3D打印在生物医疗方面的应用

朱正楷

摘 要：3D打印技术是一种以数字模拟为基础的快速成型技术，它通过使用金属，陶瓷，塑料的粉末来进行逐层打印，自20世纪90年代起，3D打印技术才开始走向了正轨并呈现出一种繁盛发展的趋势。从最初简单制造出塑料模型，到如今小到可以打印出航天飞机上的精细零件，大到可以打印出一整个汽车；又或者是在生物医疗方面打印出人造骨骼，甚至能够打印出人体的器官。本篇文章主要是分析3D在人工骨骼制造方面，医疗个性化和干细胞打印，这三个方面来进行讨论。

关键词：3D打印技术；生物医疗；前沿科技

中图分类号：R318 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）17-0192-02

1 现状

谈到3D打印技术，人们对于这个概念并不陌生。早在1986年，美国科学家Charles Hull发明了世界上第一台3D印刷机。这项技术于普通的平面打印之间有着相似之处，而3D打印技术只是将墨水换成了熔点较低的金属以及塑料粉末进行打印，它主要采用逐层添加的方式，并根据电脑中的数据模型来进行打印，拼接。

3D打印对于相比较于传统的制造业来说，主要的优势就在于对复杂，精密物品的打印上有着巨大的优势，逐层添加的打印方式使得操作者可以尽情想象他们需要的物体，而传统制造业制造精密物体时总需要开模，打磨，抛光等一系列繁琐的过程，所以3D打印大量用于航空航天领域，医疗领域等。对于生物医疗领域来说，因为每个病人不同病情所造成手术的独特性，医生有时需要特定的手术工具或器械来满足不同的需求，3D打印就可以通过整合多样化的数据来制造出个性化的手术器械。对于患者来说，更重要的是3D打印技术可以直接打印出植入体内的修复体，即快速制造层面，在这个层面上打印出可以植入到人体内的个性化修复体，为了能够更好地与病人结合，从而做到精准医治疾病。而与干细胞联合打印器官则是帮助了我国乃至全世界需要器官移植患者的福音。据统计，虽然我国每年只有百分之一的人能够得到器官移植，但这项技术的应用仍然可以很大程度上让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应用

其实这项技术比不是这几年才开始兴起的，早在1989年，ISERI就采用了逆向工程获取了一名12岁的小女孩的头骨模型，之后将这种快速成形技术与用到病人的诊断问题上。其实这项技术很大程度上解决了大段骨修复上的难题。临床上，医生通常使用核磁共振，断层扫描技术来获得病人损伤骨骼的模型。

其实3D打印技术在人工骨骼的应用比起普通假肢有着两个明显的优点：一是3D打印采用人体可降解的支架材料，这可以减少人体对于外来异物的免疫排斥，它可以使得人工骨骼能够参与人体的新陈代谢和生长过程。更重要的是它所具有的降解速率可以很好地与人类体内的新骨生成速率相匹配[1]。另一方面，3D打印制造出来的人工骨，不仅具有与人体本身骨头一样的形状和性能，它还具有一样的功能梯度。因为人体骨骼组织结构比较单一，所以很多实验室都把重心放在了材料更新方面。比如F-33076法国大学和波尔多第二的GUILLEMOT等用激光打印系统将细胞和生物材料直接打印在小鼠头颅骨缺损部位[2]。澳大利亚斯威本科技大学KOUHI等[3]用熔融沉积法制备P400ABS塑料下颌骨。3D材料上的多变使得3D个性化的人造骨有着更多功能上的选择，以及相较于传统制造上的优势，这在医学上对于大段骨修复方面的研究有着突破性的发展。如中山市人民医院就曾经使用模拟出下颌骨损伤患者的骨骼三维立体模型后，先使用3D打印技术制作出植入体的树脂模型，之后他们采用了真空离心浇铸法完成三维钛网修复，手术之后，患者大多都回到了健康水平。

3 3D打印医疗上的个性化设计

3D打印技术能够实现个体之间差异的个性化器件，比如在牙科领域，近几年所兴起的“隐适美”，它所利用的技术就是先扫描患者的牙齿情况，接着通过电脑模拟治疗中牙齿的移动方向，并通过3D技术制作出牙齿治疗中各个阶段所使用的牙套。相比于普通的钢丝牙套，3D打印的牙套能够更好的控制患者牙齿移动方向，并且这种精准治疗能够减少每个个体之间差异所导致的治疗效果的差异。

