【高端演讲】上海大学教授胡庆夕：生物3D打印综合成形工艺与装备

【高端演讲】上海大学教授胡庆夕：生物3D打印综合成形工艺与装备

【导读】 在6月下旬，世界3d打印大会在青岛举行。南极熊3D打印网也到了现场进行了大量的报道，详情请看南极熊报道 http://www.dddyin.com/forum-103-1.html 。南极熊作为一个3d打印的专业媒体平台，一直致力于推动中国3D打印行业的发展。希望下面的一些内容对大家有所启发。


张人佶：下一个报告人是胡庆夕，上海大学教授。   

    胡庆夕：我是来自上海大学的胡庆夕，我们团队主要是做有关生物3D打印装备方面的研究。我报告的题目是《生物3D打印综合成形工艺与装备》。

    我从四个方面，首先把我们单位的情况做一个简单的介绍。我们是从2001年开始围绕过去叫快速成形、快速模具，从那个时候开始这项工作。我们在3D打印方面应用了14年，在这个方面的研究也研究了14年。我们为企业服务数十万件，用3D打印。我们的装备，3D打印以及快速模具方面的装备有13台，包括一些我们工业用的软件，以及医学的软件。

    上面那个是一个应用的，我们的装备。在这个方面，现在显示的是我们在生物制造研究方面的。因为我们主要是做装备，包括后面要做实验，所以有生物的，以及辅助装备和自动化装备，以及细胞房和无菌打印室，验证我们的装备。我们这么多年来和上海组织工程研究中心、上海交大第九人民医院、瑞金医院、新华医院、中山医院、同济大学十院合作。下面这个是我们的题外话，这是我们做的真空注型方面的研究。大家都知道快速成形，或者叫3D打印，但是丢了一个快速模具。因为我们说做小批量都需要快速成形做一个样件，然后后面做小批量制作，那就是快速模具。我们在展位上很多人都问这个，搞不清楚这是什么，这是我们研发的，完全的自主知识产权。

    接下来把背景和意义介绍一下。刚才马教授也讲了，我们知道美国《时代》周刊把3D打印这个产业列入了美国十大增长最快的产业，而且我们习总书记在前一两周两院院士的报告上也点到了机器人、3D打印和人工智能制造技术。国家领导人点到了，那看来这个事会更热了。随着3D打印的发展，我们知道，3D打印开始进入了医学界。刚开始我们做模型，做一些模型给医院，后面就逐渐形成了一个全新的研究领域，这就是我们把工科和生命进行交叉，一个新型的学科出现了，就是我们说的搞生物3D打印了。这个方面全世界都在关注。

    关于生物3D打印，可能每个人的说法都不一样，我们也听到了一种说法，它是这样比喻的：“3D打印如果比喻成皇冠的话，生物3D打印就是皇冠上的明珠”。当然每个人的比喻都不一样，也就是说它可能是更高一个层次的研究，为我们人类将作出贡献的一个方面。因为我们提到组织工程器官的缺损，功能障碍，这是人类健康的主要危害之一，我们生物3D打印就在围绕这方面做工作。美国预测未来十年人工器官和功能组织的替代产品将达到50%，人造的器官潜在的市场就是4000亿。所以从这个方面也展示了这个巨大的应用前景。

    还有预言的，研究生物3D打印已经制造动脉，最早有望在五年内用于心脏的搭桥。还有预言，心脏和谷歌等更复杂的习惯将在十年内被打印出来，都是预言。还预言细胞从干细胞中分化出各种其它的细胞，制成生物墨水，一层一层的打印，建立肾脏。从这个方面也体现了生物3D打印在全世界的热。

    在3D打印方面，一个我们知道是用3D打印来制备组织工程支架，这个方面的研究很多人都做了。再一个方面就是研究新型的3D打印工艺和装备，两个方面的研究。那我们第一个方面，用3D打印，这个过程我们已经结束了，在2003-2005年的时候都是用3D打印。现在我们主要是做3D打印，就是生物3D打印。

