3D列印技術在醫療領域的研究進展

3D列印起源於20世紀80年代美國軍方的快速成形技術，與傳統成形技術有著本質差別。它的出現使傳統製造業發生了顛覆性變革，已成為引領未來全球製造業發展的新趨勢。接下來南極熊主要從實現方式、發展歷程及其在醫療領域的應用方面觀察3D列印的研究進展。

3D列印及其實現方式

3D列印是依託於信息技術、精密機械以及材料科學等多學科發展起來的尖端技術，又稱為「快速成型」技術或「增材製造」技術，主要通過電腦創建的三維設計圖對材料進行分層「列印」疊加，最終整體成形。3D列印實現方式主要有立體光刻成型、熔融沉積成型、選擇性激光燒結成型等。

（1）立體光刻成型。先由軟體把3D數字模型「切」成若干個平面，形成多個剖面；再由紫外線激光經一個周圍有液體槽（槽裡面充滿可以被紫外線照射固化的液體）並可以舉升的平台從模型的剖面底層開始進行照射固化；底層固化後，平台下移，開始固化下一層；如此往複，直到最終成型。

（2）熔融沉積成型。材料經高溫熔化成液態，然後通過噴嘴擠壓出許多很小的球狀顆粒，這些顆粒在噴出後會立即固化，固化的顆粒在 立體空間進行排列組合最終形成實物。

（3）選擇性激光燒結成型。將3D模型薄片化後放置在充滿待燒結的材料粉末的容器內；再採用大功率的二氧化碳激光從最底層的3D切片開始進行燒結；接著平台下移，材料輥在已燒結部分上再鋪上薄薄的一層材料粉末進行燒結；如此往複，直到整體成型。

3D印表機的發展歷程

1984年，查爾斯赫爾研製了3D列印技術並於1986年獲得專利，將其命名為立體光刻技術，成立了3D Systems公司。1987年，DTM公司開發了SLS技術，並進行了商業化應用。1988年，克倫普研發了FDM技術，翌年成立了Stratasys公司。1991年，Helisys公司售出了第一台分層實體製造（LOM）系統。1992年，Stratasys公司售出了首批基於FDM的「三維建模」機器。1993年，麻省理工學院獲得了「三維列印技術」專利，該技術類似於二維印表機中使用的噴墨印刷技術。1995年，麻省理工學院研發了粉末層和噴頭3D列印（3DP）技術。1996年，3D Systems公司推出「Actua 2100」快速成型機；同年Z Corporation推出「Z402」並首次冠以「3D印表機」的稱謂。2005年，Z Corporation推出市場上第一台高精度彩色3D印表機「SpectrumZ510」。2006年，RepRap開放源碼項目啟動，旨在開發能進行自我複製的3D印表機。2008年，Objet Geometries公司推出有史以來第一個能夠同時使用幾種不同材料的3D印表機「Connex500」快速成型系統 [6-7] 。Object Geomatries公司於2007年發布了 Polyjet矩陣技術，其列印設備，見圖1。

其技術原理是噴射超薄層的光固化物，最薄層只有16 μm，並且其噴射材料有多種。

3D列印在醫學領域的應用現狀 （1）製作下顎骨。

採用3D列印技術，世界上首次完成了完全使用定製植入物代替整個下顎的製作過程。與傳統製作方法相比，3D列印耗費的材料更少，生產時間更短，往往只需數小時便可以制出一隻下頜骨。為了避免排斥反應的發生，科研人員在製作完成的下頜骨上塗上了生物陶瓷塗層。技術人員可根據移植患者的具體需求來設計骨骼部件的效果圖，然後利用高精度鐳射槍來熔解鈦粉，並將他們一層層地噴塗疊加起來，最終製作出立體人造骨骼部件成品。整個過程不需要任何膠水或粘結劑。科研人員們已經成功為一名83歲的老婦人植入了經3D列印製成的下頜骨。

