3D打印的思想起源于19世紀(jì)末的美國，20世紀(jì)80年代以來得以發(fā)展。在中國，3D打印研究已有約20年，這種通過電腦控制，可以把“打印材料”一層層疊加起來的技術(shù)在近兩年開始流行。
 

    時(shí)下儼然成為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的“新寵”。骨骼打印在我國多家醫(yī)院進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段，杭州一臺生物3D打印機(jī)在實(shí)驗(yàn)室里打印出了血管、脂肪、肝組織。未來的某天，它是否能按需打印出替代品更換被癌細(xì)胞侵占的病變器官，或者是不斷跳動的心臟？在樂觀的研究者看來，至少需要15-20年。

                                                       3D打印的“迷你腎”

         生物3D打印機(jī)“R egenovo”，它的作品有骨骼、血管、脂肪和肝組織等。

    量骨定做

        在今年5月末舉辦的世界3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)大會上，研究人員分享了3D打印的各種產(chǎn)品，服裝、鞋子、首飾，甚至還有點(diǎn)心、肉類。荷蘭一位工程師還計(jì)劃用巨型的三維打印機(jī)來打印房子。

      最初，3D打印在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域被用于制作醫(yī)療模型，術(shù)前將體內(nèi)病變的骨骼或器官打印出來，供醫(yī)生和患者溝通或制定手術(shù)方案?，F(xiàn)在它的成品已經(jīng)成功進(jìn)入人體。

     8月17日，西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院完成一例顱骨修補(bǔ)手術(shù)，所使用的植入物正是用高分子生物材料通過3D打印技術(shù)打印出來的。32歲的陜西漢中小伙子李韜成為第一個吃螃蟹的病人。

    2010年底，李韜騎摩托在村公路上行駛時(shí)摔進(jìn)2米多深溝，縣醫(yī)院立即實(shí)施手術(shù)將破碎的顱骨取出，并囑咐半年后做顱骨修補(bǔ)手術(shù)。“因?yàn)轱B骨缺損，身體傾斜時(shí)，腦組織會從顱骨缺口處凸出來”，李韜說。

    手術(shù)的主刀醫(yī)師之一、西安交大一附院神經(jīng)外科主任王茂德教授介紹說，以往的顱骨修補(bǔ)手術(shù)通常采用金屬鈦，而這次使用的是一種叫做聚醚醚酮(PEEK )的醫(yī)用高分子生物材料。

    “新材料對比傳統(tǒng)鈦網(wǎng)的優(yōu)勢在于，術(shù)后的影像檢查中不會出現(xiàn)偽影，利于后續(xù)病情的診斷。利用3D打印技術(shù)制造出的顱骨修補(bǔ)材料完全符合患者生理解剖曲率，真正做到‘量身定制’”，王茂德說。因國外進(jìn)口原材料昂貴，定制這樣一塊“骨骼”需要8萬-10萬元人民幣。

     術(shù)后李韜感覺頭部偶爾會突然疼一下，但并不強(qiáng)烈，他“不太擔(dān)心，下個月要回去做檢查”。目前，西安交大一附院已為4位與李韜類似的患者植入了3D打印的生物材料“顱骨”，北京大學(xué)第三醫(yī)院也通過媒體發(fā)布，至今年6月已經(jīng)為40多名患者植入3D打印的“骨骼”。

     西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任李滌塵教授，是國內(nèi)最早研究生物組織3D打印的科研人員之一。他告訴記者，3D打印骨骼的材料還在不斷研究之中。如生物陶瓷材料，經(jīng)過一兩年時(shí)間，可以在人體內(nèi)慢慢降解，轉(zhuǎn)成活性的骨組織，但它比較脆，力學(xué)性能不夠好，放到動物體內(nèi)做實(shí)驗(yàn)時(shí)容易破裂。而且“如果細(xì)胞長不進(jìn)打印骨骼，它還是活不了。”

     李滌塵認(rèn)為這些難題都有解決的可能。“用復(fù)合材料解決脆的難題，如鎂合金或高分子材料，和陶瓷混合在一起，然后做成支架，這樣性能會好一些。把陶瓷材料多孔結(jié)構(gòu)做出來，可以讓細(xì)胞往里頭長。”他說，如今將陶瓷和金屬復(fù)合用到臨床上做一小塊填補(bǔ)比較容易，難度在于做十幾厘米長的大段骨。

     細(xì)胞打印

      把細(xì)胞和基質(zhì)材料，比如膠原，混合在一起，然后擠塑、堆積，進(jìn)行細(xì)胞打印，這是3D打印在骨組織外，另一個更具難度的研究方向。

     “在目前的技術(shù)水平下，生物3D打印最成熟的是人造骨的打印，國內(nèi)尚處于臨床試驗(yàn)研究階段”，浙江大學(xué)細(xì)胞生物學(xué)研究所所長李繼承教授介紹，國外對于復(fù)雜器官如人工耳、人工腎的打印，均處于模型與實(shí)驗(yàn)室階段，尚無臨床應(yīng)用。國內(nèi)能夠打印脂肪、肝小葉等正常組織，但也處于實(shí)驗(yàn)室階段。

      在今年5月末舉辦的世界3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)大會上，杭州電子科技大學(xué)生物制造工程研究中心主任徐銘恩教授展示了一個剛剛打印出來的肝單元結(jié)構(gòu)。

     3個月后，徐銘恩團(tuán)隊(duì)首次向外界展示了一臺名為“Regenovo”的生物3D打印機(jī)，這臺完全面向醫(yī)學(xué)領(lǐng)域需求制造的打印機(jī)支持活細(xì)胞打印，對外公布的細(xì)胞存活率是90%，全無菌打印設(shè)計(jì)，并支持從-5℃到260℃熔融的生物材料打印。

