3D打印技術(shù)也稱之為“快速成型技術(shù)”或“增材制造技術(shù)”。它是一種以數(shù)字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。自20世紀90年代中期面世以來，3D打印在模具制造、工業(yè)設計等領域被廣泛用于制造模型，其后逐漸用于產(chǎn)品的直接制造。
近年來，3D打印技術(shù)的發(fā)展在醫(yī)療領域做出了不小貢獻。例如，制作醫(yī)學模型、輔具、假肢、手術(shù)導引裝置、骨頭、軟骨，或用于血管、膽道、氣管、尿道內(nèi)的支撐物或替代品，以及多種組織和臟器。那么，3D打印是通過什么原理實現(xiàn)扁鵲之術(shù)?它的存在對于醫(yī)療產(chǎn)業(yè)而言有著怎樣的意義?其發(fā)展目前又面臨哪些問題?
在大型紀錄片《大國之材·3D打印》中，中國工程院院士、上海交大醫(yī)學院附屬第九人民醫(yī)院3D打印創(chuàng)新研究中心主任戴尅戎教授(以下簡稱“戴院士”)對上述問題作了較詳盡的解答。
用3D打印解決醫(yī)學界百年難題——“個性化”需求
“3D打印是一種手段，通過3D打印技術(shù)，可以創(chuàng)造出各式各樣獨具一格的產(chǎn)品，而促進醫(yī)學與3D打印緊密聯(lián)系在一起的根本原因，就是醫(yī)學上自古以來面臨的極大需求——‘個性化’。”戴院士談及3D打印便打開了話匣子，他的后半生，與3D打印有著千絲萬縷的聯(lián)系。
據(jù)戴院士回憶，37年前，他曾接觸到一位需要做全距骨切除的腫瘤病人，而當時國際上根本沒有替換距骨的假體，主治醫(yī)師團隊只能給患者定制一個人工距骨。這也是戴院士第一次接觸到足部骨骼需要“個性化”定制的病例。
“距骨是位于腳踝十幾塊骨頭里最重要的一塊，這個人工距骨還要附帶上面、下面和前面的關節(jié)面，同時還要有足夠的承載能力和穩(wěn)定性，而距骨大小和形態(tài)是人人不同的。”通過多次數(shù)據(jù)計算、修改，團隊最終成功將定制的人工距骨替換下被切除的距骨，時至今日，這位患者仍能自如行動，無跛行、能騎車，甚至還能做輕體力勞動。
第一次圓滿完成“個性化”定制病例給了戴院士極大的鼓舞。1982年以后，戴院士帶領團隊專門給一些患者陸續(xù)定做了膝關節(jié)、髖關節(jié)、肩關節(jié)，甚至還定做了半個骨盆。
時光推進到90年代，人工定制滿足患者的“個性化”需求逐漸成為常態(tài)，而此時戴院士遇到了一個棘手的病例。
一位首席會計師因自幼雙側(cè)髖關節(jié)先天性異常，兩側(cè)髖關節(jié)嚴重脫位導致雙側(cè)劇烈疼痛，嚴重影響工作生活，最終只能依靠輪椅才能出行。據(jù)戴院士回憶，這位患者的髖部解剖結(jié)構(gòu)和幾何形態(tài)與常人差異極大，并伴有嚴重的繼發(fā)性病變，各醫(yī)療器械公司均無法提供符合需求的關節(jié)假體，這讓他頭一次感到無從下手。
難以進退之時，上海交通大學王成燾教授給戴院士帶來一個好消息。“王成燾教授第一次告訴我們，原來世界上有一種設備叫‘快速原型機’，可以輕而易舉地把病人的關節(jié)、骨腔的大小、位置和相關關系，用模型準確‘復制’出來。”