    生物3D打印发展的瓶颈就是我们要研究新型装备，涉及的学科就很多。不光说做一个装备的机械、控制、计算机，这是我们做一般的装备，这三个领域。但是做这个装备，它牵扯的就多了。像我们说医学、生命、材料，都设计了，所以这个领域研究各个方面的研究人才都需要，所以它是个非常交叉的学科。

    最后我谈谈我们研究的成果，我们在这次展会上，可能很多专家教授也都看到了，我们研究是生物CAD/CAM/3D打印综合成形集成系统。我们这个系统的特点一个是综合成形的工艺，这里面包括3D打印的工艺，电纺丝的工艺，多细胞组装的工艺，不是单一的3D打印工艺。材料复合的结构形状包括多材料、多梯度、多尺度结合的一次成形。在技术方面，一体化复合支架的3D打印成形技术以及基于电喷射的多细胞打印技术，还有生物CAD/CAM。

    我们做的装备是想实现从CT扫描得到的数据通过这个系统到后面出现结构体，包括细胞打印，一体整个完成。实际上我们初步已经出现了，在我们展位上就已经有了。不能说完善，已经有了。

    我们主要分了两大系统，一个是生物CAD/CAM系统。从事机械领域的都知道，我们有一个机械的CAD/CAM，我们把它命名为生物的CAD/CAM，就是医学图像的处理，CAM就是我们加工路径的规划，再一个就是生物3D打印综合成形系统。适用的材料在这边，下面就是生物CAD和生物CAM两个部分。

    这是生物3D打印的综合成形系统，旁边还有一个历史，这是我们最早的设备，在去年的中国3D打印报告上我介绍的还是这个装备。我们在用这个装备的过程中自己研发，出现了新的装备。

    这是一段录像，可能到展位上就看到了。是建模部分。缺损部位的获取。这是我们做的第一步，新的要求在后面，目前实现的是到建模部分，包括路径规划、打印。多喷头的打印。可以做到几微米到几百微米，因为我们一般说3D打印要做几微米很难实现，但是我们这里面估计可以做到几微米到几百微米，整个这样一个大的空间范围内。这是到另外一个工位做电纺丝。这里面支架有宏观的，有微观的。微观就是刚才看到用电纺丝的来实现。在这里看到宏观孔，还有微观孔，可能大家看得不清楚。这是做血管。

    这是我们在做路径规划方面，以及做支架方面发表的一些文章，在一些著名的期刊上都发表了。这里有复合支架，有单尺度的，两种，下面做了一些对比，这是由上海第九人民医院提供的图片。这个是在做血管，因为现在医院有很多种方法，有用编制的、微压印的，以及金属的，我们做的是3D打印的，这是和新华医院的合作。

    再一个，我们做再生膜。一个是用单一材料PVA，做双层的时候就显得很致密，这里就用了两种材料来做疏松。对它做了拉力实验。这里是中空管，血管方向可以推进。这边是一个有序结构的，这个可能看不清楚。这个对于细胞的生长是有好处的，就是引导它往哪个方向发展。这个是电喷，这边就是电纺，大家可以看到电纺丝细胞在这个方向上，做了各种实验，这个也发表在期刊上。

    这是前一段我们做的人成纤维细胞，它用3D打印和没用3D打印进行的对比。这是第九人民医院做的实验，通过我们的机器进行打印。实验的结果他们感觉非常满意，通过这个装备来进行打印。这个是人的软骨细胞进行的对比，对比的结果也得到了他们的认可。

    再一个是在展药（音）上做的工作，这个是给瑞金医院合作。这个是刚刚开始探索，用生物3D打印来做，可能结果还不是很满意，因为我们刚刚在这方面用这个装备进行实验。

    最后总结一下我们这个系统，完全是自主开发的，没有任何别的技术在里面。再一个，实现了从CT一直到打印，就是建模到打印整个的过程。实现了挤出成形和静电喷射双工位，在这个系统上，可以进行挤出静电纺丝和电喷射的单一成形工艺或综合成形工艺的制品，实现微观、宏观以及宏微观结构的复合加工。适合的领域我就不说了，很多方面都在用这个装备进行探索。

