3D打印醫療領(lǐng)域回顧

 醫藥生物行業(yè)是目前3D打印技術(shù)擴張最為迅猛的行業(yè)。3D打印技術(shù)不僅促進(jìn)了再生醫學(xué)領(lǐng)域在人造活體組織與器官方面的研究，還能夠為醫療生物行業(yè)提供完整的個(gè)性化治療方案。比較典型的應用有3D手術(shù)預規劃模型、手術(shù)導板、植入物，康復醫療器械、口腔器械、生物組織與器官等。通過(guò)觀(guān)察2017年前兩季度醫用3D打印技術(shù)的發(fā)展進(jìn)度，可知其在如下7個(gè)領(lǐng)域的最新進(jìn)展。 

01 手術(shù)規劃模型

 在手術(shù)前根據患者的CT或核磁共振數據進(jìn)行三維建模，然后通過(guò)3D打印機將模型打印出來(lái)，就得到一個(gè)醫療模型。3D打印的醫療模型最主要的作用是讓醫生在手術(shù)前可以直觀(guān)的看到手術(shù)部位的三維結構，有助于醫生規劃手術(shù)方案。尤其針對復雜手術(shù)，有助于降低手術(shù)風(fēng)險，提高手術(shù)的成功率。

 從骨科手術(shù)到心臟手術(shù)再到肝臟手術(shù)……越來(lái)越多的手術(shù)開(kāi)始借助3D打印的醫療模型。例如2015年上海市第一人民醫院普外科中心主任彭志海教授團隊采用3D打印技術(shù)為一位來(lái)自貴州的患先天性自身免疫性肝硬化門(mén)靜脈高壓癥的病人進(jìn)行活體肝移植。我國南方醫科大學(xué)附屬第三醫院（廣東省骨科醫院）骨腫瘤科團隊成功為一名脊索瘤患者切除了脊椎，并植入3D打印人工椎體，這是廣東首例3D打印換脊骨手術(shù)的成功案例。

02 手術(shù)導板

 手術(shù)導板是將手術(shù)預規劃方案在手術(shù)中準確實(shí)施的輔助性手術(shù)工具，3D打印技術(shù)尤其適合制造異型或個(gè)性化的導板。Materialise制造的兒科3D打印手術(shù)導板已獲美國FDA的生產(chǎn)許可。

 上海逸動(dòng)醫學(xué)科技有限公司在骨科手術(shù)導板領(lǐng)域運用國際上領(lǐng)先的SSM_Knee?技術(shù)，從多張負重位X光片數據進(jìn)行膝關(guān)節三維統計學(xué)建模（Statistical Shape Modeling，SSM）及三維力線(xiàn)測量分析，在電腦上模擬截骨平面、人工全膝關(guān)節置換術(shù)手術(shù)置換全過(guò)程，虛擬化設計手術(shù)中實(shí)施截骨的導向導板并使用醫用材料進(jìn)行3D打印。手術(shù)中醫生只需要將導板貼附于關(guān)節表面然后實(shí)施定位截骨即可，準確性高于傳統方法，避免了人為因素，手術(shù)操作簡(jiǎn)單，不破壞髓腔。

03 植入物

 近年來(lái)，醫療行業(yè)越來(lái)越多地采用金屬3D打印技術(shù)來(lái)設計和制造醫療植入物。3D打印技術(shù)用于制造骨科植入物，既可以制造出更多結構復雜的植入物，又可以有效降低定制化、小批量植入物的制造成本，提升生產(chǎn)速度。

 目前，牛津高性能材料公司（OPM）公司的3D打印骨植入物已獲得歐洲專(zhuān)利批準。并且，OPM還是第一家也是唯一一家獲得美國FDA批準的3D打印患者特異性聚合物基植入物的公司。澳洲也成功實(shí)施了首例3D打印鈦-聚合物胸骨植入手術(shù)，這款3D打印的新型胸骨植入物能夠更好地幫助重建人體內的“堅硬與柔軟組織”?；颊呋謴脱杆?，術(shù)后僅12天就能出院。

 2016年6月12日，世界首個(gè)3D打印脊椎植入手術(shù)在北醫三院完成。

04  康復醫療器械

 與3D打印鈦合金定制化飛機零部件和超級轎跑個(gè)性化零部件一樣，假肢、助聽(tīng)器等康復醫療器械同樣具有小批量、定制化的需求，并且設計具備復雜性，傳統數控機床受到加工角度等因素的限制往往難以實(shí)現，而對3D打印技術(shù)而言卻是輕而易舉，并且利用3D打印技術(shù)制作單個(gè)定制化康復輔具的成本會(huì )顯著(zhù)下降。目前，Phonak與德國3D打印公司EnvironTEC一起合作開(kāi)發(fā)出定制式鈦金屬助聽(tīng)器VirtoB-Titanium，這是史上最小的3D打印定制鈦金屬助聽(tīng)器。

      近日，英國公司Torc2開(kāi)創(chuàng )性地開(kāi)發(fā)出一種耐用的柔性3D打印塑料。它是一種熱塑性復合材料，在37℃下是固體，在55℃左右時(shí)則具有良好的延展性，可以重塑。這意味著(zhù)可以直接在患者身上調整和改變由這種材料制成的3D打印醫療設備，這可能改變肢體損傷等病情的治療方式。