在當時看來，戴院士感覺“快速成型機”簡直是為這個棘手病例量身定做的產(chǎn)物!為了一探究竟，主治團隊將經(jīng)由快速成型機定制的關節(jié)假體安裝在假肢模型上進行反復演練，確定無誤后才為患者安排手術(shù)。最終，患者在模型的幫助下獲得了真正量身定制的假體。
手術(shù)成功后，這位當年無法行走的患者不僅重新恢復了首席會計師的工作，還親自游玩天安門廣場、攀登長城，如今已經(jīng)成為周游世界的旅游愛好者。
經(jīng)由此事后，3D打印個性化定制逐漸發(fā)展為戴尅戎團隊不可或缺的醫(yī)用技術(shù)。與此同時，經(jīng)手數(shù)百個病例的戴院士深刻認識到：在醫(yī)療產(chǎn)業(yè)中，“個性化”需求是一個擁有巨大市場的發(fā)展方向。
用他的話來說：“固定骨折的接骨板和不同關節(jié)的人工假體每個部位只有5-7種尺寸，這僅有的這幾個尺寸每年要滿足幾十萬人甚至于上百萬人的需求，導致很多病例都是將就著用，因此滿足個性化需求將成為提高醫(yī)療質(zhì)量的重要努力方向。”
回顧整個醫(yī)學發(fā)展之路，“個性化”需求一直是該行業(yè)存在的最大難題之一，3D打印技術(shù)的進步和推廣無異于為個性化醫(yī)療打開了一扇充滿想象與希望的大門。時至今日，戴院士都時常感慨：“3D打印確實太神奇了，它深深吸引了我們，因為很多醫(yī)生的夢想都能夠借以實現(xiàn)。凡是放進病人身上的東西，如果大多數(shù)都能定制，那是一個什么場面!”
3D打印的出現(xiàn)可以跟蒸汽機、互聯(lián)網(wǎng)相提并論
2003年，上海九院的合作公司獲批我國國內(nèi)第一份、也是至今唯一一份定制式人工關節(jié)生產(chǎn)許可證。2013年，戴院士與上海交大的工科教授聯(lián)合組建了上海九院3D打印技術(shù)臨床轉(zhuǎn)化研發(fā)中心;2015年，建立了上海交通大學醫(yī)學院3D打印技術(shù)臨床轉(zhuǎn)化協(xié)同創(chuàng)新中心;并于2016年又升格為上海交通大學醫(yī)學3D打印技術(shù)創(chuàng)新研究中心，并獲得三項“十三五”國家重點研發(fā)項目支持。
“在整個發(fā)展過程中，九院的骨科、口腔科、眼科、整形科，耳鼻喉科乃至神經(jīng)科，都與3D打印結(jié)下了不解之緣。3D打印是一項制造技術(shù)，但往深處去看，其醫(yī)學應用的核心保證，應該是‘醫(yī)工結(jié)合’或‘醫(yī)工產(chǎn)結(jié)合’。”將3D打印應用于醫(yī)學20余載的戴院士說出了心里話。
戴院士進一步解釋道，“醫(yī)工結(jié)合”是唯一能夠把3D打印在醫(yī)療行業(yè)推行得更深更好的路徑。如果醫(yī)生不懂3D打印技術(shù)，何來快速原型?又假如工程師掌握了3D打印技術(shù)，卻不知在醫(yī)療上能夠發(fā)揮什么作用以及如何去發(fā)揮作用，何來“個性化”定制?