    欢迎大家到这个地方看装备，谢谢大家。（C-94展位）   

    互动：用成骨细胞和软骨细胞，你也做了电纺丝的支架，你有试着做培养不同的细胞在支架上面吗？   

    胡庆夕：我们正在实验这两种细胞，通过3D打印，会不会对细胞产生影响，在九院做实验，他们进行分析，得到的结果他们认为是满意的，因为下面接着要做更多细胞通过3D打印来实现。   

    互动：您提的生物薄膜是用在什么方面的？   

    胡庆夕：血管。   

    互动：我想问一下，您在做这个3D打印细胞的时候，因为咱们做生物医学工程领域的都知道，在这个细胞培养的过程中，普通的放在体外的培养，尤其是静态培养条件下，一般培养大块组织上，它的细胞就没法获得营养。我现在想问，你打印的软骨，打印完以后，这个细胞在体外培养的活性和生成细胞有没有差别？怎样解决这个问题？   

    胡庆夕：刚才我也讲，在我们临出来前刚刚做了这个实验。   

    互动：您这个打印完细胞的活性和普通接种到支架上的细胞的活性有没有什么差别？   

    胡庆夕：这个现在因为没有做，我刚才讲了，我们现在做的就是两种细胞，一个是没有打印的，一个是打印的，打印完了前几天刚刚做了对比实验，刚刚做完，后面可能还要做更多的实验。首先验证能不能做，这是第一步，到底做了后面还有什么问题，那还要再探索。   

