3D打印帶來醫療新革命

　　1、什么是3D打印

　　3D打印(3Dprinting)也稱為“增材制造(AdditiveManufacturing)”，它是新興的一種快速成型技術。與傳統的減材制造工藝不同，3D打印是以數據設計文件為基礎，將材料逐層沉積或黏合以構造成三維物體的技術。

　　現代意義上的3D打印技術于20世紀80年代中期誕生于美國。CharlesHull(3DSystems公司的創始人)和 ScottCrump(Stratasys公司的創始人)是3D打印技術的先驅人物。以3DSystems和DTM公司為代表的一批美國中小科技公司在 20世紀80年代末-90年代初相繼研發出立體光固成型(SLA)、選擇性激光燒結(SLS)和熔絲沉積造型(FDM)等主流技術路線，經過20多年的沉淀和不斷完善已經日臻成熟。

　　3D打印與傳統制造業的最大區別在于產品成型的過程上。在傳統的制造業，整個制造流程一般需要經過開模具、鑄造或鍛造、切割、部件組裝等過程成型。 3D打印則免去了復雜的過程，無需模具，一次成型。因此，3D打印可以克服一些傳統制造上無法達成的設計，制作出更復雜的結構。

　　目前，3D打印設備已經廣泛地應用于航空航天、汽車、消費電子、工業、醫療、建筑等領域。功能也從最早的展示、教學拓展到工業模具的制造，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%躍升到了2011年的24%。隨著3D打印技術越來越成熟，它的應用范圍將越來越廣，未來將深刻地改變世界制造業的理念、方法和格局。

　　根據咨詢公司WohlersAssociates的統計，2011年全球3D打印產品(設備+服務)的銷售總額已經達到16.8億美元，近十年時間里以年均27%的速度高速增長。該公司進一步預測，未來5-10年全球快速成型市場將繼續以年均20%的速度膨脹，2019年可達66.5億美元的體量。

　　2、3D打印的優勢和局限性

　　3D打印作為一種嶄新的制造技術，有著傳統制造業所無法比擬的諸多優勢。隨著技術的不斷進步，3D打印在鑄造精度上已經可以與傳統方式相媲美。其優勢主要體現在以下幾個方面。

　　(1)制造復雜物品不增加成本：對于傳統工藝而言，物體形狀越復雜，制造成本越高，而

　　3D打印則不存在這個問題。制造復雜物品而不增加成本將打破傳統的定價模式，改變我們

　　計算成本的方式。

　　(2)減少設備購置成本：傳統的制造設備功能比較少，做出的形狀也有限，3D打印可以減少購置新設備的成本，一臺3D打印機只需要不同數字設計圖紙和新的原材料。

　　(3)無需組裝：傳統的大規模生產建立在組裝線基礎上，在現代工廠，機器生產出相同的零部件，然后在進行組裝，產品組成部件越多，組裝耗費的時間和成本越高。而3D打印是一體化成型，無需組裝，大大降低了生產成本。

　　(4)材料組合的無限可能性：傳統制造業將不同材料結合成單一產品是件比較困難的事情，因為無論切割或模具成型過程中都不能輕易的將多種材料融合在一起。而3D打印機能夠做到。

　　(5)突破傳統的設計空間：傳統制造技術生產的產品形狀有限，制造形狀的能力受制于所使用的工具。3D打印機可以突破這些局限，開辟巨大的設計空間，甚至可以制作目前可能只存在于自然界的形狀。

　　但是在大規模生產上，3D打印目前仍無法獲得規模經濟，在成本上和效率上不具優勢。因此，3D打印主要被應用于個性化、小批量和高精度的產品制造上。3D打印的局限性，主要體現在兩個方面：

　　(1)材料技術亟需突破：一般3D打印的材料包括石膏、無機料粉、光敏樹脂、塑料等，但工業級應用的金屬粉末僅有鈦、不銹鋼、金銀等寥寥數種，材料種類亟需擴展。

　　(2)批量生產經濟性不高、控制難度高：快速成型設備的成本和效率優勢體現在小批次、設計復雜的物件制造上，但制造大型、結構簡單、大批量的零件相比于數控機床具有劣勢，不僅成本較高，而且由于收縮率的影響、尺寸精度難以控制。

　　3、3D打印在醫療領域大展拳腳

　　近年來，隨著技術的發展，3D打印已率先在醫療領域獲得應用上的突破。這主要因為醫療行業(尤其是修復性醫學領域)個性定制化需求顯著，鮮有標準的量化生產，而個性化、小批量和高精度恰是3D打印技術的優勢所在。

　　目前，3D打印在醫療生物行業的應用主要包括三個方面：

　　(1)體外醫療器械制造——無需生物相容的材料

　　體外醫療器械包括醫療模型、醫療器械——如假肢、助聽器、齒科手術模板等。根據美國組織AmputeeCoalition的統計，目前美國正有約200萬人使用3D打印假肢。

　　(2)個性化永久植入物

　　對人體身體部位的復制是高度定制化的產品，通過3D打印，這些部件可以與身體完全契合，與身體融為一體。以骨骼為例，當人體的某塊骨骼需要置換，可掃描對稱的骨骼，再打印出相應的骨骼，最后通過手術植入人體內。

　　在國內，3D打印“骨骼”技術已經于2013年被正式批準進入臨床觀察階段。目前，北京大學第三醫院骨科專家劉忠軍教授帶領的團隊在征得病人同意后，已有近40位患者植入了3D打印出的“骨骼”。該院在脊柱及關節外科領域研發出3D打印脊柱外科植入物，其中頸椎椎間融合器、頸椎人工椎體及人工髖關節三個產品已經進入臨床觀察階段。這種3D打印的假骨有助將周邊的骨頭吸引過來，使人體骨骼和植入物結合起來，促進患者康復。到目前，使用3D打印骨骼的患者恢復情況非常好，在很短的時間內，就可以看到骨細胞已經長進到打印骨骼的孔隙里面。

　　(3)細胞3D打印

　　細胞打印屬較為前沿的研究領域，是一種基于微滴沉積的技術——一層熱敏膠材料一層細胞逐層打印，熱敏膠材料溫度經過調控后會降解，形成含有細胞的三維結構體。

　　細胞打印能夠：

　　1)為再生醫學、組織工程、干細胞和癌癥等生命科學和基礎醫學研究領域提供新的研究工具。

　　2)為構建和修復組織器官提供新的臨床醫學技術，推動外科修復整形、再生醫學和移植醫學的發展。

　　3)應用于藥物篩選技術和藥物控釋技術，在藥物開發領域具有廣泛前景。

　　在這一領域領軍的Organovo公司，已經成功研發打印出心肌組織，肺臟，動靜脈血管等。雖然目前這一技術的應用尚處于試驗階段，但未來有望逐步應用于器官移植手術中。

　　近日，Organovo公司宣稱用3D打印機完整打印一個有正常生命機能的肝臟，為肝臟移植患者提供幫助。公司先通過獨特的細胞3D打印技術，在細胞培養基座中打印出肝臟所需的細胞組織，然后再在培養皿中進行培養，并生成正常形狀和機能的肝臟，然后便可以移植到人體中，進行身體解毒和排毒等正常代謝功能。不過，該肝臟的生命周期只有40天左右。

　　對于3D打印在醫學領域的應用，有人提出了一個“3D打印生命階梯”的預想，無生命的假肢位于階梯的底層;中間是簡單的活性組織，如骨與軟骨;簡單組織之上將是靜脈和皮膚;最靠近階梯頂層的將是復雜且關鍵的器官，如心臟、肝臟和大腦;而生命階梯的頂層將是完整的生命單位。