 據開(kāi)發(fā)者介紹，這種材料可以用來(lái)制造治療腦癱和髖關(guān)節發(fā)育不良的夾板和支撐物，也適合用來(lái)為下肢假肢制造可重塑的襯套，有潛力替代熟石膏在醫療領(lǐng)域的應用。這種材料的關(guān)鍵特性是它可以在低溫下軟化。溫度在55℃左右時(shí)，醫療專(zhuān)業(yè)人員可以直接在患者身上重塑它。這既減少了浪費，降低了成本，因為制造一個(gè)可輕松重塑的設備就夠了，而不是之前的好幾個(gè)類(lèi)似的設備，同時(shí)也節省了安裝時(shí)間，提升了患者體驗。

 這種3D打印材料的應用并不局限于腦癱和髖關(guān)節發(fā)育不良，許多情況下都需要一整套的支撐物和夾板，其中很多都需要經(jīng)常調整和改變，而Torc材料改變起來(lái)很快、很容易。隨著(zhù)它的進(jìn)一步發(fā)展，還會(huì )有更多可能性。

05  口腔科器械

 近年來(lái)，以軟件設計為基礎的牙科修復變得十分普及。很多牙科診所、實(shí)驗室或專(zhuān)業(yè)義齒生產(chǎn)企業(yè)都引入了3D打印技術(shù)。結合3D打印的數字化口腔技術(shù)為牙科行業(yè)帶來(lái)了精度高、成本低、效率高的科技成果，以及與規范化生產(chǎn)鏈相符的口腔數據。

 許多牙科診所或實(shí)驗室都利用3D打印機來(lái)制造患者牙齒模型。牙科3D模型可以用作模具并使用傳統方法輔助生產(chǎn)牙冠、假牙等；還可用來(lái)規劃或模擬手術(shù)過(guò)程，加強與患者的手術(shù)溝通。而直接3D打印義齒也已實(shí)現。

 Envision TEC公司已經(jīng)獲得FDA的認證，運用3D打印技術(shù)來(lái)打印臨時(shí)牙冠。據估計，到2020年，大多數牙醫都會(huì )逐漸開(kāi)始使用3D打印的牙冠。此外，通過(guò)3D打印技術(shù)生產(chǎn)的牙齒矯正器也正在走向應用。國外ClearCorrect公司已經(jīng)使用Stratasys公司的3D打印設備和材料生產(chǎn)透明矯正器。國內也有時(shí)代天使這樣的隱形矯正器品牌。3D打印技術(shù)還可用來(lái)制作金屬材料的牙冠固定橋等修復體。

06  生物組織與器官

 之前提到使用金屬、塑料等非活體組織材料3D打印的定制化假肢、牙科、骨科植入物、助聽(tīng)器外殼等醫療器械都屬于“初級階梯”。而打印血管、軟骨組織這類(lèi)單一的活體組織屬于“中級階梯”。3D打印的人工肝臟、心臟等人工器官則屬于“頂級階梯”。無(wú)論是人造血管、軟骨組織，還是肝臟組織、腎臟組織，其核心是特定類(lèi)型細胞的分離（或定向誘導）及大規模擴增。而生物3D打印技術(shù)，在人工組織、器官培養過(guò)程中可以更好地構建三維形狀，即讓人體細胞按照預先設計好的形狀來(lái)生長(cháng)。

 日本京都大學(xué)已經(jīng)研發(fā)出促進(jìn)神經(jīng)再生的生物3D打印導管，可能幫助患者的神經(jīng)損傷恢復。

 俄羅斯生物科技集團3D Bioprinting Solutions已成功將3D打印甲狀腺植入小鼠體內。

 2016年底中國科學(xué)家也成功將3D打印血管植入恒河猴體內，這標志著(zhù)在打印血管及其他器官用于人類(lèi)移植方面邁出了重要的一步。

  而加拿大生物公司Aspect聯(lián)手強生研發(fā)出3D打印膝關(guān)節軟骨。

 法國也完成了全球首例3D打印模具輔助制作定制化支氣管的植入手術(shù)。

07 3D打印制藥

 3D打印可以實(shí)現多種材料精確成形和局部微細控制，從而可研制出具有復雜內部結構的裝置。而通過(guò)3D打印成形技術(shù)制備的藥物緩釋裝置，與傳統壓片方法相比具有獨特優(yōu)勢。通過(guò)調整打印液流速、噴頭移動(dòng)速度、打印液液滴直徑、粉末鋪層厚度、噴涂次數、噴涂角度、噴涂位置等工藝參數，可以改變藥劑中含量、輔料成分和組成，從而改變藥物釋放速率和釋放量。這將使通過(guò)CAD（計算機輔助設計）為單個(gè)患者設計制造理想化的治療方式成為可能。目前，3D打印已經(jīng)能夠協(xié)助科學(xué)家研習開(kāi)發(fā)可探測病毒的醫用傳感器。而加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）推出的新型生物墨水可經(jīng)由噴射3D打印成藥物。