    互动：好，谢谢。

首届世界3D打印技术产业产业大会于5月29－31日在北京中国大饭店隆重举行。在会上，上海大学快速制造中心主任、教授胡庆夕发表演讲，胡庆夕表示，生物增材制造技术，就是现在说的生物3D打印，它是伴随着我们增材制造技术或者叫三维打印技术，逐渐形成一个全新的研究领域。从组织工程和生物制造技术进行缺损的修复，能有效地解决一个自体的移植。生物三维打印的发展，要解决的就是这方面的问题，所以它展现了巨大的应用空间。
胡庆夕称，生物三维打印技术设置的门槛比较高，牵涉的技术比较多，其中解决几个方面的问题，一个方面就是生物材料，再一个方面就是生物的建模，另一个是关于工艺方面或者设备方面。
以下为上海大学快速制造中心主任、教授胡庆夕演讲实录：
胡庆夕：大家好，昨天到今天我们从3D打印到生物3D打印已经接受了很多这方面的知识的，今天我主要是给大家介绍一下我们做的工作，主要介绍几部分，一个是中心的情况介绍，背景、意义、国内外的情况，以及后面的三个工作。
我们中心是2001年和华东科技大学共同建立了快速制造工程中心，我们中心目前3D打印的设备种类方面是最全的，工程应用方面也是最成熟的。所以，我们一直致力于三维打印以及生物三维打印，以及快速模具这方面的研究和应用。我们在近十年的时间里，做了数十万的关于3D打印的产品，目前我们与上海第九医院、新华医院等等都进行了合作。
从装备来说，在测量装备方面我们有17台先进的测量装备。在三维打印方面，我们的装备现在是有15台，就差一个，现在没有金属粉末，其他的各种全部都有了，而且我们基本上是每种两台。这是我们的实验室，包括数据处理、3D打印、快速模具以及后处理的。
在应用方面，包括在医学上的，当时这是上海的第一个儿科医院，当时给连体婴儿做的，当时在中央电视台也做了报道，还有头骨的、汽车的仪表盘等等。这是当时美国一个公司在上海北外滩当时要投标建设一个楼房，这是我们做的各种客户的产品，这是摩托车。
我主要介绍的是后面的部分，关于三维打印，因为在我们的中心，一部分是为企业的工程应用服务，再一部分就是我们做的研究。研究围绕着生物制造方面，或者叫生物三维打印，最早我们的研究是研究工艺，用三维打印来做，就是现成的设备。通过多年的研究开始发现，用现成的设备存在很大的问题，我们在后面会提到。
前面的老师都已经讲了关于生物三维打印的意义，我们从中也可以看出来，因为我们各种组织器官的障碍是我们人类健康的一个主要危害之一。再一个，在前面西安电子科大的老师也讲了，它在我们医学上的应用是非常广泛的，这样的病例也是非常多的，存在的问题，我们一直在问，是不是有一天我们人类器官的人工制造成为可能？使众多的由于疾病、事故或者战争导致的器官缺损这样的患者能够全部被治愈，后来出现了组织工程，就是我们现在说的再生缺损组织修复。通过这种方式，三维打印最后要形成自身有功能的活体组织，也就是永久性的替代。再一个，按照组织的缺损形状任意塑形，实现完美形态修复。
我们知道，生物增材制造技术，就是我们现在说的生物三维打印，它是伴随着我们增材制造技术或者叫三维打印技术，逐渐形成一个全新的研究领域。
从组织工程和生物制造技术进行缺损的修复，能有效地解决一个自体的移植，因为我们知道用自己的骨或者是皮肤来修复自己，那是创伤修复创伤。生物三维打印的发展，要解决的就是这方面的问题，所以它展现了巨大的应用空间。
在国内外的研究，生物三维打印技术设置的门槛比较高，牵涉的技术比较多，我们从这里可以看出，我们将各个学科的交叉，实际上要解决的就是几个方面的问题，一个方面就是生物材料，再一个方面就是生物的建模，以及包括它的制造和它的工艺，要解决这方面的问题。通过这些问题的解决，实现再生的结构体，就是现在说的细胞的打印，直接出来支架，来修复我们说的骨骼、软骨、血管、皮肤，或者是心脏等等。
在这个研究过程中，生物制造前面已经讲了，主要包括这几个方面，层次上的术前的医疗模型，就像我们做的连体婴儿，那就是术前的医疗模型，给医生进行分析使用的。再一种就是替代物的，就是我们做的很多假体。再往上走一个部分，就是我们现在说的组织工程支架，可以降解的。到现在开始做的一些研究，就是用细胞直接做器官。
在生物建模方面，国内外现在都很多，实际上在这个方面做的最具有代表性，就是比利时的Materialise公司，我们一直在应用它的软件，在国内也有从事这方面的研究，我们在这方面也做了一些工作，对称缺损骨的模型，非对称的等等。
再一个是关于工艺方面或者设备方面，一个就是基于我们三维打印的再生支架这方面的制备，这方面的制备是成为国内研究的一个焦点，美国、新加坡、韩国、德国等等都在做，包括国内清华、西交大都在做这方面的工作，而且已经取得了很显著的成绩。我们刚开始研究的时候，基于三维打印的方法，采用了不同的三维打印工艺，比如说PLA、FDM等等。我们知道，虽然三维打印可以制造任意复杂支架的外形，但是它在形状的精度很难实现200微米以下的微孔，这是三维打印存在的缺陷。当然，随着它制造的技术不断地完善，它可能会做更精细的零件。在目前的情况下，对于微结构形态存在很多技术的壁垒，这是我们在使用现有的装备在研究的过程中发现的。
