周丽燕 李淑桢 张雅昳

近些年来，“3D打印”成为热词。日前，美国韦克福雷斯特大学再生医学学院的研究人员宣布其利用新开发的3D生物打印系统打印出的人造耳朵、骨头和肌肉组织，移植到动物身上后也能保持活性。

目前世界多个国家都对3D打印进行了密集的政策支持，我国出台的《中国制造2025》规划中，也将3D打印列入未来重点突破的十大领域之一。

随着我国首个3D打印人体植入物——人工髋关节产品于2015年获得国家食品药品监督管理总局注册批准，它在医疗领域的应用前景也愈发清晰喜人。“3D打印”究竟是什么？它与医学领域的加法又会给人类带来什么呢？

3D打印助推医疗变革

有关统计数据显示，我国每年150万器官衰竭患者中，仅有一万余人能够得到器官移植，更多的人只能在等待配体的过程中使病情恶化甚至离世。为此，研究者们开发了很多替代方案，如使用动物来源的器官或人工制造的器官等。而3D生物打印机的出现，则有可能解决这方面的问题，从而延续病人的生命，提高他们的生活质量。

那么，什么是3D生物打印？

据中国科学院遗传与发育生物学研究所相关负责人介绍，3D打印是一种快速成型技术，以数字模型为基础，运用粉末或液体可黏合材料，通过逐层固化成型的方式来构建具有复杂结构的物体。而医疗3D打印，就是使用3D打印的方法成型生物材料，特别是细胞材料，用来制造人工的组织、器官，还有各种假肢、手术导板等一系列生物医疗领域的产品。它是3D打印研究中最前沿的领域。

现阶段，医疗3D打印的应用主要包括：血管打印、细胞打印、组织工程支架和植入物打印、假体打印和手术器械打印。

随着3D打印技术的迅速发展，甚至业内一度认为3D打印将引领第三次工业革命。由于医疗行业鲜有标准的量化生产，更是规避了3D打印的劣势，率先在医疗领域获得应用上的突破。

健康“私人定制”

中国工程院院士戴尅戎曾介绍了这样一个案例：医生通过提取一位患脂肪瘤女孩腿部的CT参数，将数据输入3D打印机，并打印出女孩腿部的3D下肢骨骼的3D模型，最终帮助女孩双脚直立。

无独有偶，2015年末，一个全新的手术探索在北京大学人民医院上演。骨肿瘤科主任郭卫教授和他的团队历经4个小时完成了“世界首例右骨盆巨大肿瘤切除3D髂骨假体重建术”，成为继7月8日北京大学人民医院完成的3D全骶骨假体重建术后又一创举。

手术患者是来自长沙18岁的姑娘妞妞（化名），年初练舞时摔了一跤，继而右侧髋骨疼，最终被确诊为骨肉瘤。由于摘除的肿瘤牵连的局部髂骨将妞妞的右侧髂骨“拦腰折断”，需要量身订制假体进行再接，对假体的要求更加精准。为了达到“严丝合缝”的效果，郭卫团队应用3D打印技术，精心设计，反复修改，让“私人订制”的局部髂骨更符合生物力学结构的功能重建。

“3D打印在个性化制造以及制备复杂结构的人体器官与组织上具有明显优势，产业前景非常好。”中国科学院上海硅酸盐研究所生物材料与组织工程研究中心副主任吴成铁研究员说。前不久，他带领的研究小组首次提出将骨组织工程与光热治疗相结合的思想”。在制备用于治疗与修复骨肿瘤缺损的光热功能化的生物活性陶瓷支架的研究中取得了新进展。该研究通过3D打印技术制备出生物陶瓷与氧化石墨烯复合支架，在超低功率近红外光下可使支架温度迅速升高，且其光热性能可控，在体外骨肿瘤细胞杀伤率达到90%。同时，该支架还能显著促进骨间充质干细胞的增殖与成骨分化，并诱导体内新生骨组织的长入，从而赋予了3D打印生物陶瓷支架抗肿瘤和骨修复的双功能性，在骨肿瘤的治疗与修复中具有潜在的应用。

3D打印在临床医学的应用，简言之，一方面通过患者病变部位扫描成像，利用3D打印机将二维图像打印成3D模型，让病人和医生更为直观地观察与沟通，并根据模型反应的实际情况量身定做手术方案，保证手术精度；另一方面，通过3D模型，用特殊的生物“墨汁”打印活体细胞，在体外培育仿生器官及活体组织，再植入人体内。

在个性化消费的浪潮中，个体化健康方案无疑是一个大趋势。美国毒理研究院院士康裕建认为，临床医学引入3D打印技术，开启了“精准医学”、“订制健康”的时代。

3D打印医疗器械

导管是用来给病人或新生儿输送营养物质的一个重要医疗装置。当前市面上的导管只有固定的形状和尺寸，生产定制导管对公司来说成本太高。而3D打印则可以解决这个问题。

美国东北大学机械和工业工程系副教授RandallErb开发了一个根据具体病人的具体情况打印特定导管的设备。这个新设备打破常规，通过改变磁场来改变合成材料的尺寸和形状，从而为病人提供定制服务。合成材料是塑料和陶瓷的混合物，磁场可以改变陶瓷材料纤维的排布方式。在这个过程中，包被着氧化铁的陶瓷纤维被磁化了。一旦形状适当，这个纤维就会被放入液体塑料中，然后打印机就会打印出特定尺寸的导管。

3D打印与医疗设备的另一完美结晶是原型机的生产。原型机的概念是相对于量产机而言的。由于医疗对器械的要求非常高，生产商们往往希望尽早实验设备的产品性能和使用寿命。越早生产出原型机，厂商就能越早改进原型机，继而推广使用新产品。有了3D打印，这一研发效率就大大提升了，设备生产商们通过3D打印技术快速、精准地制造出原型机，一方面利于量产前的改进，另一方面方便了监管部门的检测和反馈。没有3D打印的时代，这个周期是很缓慢的。

3D打印市场前景广阔

中国3D打印技术联盟预测，到2016年，中国3D打印机市场规模预测将扩大到100亿元，是2012年的10倍，届时中国将超越美国成为全球最大的3D打印机市场。

3D生物打印技术将被用于制药、美容、食品、服装等多个领域，彻底改变我们的生活。例如，未来的病人可以在自己家中利用标准化学品构建模块，打印纳米药品，而他日常所吃的食物也来源于凝胶、明胶材料与脂肪等食品添加剂的混合打印，所穿的衣服则来自网络下载模板后的量体打印。将来外科医生们或许就将可以在手术中现场利用打印设备打印出各种尺寸的骨骼用于临床使用。这种神奇的3D打印机已经被制造出来了，而用于替代真实人体骨骼的打印材料则正在紧锣密鼓地测试之中。

在实验室测试中，这种骨骼替代打印材料已经被证明可以支持人体骨骼细胞在其中生长，并且其有效性也已经在老鼠和兔子身上得到了验证。未来数年内，打印出的质量更好的骨骼替代品或将帮助外科手术医师进行骨骼损伤的修复，用于牙医诊所，甚至帮助骨质疏松症患者恢复健康。

3D打印于2013年被列入国家863计划，获得了国家研究基金的支持。更为重要的是在2015年2月，由工信部、发改委和财政部联合发布了《国家增材制造产业发展推进计划（2015～2016）》，将3D打印提升到国家战略层面，为产业的发展做出了整体规划。有专家预测，如果3D打印的应用市场能够打开，到2020年3D打印的市场有可能突破一千亿元甚至两千亿元。