（2）列印外骨骼。

3D列印現在已經進軍體外骨骼列印，旨在輔助殘疾人士與肌肉萎縮人士提升行動能力。經3D列印製作的輕量級體外骨骼可以輔助用戶站立及走動。

（3）列印細胞。

科學家已經使用人類細胞經3D列印製作出了世界上第一個人造肝臟。研究人員開發出了基於瓣膜的細胞列印過程，可以按特定的模式列印細胞。細胞列印過程中的關鍵在於印表機噴嘴，噴嘴用力必須輕柔，以保護細胞和組織的生命力。赫瑞瓦特大學開發了一種基於瓣膜的雙噴嘴印表機，能夠列印高度活細胞如用於組織再生的人體胚胎幹細胞，其細胞列印系統方案圖。

（4）列印活體組織。

研究人員日前創造出一種水滴網路，能夠模仿生物組織中的一些細胞特性。利用一台3D印表機，研究小組可將小水滴組裝成為一種類似膠狀物的物質，它能夠像肌肉一樣彎曲，並能夠像神經細胞束一樣傳輸電信號，可用於修復或緩解器官衰竭。這一技術應用在醫療領域有望能夠合成人造組織或器官模型。

（5）列印血管。

聯合3D列印技術和多光子聚合技術，人們已成功列印出人造血管。通過這一過程列印出來的 血管可以與人體組織相互「溝通」，不會發生器官排斥，且可以生長出類似於肌肉的組織。該研究成果將有望用於人體試驗和藥物測試。

（6）列印器官。

科研人員採用3D列印技術配合人體自身細胞，使用加入細胞混合物凝膠的可生物降解腳手架， 逐層構建出了腎臟。這項技術還幫助一個孩子成功移植了人工膀胱。此外，利用CT掃描等醫學影像技術，3D印表機還可以採用丙烯酸樹脂製作出半透明的器官模型，從而幫助外科醫生了解器官內部結構，實現腫瘤放療效果的可視化。美國科學家成功利用3D列印技術製作出了能夠精確複製疑難併發症患者的心臟解剖結構的人體心臟模型，用於醫生術前研究患者心臟結構。

（7）治療癲癇。

日本科研團隊研發了一種新的光固化三維列印材料，這是一種具有高導電性的新型樹脂，可應用於製作包括3D碳電極的燃料電池或生物感測器的介面。其最有前途的應用是製作可與大腦連接的3D微電極，大腦中的神經可以通過3D微電極的介面進行互連，從而發送或接收來自神經元的電信號，可用於進行深部腦刺激和相關疾病如癲癇、抑鬱症、帕金森氏病的干預及治療。這項技術目前仍處於實驗階段。

（8）胎兒塑像診療。

倫敦超聲波中心是英國第一家提供3D服務的診所。針對懷孕＞24周、身體狀況穩定的母親，可用超聲波探測其子宮中的胎兒，記錄出各種數據；再運用3D掃描技術對這些數據進行處理從而模擬出胎兒的雛形；最後用黃銅將模型澆鑄出來。這項技術有助於胎兒先天性缺陷的探測。

（9）列印支氣管。

醫務人員利用3D印表機，採用生物材料製作出了一個可在氣道中開闢通道的夾板，成功挽救了一名支氣管軟化的嬰兒。

（10）列印頭骨。

3D列印技術憑藉優異的可定製性成為骨科領域的寵兒。美國當地的醫療機構正試圖將3D顱骨列印引入到臨床治療中。目前列印材料還未正式被美國食品藥物管理局（FDA）批准，如果材料申請能夠通過，那麼預計會有75%的顱骨外傷患者接受相關修補手術。

（11）減少癌患負擔。

通過在3D印表機中加入裝有化學藥品的容器，3D印表機可合成用戶所需藥品。這將大大 降低藥品製作成本，減輕患者負擔。

4 結語

作為一項具有開創性意義的技術，3D列印必將對整個醫療行業產生深遠影響。目前，全球每年等待器官移植的患者數量驚人，很多患者因未能及時得到捐贈器官而死亡，而即便得到了捐贈器官，患者在接受移植手術後也會出現不同程度的排異反應。而未來3D列印技術和克隆技術的完美結合則有望解決器官排異問題。未來人們或許還可以利用3D列印直接修復身體上的一些傷口。此外，醫藥機構還可以從3D列印的人體活體組織中提取大量翔實而準確的數據，有利於加速新藥品的研發進度。

點擊展開全文

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！