3D打印将带来医疗新革命

千姿百态

1、什么是3D打印

3D打印（3Dprinting）也称为“增材制造（AdditiveManufacturing）”，它是新兴的一种快速成型技术。与传统的减材制造工艺不同，3D打印是以数据设计文件为基础，将材料逐层沉积或黏合以构造成三维物体的技术。

现代意义上的3D打印技术于20世纪80年代中期诞生于美国。CharlesHull（3DSystems公司的创始人）和ScottCrump（Stratasys公司的创始人）是3D打印技术的先驱人物。以3DSystems和DTM公司为代表的一批美国中小科技公司在20世纪80年代末-90年代初相继研发出立体光固成型（SLA）、选择性激光烧结（SLS）和熔丝沉积造型（FDM）等主流技术路线，经过20多年的沉淀和不断完善已经日臻成熟。

3D打印与传统制造业的最大区别在于产品成型的过程上。在传统的制造业，整个制造流程一般需要经过开模具、铸造或锻造、切割、部件组装等过程成型。3D打印则免去了复杂的过程，无需模具，一次成型。因此，3D打印可以克服一些传统制造上无法达成的设计，制作出更复杂的结构。

图1：Stratasys推出工业级高端服务领域3D打印机

图2：这款Solidoodle2打印机售价仅3千多元人民币

目前，3D打印设备已经广泛地应用于航空航天、汽车、消费电子、工业、医疗、建筑等领域。功能也从最早的展示、教学拓展到工业模具的制造，乃至零部件的直接制造。3D打印直接用于零部件制造的比例由2003年的不到4%跃升到了2011年的24%。随着3D打印技术越来越成熟，它的应用范围将越来越广，未来将深刻地改变世界制造业的理念、方法和格局。

根据咨询公司WohlersAssociates的统计，2011年全球3D打印产品（设备+服务）的销售总额已经达到16.8亿美元，近十年时间里以年均27%的速度高速增长。该公司进一步预测，未来5-10年全球快速成型市场将继续以年均20%的速度膨胀，2019年可达66.5亿美元的体量。

2、3D打印的优势和局限性

3D打印作为一种崭新的制造技术，有着传统制造业所无法比拟的诸多优势。随着技术的不断进步，3D打印在铸造精度上已经可以与传统方式相媲美。其优势主要体现在以下几个方面。

（1）制造复杂物品不增加成本：对于传统工艺而言，物体形状越复杂，制造成本越高，而
3D打印则不存在这个问题。制造复杂物品而不增加成本将打破传统的定价模式，改变我们
计算成本的方式。
（2）减少设备购置成本：传统的制造设备功能比较少，做出的形状也有限，3D打印可以减少购置新设备的成本，一台3D打印机只需要不同数字设计图纸和新的原材料。
（3）无需组装：传统的大规模生产建立在组装线基础上，在现代工厂，机器生产出相同的零部件，然后在进行组装，产品组成部件越多，组装耗费的时间和成本越高。而3D打印是一体化成型，无需组装，大大降低了生产成本。
（4）材料组合的无限可能性：传统制造业将不同材料结合成单一产品是件比较困难的事情，因为无论切割或模具成型过程中都不能轻易的将多种材料融合在一起。而3D打印机能够做到。
（5）突破传统的设计空间：传统制造技术生产的产品形状有限，制造形状的能力受制于所使用的工具。3D打印机可以突破这些局限，开辟巨大的设计空间，甚至可以制作目前可能只存在于自然界的形状。

但是在大规模生产上，3D打印目前仍无法获得规模经济，在成本上和效率上不具优势。因此，3D打印主要被应用于个性化、小批量和高精度的产品制造上。3D打印的局限性，主要体现在两个方面：

