3D打印机在生物医疗领域的应用解析

从1988年第一台3D打印机问世到如今，3D打印似乎已经成为了一个炙手可热，耳熟能详的名词，还被誉为是“第三次工业革命的重要标志之一”。但是很多人对它的印象可能仅停留在“好像什么复杂的建材都能打印出来”的观点上。但实际上，在过去的十几年里，3D打印已不再局限于制造业，它在医药行业也扩展得十分迅猛，各项有前景的应用接踵而至，这次本文便来简单讲讲3D打印及其在医药行业中的应用状况。

第一台3D打印机

一、3D打印的类型
3D 打印技术是20世纪80年代后期开始逐渐兴起的一项新兴制造技术，它是指在计算机控制下，根据物体的计算机辅助设计（CAD）模型或计算机断层扫描（CT）等数据，通过材料的精确3D堆积，快速制造任意复杂形状3D物体的新型数字化成型技术 。
目前应用较多的 3D 打印技术主要包括光固化立体印刷（SLA）、熔融沉积成型（FDM）、选择性激光烧结（SLS）和三维喷印（3DP）等。

1、立体光固化成型打印
立体光固化成型 SLA（stereo lithographyappearance），即用特定波长与强度的激光聚焦到液态的光固化材料表面，使之由点到线，由线到面的顺序凝固，完成一个层面的绘图作业。然后再移动光波至另一个层面，层层叠加构成一个三维实体。

2、熔融沉积成型打印
熔融沉积成型FDM(Fused DepositionModeling)工艺是通过将丝状材料，如热塑性塑料、蜡或金属的熔丝从加热的喷嘴挤出，按照零件每一层的预定轨迹，以固定的速率进行熔体沉积。每完成一层，工作台下降一个层厚进行迭加沉积新的一层，如此反复最终实现零件的沉积成型。FDM 工艺的关键是保持半流动成型材料的温度刚好在熔点之上 ( 比熔点高 1˚C左右)。其每一层片的厚度由挤出丝的直径决定，通常是0.25~0.50mm。

3、选择性激光烧结打印
选择性激光烧结法   SLS（Se1ected Laser Sintering），采用红外激光器作能源，使用的造型材料多为粉末材料。加工时，首先将粉末预热到稍低于其熔点的温度，然后在刮平棍子的作用下将粉末铺平 ；激光束在计算机控制下根据分层截面信息进行有选择地烧结，一层完成后再进行下一层烧结，全部烧结完后去掉多余的粉末，则就可以得到一烧结好的零件。

4、三维喷墨打印
三维喷墨打印是通过将液态连结体铺放在粉末薄层上，以打印横截面数据的方式逐层创建各部件，创建三维实体模型。采用这种技术打印成型的样品模型与实际产品具有同样的色彩，还可以将彩色分析结果直接描绘在模型上，模型样品所传递的信息较大。 三维喷墨打印的材料主要是一些高性能复合材料（高强打印粉）。目前，三维喷墨打印机是市场上精度最高，成型效果最好的高端打印设备。

二、3D打印的优劣势
优势：
（1）打印精度高。目前上市的主流3D打印机精度基本控制在0.3 mm以下，个别精度较高的可实现600 dpi的分辨率，打印厚度只有0.01 mm。
（2）生产周期短。3D打印可在数小时内快速精确地将计算机中的数字模型打印出来。
（3）满足个性化需求。理论上讲，3D 打印机能打印出计算机设计的任何形状的模型。
（4）节省材料。3D打印因其增材制作的特性在生产中不会产生边角料，通过摒弃生产线降低了成本，提高了材料利用率。

劣势：
（1）打印精度受限。3D 打印技术发展到现在，虽然有了很高的精度，但还不能实现一些特殊精密产品的打印，如照相机镜头等。
（2）使用材料范围有限。基于目前 3D 打印机的成型原理，仅可使用金属粉末、无机粉料、光敏树脂、塑料等，像衣服纤维这样的特殊材料还显得无能为力。
（3）打印尺寸受限。3D 打印应用范围虽然广泛，但对军工、航空航天和航海等领域所需要的大尺寸零部件来说暂时还难以实现。

三、3D 打印技术在医药领域的应用
随着 3D 打印技术的发展和成熟，它在医学模型制造、组织器官再生、临床修复治疗和药物研发试验等领域也得到了广泛应用。

1、 医学模型制造
医学模型在基础医学和临床实验教学中的用途十分广泛，用量也大，但是用传统方法制作医学模型程序复杂、周期长，在使用过程中极易损坏。利用 3D 打印制作医学教学用具、医疗实验模型等用品不仅避免了上述问题的出现，同时还可以根据实际需要对一些特殊模型实现个性化制造。