再一个，基于电纺丝的再生支架制备工艺，美国、韩国、意大利、包括我们国内都在从事这方面的研究工作，我们也采用电纺丝运用不同的材料进行再生支架这方面的工作。再一种就是把这两项技术组合、综合，采用这种技术现在刚刚开始，从我们所查到的文献看到，像葡萄牙用FDM和电纺丝技术的结合，韩国也是FDM和电纺丝的结合，用生物材料进行这方面支架的制备。我们将常温挤出成型和电纺丝结合，进行再生支架的制备。这种制备是采用三维打印的方式，主要是保证支架的性能。我们利用电纺丝是弥补它的不足，就是微观的结构。
在这个方面，因为我们在研究的过程中，当时我们没有用电纺丝的时候，开始出现一个宏观支架的结构，在进行细胞培养的时候发现细胞有的时候放进去以后，它就自己放下沉积，中间没有能把它截住的地方。这个微结构的问题一直解决不了。再一个就是细胞的组装，国内国外在这个方面做了大量的工作，细胞组装技术是得到了国内外学者的重视，挤出成型、电喷射成型等等，已经得到了这方面的认可。
再生支架的建模，因为我们前面很多年做了这方面的工作，最早我们用的是上面那个，就是说要用很多软件来完成建模。这个在医学上是很难实现的，包括我们工程上的很多软件都用到了。到后来，我们就提出来要做下面这个，基于医学图象的缺损骨再生支架建模方法，我们就提出这样一个架构。再生支架在建立的过程中，我们对它提出来一个就是它这个模型的特征，一个就是外部的模型特征，这就是说拿一个缺损的形状，再一个就是内部模型的特征，它分为两个部分，大家看到的很多就像搭架子一样，宏观的结构形状。还有一种是微观的。宏观结构是可以通过建模实现的，所以在这里面，宏观结构我们利用的是三维打印，包括外形，不可建模部分我们是用的电纺丝来完成这个工作。
实际上我们建模在这里面要获取缺损部分的模型。这一块的建模刚才几位老师都有很多介绍，实际上就是通过建立一个单元的结构图，然后组成一个外形形状，进行运算，接得到了这样一个宏观结构。宏观结构的种类有很多，一种是大家看到的这种形式，这是我们通过三维打印实现的微孔结构。
这个结构可以是圆柱体、球体等各种各样的形状，你可以根据自身的需要去建模，大部分建模都是圆柱形的，有60度的，有90度的，这是内部的结构，医学的三维软件。这是我们自己建的一个软件，这里面就包括刚才讲的三个过程，CT数据过来，然后进行重建，重建以后获取缺损部位，然后再进行微结构的构建，微结构是你自己可以输入，你要得到多大的结构，他们之间的间距多大，然后得到我们要的结构。
这是一个非对称的，因为我们说人是基本上对称的，对称的建模方法基本上覆盖了人体的90%多，非对称的只有很小一部分，我们人的中间部位这一块是非对称的，因为当这一块缺损的时候，你想利用现有的数据，是没有的，你没有办法来获取它的三维数据，这时候你要进行一个非对称的建模。
再一个就是关于三维打印复合成型部分，在这个方面的研究。一部分就是要用生物材料，有天然的、有合成的，以及有无机。关于生物材料，我们在使用的时候，大部分都是跟医院在合作，得到医药总局批文的相关材料来进行这方面的研究。因为我们现在用的一些材料都是医院提供的，我们在建的时候，就是用三维打印和电纺丝技术进行结合。这里我们的复合成型方法，一种是低温的挤出，一个是热熔的挤出，再一个是常温的挤出。材料黏度较小时使用电喷射，材料有一定的黏度时就用电纺丝，这种技术在我们说的微纳芯片的制造中，觉得做出来以后太厚了，但是在我们这儿，可能不是太厚，微纳芯片在用的时候，他们跟我聊的时候就说到，这种技术他们在用的时候，一直解决不了薄的问题。这是我们建立的系统，这是我们自己开发的平台，这是第一代的，第二代马上就要出来了，现在我们用这个平台给医院做皮肤包括血管等等，都是通过这个看上去不像样的实验平台来做。这里面是用低温水溶性的材料，这个是常温的用的是水明胶做的质量，这个是同轴结构的，这个是梯度结构的，因为我们说将来你要做软骨，中间是梯队结构，要研究梯度结构的挤出，再一个是复合的，可以看出来，里面有密密麻麻的网格在里面，这底下就是做的一些细胞的培养。
我们后期要做一些工作，也向大家汇报一下。一个是要扩展应用的领域，完善这个方面的设备，推动设计与制造一体化的装备研究。在这个过程中，一个是我们复合工艺的血管、器官等等相关，因为这个是跟儿科在做血管方面的研究。再一个，复合工艺就是细胞打印、组装。再一个，是将生物建模与设备集成，形成从CT直接过来，出去的就是生物解体图，这样一个过程，这是我们下一步要做的研究工作。
最后，用美国生物学家诺贝尔奖获得者的一句话，用不了50年，人类将能够培育出人体的所有器官。当然，最后，我们希望我们的研究能为人类的健康做出我们应有的贡献。谢谢大家！