zhouwemin@snpc.org.cn，zhouweimin@sjtu.org）。