（1）材料技术亟需突破：一般3D打印的材料包括石膏、无机料粉、光敏树脂、塑料等，但工业级应用的金属粉末仅有钛、不锈钢、金银等寥寥数种，材料种类亟需扩展。
（2）批量生产经济性不高、控制难度高：快速成型设备的成本和效率优势体现在小批次、设计复杂的物件制造上，但制造大型、结构简单、大批量的零件相比于数控机床具有劣势，不仅成本较高，而且由于收缩率的影响、尺寸精度难以控制。


3、3D打印在医疗领域大展拳脚

近年来，随着技术的发展，3D打印已率先在医疗领域获得应用上的突破。这主要因为医疗行业（尤其是修复性医学领域）个性定制化需求显着，鲜有标准的量化生产，而个性化、小批量和高精度恰是3D打印技术的优势所在。

图3：医疗在3D打印领域的应用市场份额

目前，3D打印在医疗生物行业的应用主要包括三个方面：

（1）体外医疗器械制造——无需生物相容的材料

体外医疗器械包括医疗模型、医疗器械——如假肢、助听器、齿科手术模板等。根据美国组织AmputeeCoalition的统计，目前美国正有约200万人使用3D打印假肢。

图4：3D打印的假肢

图5：3D打印的助听器

（2）个性化永久植入物

对人体身体部位的复制是高度定制化的产品，通过3D打印，这些部件可以与身体完全契合，与身体融为一体。以骨骼为例，当人体的某块骨骼需要置换，可扫描对称的骨骼，再打印出相应的骨骼，最后通过手术植入人体内。

图6：3D打印的移植用颚骨

图7：3D打印的功能性耳朵

在国内，3D打印“骨骼”技术已经于2013年被正式批准进入临床观察阶段。目前，北京大学第三医院骨科专家刘忠军教授带领的团队在征得病人同意后，已有近40位患者植入了3D打印出的“骨骼”。该院在脊柱及关节外科领域研发出3D打印脊柱外科植入物，其中颈椎椎间融合器、颈椎人工椎体及人工髋关节三个产品已经进入临床观察阶段。这种3D打印的假骨有助将周边的骨头吸引过来，使人体骨骼和植入物结合起来，促进患者康复。到目前，使用3D打印骨骼的患者恢复情况非常好，在很短的时间内，就可以看到骨细胞已经长进到打印骨骼的孔隙里面。

图8：刘忠军教授将3D打印内植物用于脊柱外科手术

（3）细胞3D打印


细胞打印属较为前沿的研究领域，是一种基于微滴沉积的技术——一层热敏胶材料一层细胞逐层打印，热敏胶材料温度经过调控后会降解，形成含有细胞的三维结构体。

图9：细胞3D打印过程

细胞打印能够：


1）为再生医学、组织工程、干细胞和癌症等生命科学和基础医学研究领域提供新的研究工具。
2）为构建和修复组织器官提供新的临床医学技术，推动外科修复整形、再生医学和移植医学的发展。
3）应用于药物筛选技术和药物控释技术，在药物开发领域具有广泛前景。


在这一领域领军的Organovo公司，已经成功研发打印出心肌组织，肺脏，动静脉血管等。虽然目前这一技术的应用尚处于试验阶段，但未来有望逐步应用于器官移植手术中。

近日，Organovo公司宣称用3D打印机完整打印一个有正常生命机能的肝脏，为肝脏移植患者提供帮助。公司先通过独特的细胞3D打印技术，在细胞培养基座中打印出肝脏所需的细胞组织，然后再在培养皿中进行培养，并生成正常形状和机能的肝脏，然后便可以移植到人体中，进行身体解毒和排毒等正常代谢功能。不过，该肝脏的生命周期只有40天左右。

图10：3D打印的静脉固定装置

图11：3D生物打印的肾脏内部血管组织

对于3D打印在医学领域的应用，有人提出了一个“3D打印生命阶梯”的预想，无生命的假肢位于阶梯的底层；中间是简单的活性组织，如骨与软骨；简单组织之上将是静脉和皮肤；最靠近阶梯顶层的将是复杂且关键的器官，如心脏、肝脏和大脑；而生命阶梯的顶层将是完整的生命单位。