而对于风险很大的手术，为了保证医疗手术的安全实施，医生会根据病变器官模型进行分析策划以确定重要的手术方案。利用 3D打印技术对材料进行精确控制的优点可快速制备出高质量的器官模型，帮助医生进行精准的手术规划、提升手术的成功率，又方便医生与患者就手术方案进行直观的沟通。

举例：
美国一家医院成功地为一对连体双胞胎婴儿实施了头颅分离手术，其中引人注目的是手术前医院采用了以色列Obeject公司的三维打印机制作出精确的连体头颅。据此进行了缜密的手术方案研究，使手术顺利进行，只用了22h，而以往相类似的手术则长达72h。

连体头颅模型

2、 细胞的制备
近年来，研究者已开始广泛关注细胞的3D打印技术，如通过携带细胞进行3D打印而直接制备动物器官、组织的方法。此技术的优点在于通过对加工过程的精确控制优势，调节细胞在微观尺度上的排列情况，以实现对单个细胞的行为和细胞间的相互作用（细胞与细胞、细胞与材料）进行控制，从而促进细胞形成具备各种功能的组织，为医疗手术及术后恢复提供便利。

3D打印的细胞生长成的皮肤状片层结构

3、 3D打印组织器官
人体组织器官替代物一直是临床医学上的一个难题，很多患者为此而丧失生命，且人体组织器官代替物对材料的要求很高，实现难度大。但随着科学技术的发展，3D 打印人体器官已经成为可能。

举例：
加州大学圣地亚哥分校（UCSD）利用自行研制的数字光处理（DLP）3D打印机，他们成功打印出了复杂的血管网络，而此网络在被植入小鼠体内后居然成功与后者的血管系统实现了融合，并且表现出了正常的功能。

UCSD团队利用3D打印的5毫米大的血管网络

此外还可利用 3D 技术打印人体肝脏、肾脏和特定细胞组织用于新药测试，不仅可以真实模拟人体对药物的反应，得到准确的测试效果，而且还能在很大程度上降低新药的研发成本。

4、3D打印植入物
3D打印技术用于制造骨科植入物，可有效降低定制化、小批量植入物的制造成本，且这种植入物能够更好地融入人体，改善对患者的治疗效果。近年来，医疗行业已越来越多地采用金属3D打印技术来设计和制造医疗植入物。

举例：
澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）、墨尔本医疗植入物公司Anatomics和英国医生联手，为一名61岁的英国患者Edward Evans实施了3D打印钛-聚合物胸骨植入手术，这也是全球首创。之前这种植入物一般都会用纯钛制造，新型胸骨植入物能够比之前的纯钛植入物更好地帮助重建人体内的“坚硬与柔软组织”。

使用3D打印制造的钛-聚合物胸骨

5、3D打印药物
3D打印技术的优势在于个性化制备复杂结构，因此用于制药时可以实现剂量、外观、口感等的个性化定制，同时因为3D打印的“药片”可拥有特殊的微观结构，有助于改善药物的释放行为，从而提高疗效并降低副作用。

举例：
美国制药公司Aprecia成功地应用了3D打印技术，将药物的活性和非活性成分层层放置，开发出了世界上第一个3D打印的药品 —— Spritam（化学名为：左乙拉西坦），这是一种用于治疗癫痫的药物。这种用药物粉末打印出来的药丸有着多孔的结构优势，在接触到水后能够迅速溶解，能更快更好地发挥效力，以应对突如其来的抽搐。

Aprecia利用3D打印生产的SPRITAM（左乙拉西坦）片剂

虽然技术也需要继续改进，在新材料领域也需要更多的研究，但不可否认3D打印是目前药物生产的一种可行方法。但目前3D打印药物最大的挑战并不在于技术本身，而是监管环境。如果将药品投放市场但没有严格的监管要求，那么就很难保证它的安全有效性。

作为一项新兴科技产业，3D 打印技术在医疗领域产生了深远影响，推动了医疗卫生事业的快速发展。但目前来看，3D打印医用材料的各项技术仍未成熟，若想真正实现3D打印大范围运用在医药领域，还有一段很长的路要走。但相信随着3D打印技术在程序以及机械方面的快速发展，机遇也会随之出现。

来源： 医学3D打印创新研究中心