      “R egenovo”上半部看起來像一臺縫紉機(jī)，下半部是一個方形的“盒子”。工作時(shí)，“縫紉機(jī)”上一根細(xì)細(xì)的類似縫衣針的噴頭，在下半部的盒子里，前后左右移動，將含有活細(xì)胞的水凝膠一層一層堆疊成電腦為它設(shè)定的立體形狀，骨骼、血管、脂肪和肝組織都曾是它的作品。

      徐銘恩介紹，在目前的實(shí)驗(yàn)中，打印出的肝單元可以檢測到其具有解毒、代謝以及部分的分泌功能，但還沒有檢測到分泌膽汁的功能。而一些成骨的實(shí)驗(yàn)則在小白鼠身上取得了成功。此外，打印的肝單元、脂肪和腫瘤等組織，在體外藥物篩選和臨床前試驗(yàn)中顯示了良好的應(yīng)用前景。

      然而，這臺設(shè)備離打印出能夠植入人體的器官還很遠(yuǎn)。徐銘恩說，“R egenovo”打印出的肝單元比人體正常的大5倍左右，精度仍需提高。

      李滌塵估計(jì)，3D打印肝如想移植進(jìn)人體，還需要十多年的努力，“難度很大，問題很多，比如做出來的肝組織黏糊糊像果凍一樣，沒有力學(xué)性能，放到體內(nèi)可能一擠就變形了，另外細(xì)胞在體內(nèi)，有基質(zhì)材料可以給它提供營養(yǎng)，能活三五天，但如果血管不能長入，細(xì)胞沒有營養(yǎng)供給，還是要凋亡。最大難點(diǎn)在于細(xì)胞怎樣與人體的循環(huán)系統(tǒng)建立關(guān)系。”

    李滌塵介紹，細(xì)胞打印目前在國外最適合做的就是藥品實(shí)驗(yàn)、病理實(shí)驗(yàn)，比如在體外模擬培養(yǎng)一個肝組織，檢測不同藥物與它的作用關(guān)系。

      走向臨床

      作為時(shí)下國內(nèi)最熱門的科技概念之一，可以快速準(zhǔn)確定制復(fù)雜形狀實(shí)體的3D打印技術(shù)，在生物領(lǐng)域引發(fā)了“醫(yī)療革命”的熱情想象，徐銘恩教授卻不無擔(dān)憂，“我們所做的這些研究，帶給公眾希望，但也希望大家能科學(xué)理性對待。我們期待這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展能夠穩(wěn)步前進(jìn)，而不是在大起后大落”。#p#分頁標(biāo)題#e#

     3D打印在生物醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用的研究者們不斷提醒，3D打印快速、小批量，個性化定制上比傳統(tǒng)有優(yōu)勢，但大規(guī)模生產(chǎn)成本高，速度慢，在從定制化產(chǎn)品走向大規(guī)模臨床應(yīng)用，尚存在各種障礙。

     從事3D打印研究近20年的李滌塵認(rèn)為：“3D打印特別適合生物醫(yī)療，國外的發(fā)展數(shù)據(jù)顯示它有非常好的前景，也是將來醫(yī)療器械發(fā)展的方向。國內(nèi)3D打印技術(shù)應(yīng)該在培養(yǎng)人才和鼓勵應(yīng)用上得到大力扶持。”

     李滌塵介紹，早在2001年，我國就成功完成了國際上第一例將3D打印技術(shù)用于頜面的修復(fù)，起步是比較早的，但目前國外定制化研究慢慢走入臨床，而我國現(xiàn)有的監(jiān)管制度使得3D打印技術(shù)在生物醫(yī)療領(lǐng)域走向應(yīng)用面臨很多困難。

     “與過去的批量制造產(chǎn)品不同，3D打印技術(shù)生產(chǎn)的是定制化產(chǎn)品。過去批量生產(chǎn)的時(shí)候，批號申請下來，就可以大量生產(chǎn)，但這種審批制度并不適用于3D打印定制化產(chǎn)品的生產(chǎn)”，李滌塵表示，“這并非不可操作，監(jiān)管部門可以評估生產(chǎn)系統(tǒng)，如果設(shè)計(jì)、生產(chǎn)流程等都是合理，材料是獲得批準(zhǔn)的，材料的成分沒變、生物性能沒變，只是形狀改變了，按道理這就可以生產(chǎn)，作為政府部門應(yīng)該積極應(yīng)對新技術(shù)帶來的生產(chǎn)模式的變革”。

    浙江大學(xué)細(xì)胞生物學(xué)研究所所長李繼承認(rèn)為，政府目前暫時(shí)缺少針對性的扶植政策，生物3D打印腫瘤組織，可能在不久的將來，為藥物篩選和基因治療提供新的載體和研究途徑，而血管的打印可能成為下一個成功應(yīng)用案例。

     阻礙3D打印技術(shù)在醫(yī)療一線廣泛應(yīng)用的另一個因素關(guān)乎成本。李滌塵介紹，目前市場上的3D打印設(shè)備，類型和功能不同，價(jià)格從20萬到600萬元不等，總體來說比較昂貴，多作為科研設(shè)備使用。目前許多大醫(yī)院在引進(jìn)，但是應(yīng)用于臨床，還需要不斷降低設(shè)備和原材料成本。

     李繼承則提醒，生物3D打印未來的發(fā)展和應(yīng)用，除了面臨一系列的技術(shù)問題，如器官細(xì)胞存活率、移植后機(jī)體免疫排斥等，相對于工業(yè)3D打印，它將來可能還要考慮倫理學(xué)問題。