另一方面它在构建植入物的微观结构方面明显优于传统工艺，因为它能根据患者的实际情况设计、打印出复杂的具有三维多孔结构的金属植入物，使梯度孔径、差异化孔隙、孔与孔之间完全实现三维贯通，以利于骨骼的生长。例如在2014年就发生了一起事故，一个从不慎从三楼坠落左部大脑受到了创伤，中国陕西西京医院的外科医生为这个患者用3D打印技术打造了一个钛网的植入物来医治他。同样的在2018年3月，北京航空航天大学的刘教授就曾帮助来自青海残疾人联合会的两名四五岁的儿童制作出适合他们的义肢，刘教授最先想使用发电机来制造出一个灵巧手来进行简单的抓握功能，但是因为两名孩子的年级较小，手部还没有足够的肌肉来传导出明显的肌电信号，所以最后只能通过3D打印技术打印出两个尺寸相符的手部结构。其中一个孩子因为先天的缺陷，手掌上只有五个很短的指节，教授便为他单独设计一个独特镂空结构的手掌进行安装。

3D打印比起传统制造方式能够更好的满足不同个体的个性化设计，它在构建植入物的微观结构方面明显优于传统工艺。传统工艺只能简单的满足大量人群的需求，而在现实中，它在许多复杂工艺，或者个性化定制方面上有着很大的局限性。3D打印就能很好地弥补这个空隙，例如它在的制作人造骨骼方面，因其具有三维多孔结构的金属植入物，从而使得梯度孔径、差异化孔隙、孔与孔之间完全实现三维贯通，以利于骨骼的生长；金属假体的弹性模量完全可以更好地与人体原有骨骼匹配。

4 3D打印与干细胞联合应用

干细胞相比于其他的人体细胞都有着与众不同的功能，它有着自我更新和定向分化的功能能够帮助人体自身修复。目前生物医学上就提出了很多理论想要通过培养干细胞来制造出不同的人体组织、器官，这样能够在人类日后遇到器官衰竭，癌变之类问题时，很好地解决器官移植问题。但打印器官并不是真的完整的打印一個器官，而是围绕一个生物支架来进行细胞的培养，使得它能够在功能上和真实器官一样。现如今研究者可以通过3D打印进行器官重建，从而成功打印出简单的器官，如耳廓，同样也包括复杂器官打印，如心脏、肝脏。美国康奈尔大学生物工程学家与威尔康乃尔医学院的研究者利用可注射胶技术，并且使用3D打印技术制作出和人类几乎一样的人造耳，因为注射入了活细胞，他们在器官耳上长出了软骨，接着那些软骨就会逐渐替换掉原来固定造型的胶体[4]。现今比较成熟的技术来自美国Organovo公司，他们已经可以利用手术切除掉的肝脏打印出微型肝脏，这种人造肝脏已经具备了人体肝脏的大部分功能。

3D打印技术在这些实验中的应用主要通过气动技术来完成的。气动技术就是通过控制喷出阀门的气压、喷嘴直径以及喷射时间来控制细胞放置的数量，也就是说3D技术在这里并不是打印细胞，而是将细胞作为材料，喷出到放置位置来完成。这种气动技术的好处就在于，它可以很好地保持细胞的存活率，有研究表明在细胞打印后24小时之内，超过95%的细胞都处于存活状态，并且在打印的过程中没有细胞死亡；而三天以后，超过89%的细胞仍然存活。这些打印出来的胚胎干细胞仍然保持着他们的活性，它们都养具有和正常干细胞一样的分化能力。那么如果研究者能够掌握使用活性的胚胎干细胞打印出三维结构，那么在将来患者就可能使用上这样的人造组织。

5 結语

总体来说，3D打印技术还在日益完善，成熟的阶段，但此项技术仍有很多不足之处，比如在打印干细胞的过程中打印技术仍然需要完善，一个肾单体的内部复杂结构超出想象，更不要说其中的营养供应，支撑结构会非常复杂，当前的技术还不能达到这样的精准打印。另一大缺点是3D打印技术制造出来的器官与人体有着明显的排斥性。3D打印器官就是为了替换人体病变的器官，而人体会自然的对于外来组织或者异物有着免疫排斥，所以研究人员仍然需要思考如何解决这一难题。当然3D打印这一革新技术无疑引领着医疗以及其他行业进一步的发展，它所带来的个性化特点，制造人工器官的可能依然是我们研究它的主体方向。笔者在这里有着很高的希望相信3D打印技术必将成为一种新式的，便捷、易控、有效的生物医疗技术革新的关键。

参考文献

[1]房岩，孙刚，丛茜，等.仿生材料学研究进展[J].农业机械学报，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.