眾所周知，3D打印技術(shù)誕生之初主要被應用于制造業(yè)中的模具制造、工業(yè)設計等工序。當時，這一技術(shù)被視為“有可能是扭轉(zhuǎn)美國制造業(yè)持續(xù)走下坡路的衰敗之象的一個轉(zhuǎn)機”。美國前總統(tǒng)奧巴馬也曾在國情咨文中談到，“3D打印有可能使我們制造幾乎所有產(chǎn)品的方式革命化”。
對此，戴院士同樣深以為然，“從古到今，我們所做的制造加工都屬于‘減材制造’或‘等材制造’，一塊大木頭用斧頭砍、用刀子雕，最后制出一個我們需要的產(chǎn)品，浪費了很多材料。做一個金屬的碗，需要在一塊立體的金屬方塊上，用車床、銑床、磨床削出一個碗來，這個碗可能只占了整塊材料的20%左右，這造成大量的材料浪費，大量的多余加工。”
而3D打印技術(shù)則相對更快速、簡化，也更加環(huán)保。3D打印只需在一個一無所有的平臺上鋪上第一層材料粉末，通過加溫或粘接劑固定后，再鋪第二層、第三層、第四層材料粉并逐層粘結(jié)。全部完成后，再把多余的材料粉收集起來進行二次利用。所有采用的材料粉可能90%以上都能被利用。
因此，3D打印在醫(yī)療領域和制造業(yè)的創(chuàng)新應用，被認為是一種革命性顛覆。不少3D打印的支持者認為：“3D打印是對舊有加工技術(shù)的顛覆，是制造業(yè)前所未有的革命，它的出現(xiàn)可以跟蒸汽機、互聯(lián)網(wǎng)相提并論。”
3D打印發(fā)展之路亟待“開綠燈”
與3D打印技術(shù)發(fā)展得如火如荼相對應的，是國內(nèi)所面臨的3D打印設備和材料的大量進口、科技成果轉(zhuǎn)化率低的尷尬局面。“不管這個技術(shù)是多么的高端，它要真正成為大家心目當中優(yōu)秀的科技成果的話，就必須實現(xiàn)落地。只有實現(xiàn)了臨床轉(zhuǎn)化才能體現(xiàn)科學的偉大，將科學用于為廣大人民謀福利，才是我們最終的目的。”戴院士表示，臨床轉(zhuǎn)化始終是3D打印發(fā)展的核心主題，也是國家目前正在積極推動的方向。
讓戴院士既遺憾又著急的問題則是3D打印設備和材料進口比例偏高，雖然國內(nèi)有不少國產(chǎn)3D打印機，但直接用于生產(chǎn)置入體內(nèi)的醫(yī)療器械時，往往還是采用國外設備。值得欣喜的是，國產(chǎn)設備與材料的應用率正在不斷上升。
“如今國家高度重視3D打印的發(fā)展，在該行業(yè)傾注了大量的關注和財力，希望我國的3D打印行業(yè)能夠走在世界的最前列。應該要為新技術(shù)、新設備、新產(chǎn)品‘開綠燈’，但這個‘綠燈’必須開得有科學性、嚴肅性，因為產(chǎn)品的使用對象是病人。”戴院士表示，任何科學技術(shù)的改革創(chuàng)新都應一桿子走到底，‘開綠燈’鼓勵國內(nèi)3D打印行業(yè)健康快速發(fā)展是必經(jīng)之路。
據(jù)報道，在生物醫(yī)學領域，3D打印目前已發(fā)展至4D、5D打印。5D打印增加了時間和組織形成兩個變量，活性細胞經(jīng)過打印后，逐步形成一塊皮膚、一段氣管或者一個臟器。戴院士認為，生物打印是再生醫(yī)學發(fā)展中解決組織、臟器來源最為可能的途徑，用于再生醫(yī)學的前景十分誘人。
戴尅戎院士早年間在研究制作形狀記憶醫(yī)療產(chǎn)品
人物介紹
戴尅戎，上海交通大學醫(yī)學院附屬第九人民醫(yī)院終身教授，中國工程院院士，法國國家醫(yī)學科學院外籍通信院士。目前擔任上海交通大學醫(yī)學3D打印創(chuàng)新研究中心主任、數(shù)字醫(yī)學臨床轉(zhuǎn)化教育部工程研究中心主任、上海交通大學轉(zhuǎn)化醫(yī)學研究院干細胞與再生醫(yī)學轉(zhuǎn)化基地主任。
先后擔任華裔骨科學會會長、亞太人工關節(jié)學會會長、世界多學科生物材料學會副會長、世界內(nèi)固定(AO)基金會理事等。先后當選美國骨科學會通訊會員，國際髖關節(jié)學會正式會員。戴尅戎院士通過醫(yī)學與工程學、生物學、材料學的交叉合作，研發(fā)新型骨科植入物和新技術(shù)，并積極推動3D打印的醫(yī)學應用、人工關節(jié)與骨再生等基礎研究與臨床技術(shù)。
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