有專家認為，在未來幾十年里，如果有什么東西可以殺掉上千萬人，那更可能是個有高度傳染性的病毒，而不是戰(zhàn)爭；不是導彈，而是微生物[1]。在當前新冠肺炎爆發(fā)之際，更突顯了公共衛(wèi)生安全必須具有超前性，更希望人類能夠行動起來，投入研發(fā)和系統(tǒng)應對體系，來應對現(xiàn)在和未來的突發(fā)傳染病。
作為3D打印行業(yè)的一員，我們需要思考的是，面對高度傳染性病毒，3D打印能做什么貢獻？
大家知道，傳統(tǒng)制造是量越大，每件制造成本越低，零件越復雜，每件制造成本越高。而3D打印無論批量大小、復雜程度如何，每件制造成本基本恒定。這就表明了3D打印的應用優(yōu)勢有兩個大的方面：一是小批量多品種快速制造/定制，另一個是制造復雜部件。從市場來看，就如計算機剛開始主要用于工業(yè)控制一樣，3D打印初始也是用于工業(yè)的，成為工程師、設(shè)計師等專業(yè)人士的模型設(shè)計工具；接下來就開始進入教育市場，從培養(yǎng)3D打印的使用到設(shè)計、創(chuàng)造，最終培養(yǎng)出一批具有增材思維和創(chuàng)造力的人才。隨著3D打印技術(shù)和理念的普及和易用性的提升，它將進入廣闊的規(guī)?；I(yè)領(lǐng)域和廣大家庭。
在爆發(fā)疫情等特殊時期，對于護目鏡、口罩、測溫儀等必備的防護用具及醫(yī)療保障物資的制造，就可以發(fā)揮3D打印小批量、分布式、快速制造的特點，實現(xiàn)本地生產(chǎn)，就近服務(wù)，滿足千人量級的日常使用需求。此外，還可共享數(shù)據(jù)模型，利用云制造平臺（如三帝云制造www.topktec.cn）實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同生產(chǎn)，提高并行生產(chǎn)效率，滿足更大量級的批量需求。3D打印技術(shù)可以通過康復醫(yī)療器械、醫(yī)學模型、手術(shù)導板、方艙醫(yī)院建造、生物/器官打印、納米機器人打印、藥物研發(fā)等諸多方面，在抗擊傳染性病毒中發(fā)揮作用。
1. 3D打印護目鏡
對于如新冠肺炎病毒這類具有飛沫傳播感染性的病毒，護目鏡成為戰(zhàn)“疫”一線的醫(yī)務(wù)人員及需與患者密切接觸人員的必備防護用具。市場上常見的護目鏡，開模時間長達14天，而利用FDM 3D打印技術(shù)生產(chǎn)的醫(yī)用護目鏡，不僅密封度高，且重量只有普通護目鏡的3/4，還可根據(jù)個人面部數(shù)據(jù)實現(xiàn)私人化定制[2]。
湖南云箭集團增材制造研究應用中心內(nèi)的50余臺FDM 3D打印機每日生產(chǎn)醫(yī)用護目鏡200余套。據(jù)了解，1月31日，這家公司利用原有成熟的3D打印技術(shù)，應急研制生產(chǎn)醫(yī)用護目鏡；2月7日，首批醫(yī)用護目鏡通過長沙市市場監(jiān)督管理局備案準入；2月10日，這家公司生產(chǎn)的首批500套護目鏡已發(fā)往長沙和懷化，馳援抗“疫”一線[3]。
3D打印定制個性化的防護用品，能提升防護效果。三帝科技采用原有成熟的FDM 3D打印技術(shù)，應急研制生產(chǎn)3D醫(yī)用隔離防護鏡，用于醫(yī)療機構(gòu)中檢查治療時起防護作用，阻隔體液、血液飛濺或潑濺。規(guī)格型號齊全：YP-EM-S、YP-EM-M、YP-EM-L、YP-EM-C（定制）等。采用先進的EVA面部掃描系統(tǒng)，結(jié)合逆向工程軟件設(shè)計出定制化的3D醫(yī)用隔離防護鏡，選取有良好生物相融性的材料進行3D打印，制造出來的3D醫(yī)用隔離防護鏡具有防霧化、舒適、完美貼合部位等特點。
2. 3D打印口罩
口罩作為疫情防護中人體的“第一道防線”，其重要性不言而喻。而口罩的適配性、功能性、舒適性等因素，都會對其防護效果產(chǎn)生影響。
根據(jù)佩戴者的頭部、面部掃描數(shù)據(jù)，進行三維建模，再3D打印的個性化定制口罩，可保證口罩與佩戴者面部的充分貼合，極大提升口罩的適配性和相對密閉性。
運用3D打印個性化定制的特點，可制作針對不同人群的專用口罩。2018年，波蘭設(shè)計師巴特羅米奇·加克左雷科便聯(lián)合一家3D打印服務(wù)商專門設(shè)計和制作了兒童專用的抗污染口罩，以保護兒童免受污染侵害。這款3D打印口罩的內(nèi)置物可替換為活性炭、過濾棉等介質(zhì)，輕量化設(shè)計令其佩戴起來輕巧舒適，可在一定程度上減少兒童對佩戴口罩的抵抗情緒[4]。
據(jù)了解，該款口罩采用的原料是PA12尼龍（用于硬質(zhì)部件）和TPU（用于柔性部件），通過選擇性激光粉末燒結(jié)（SLS）工藝打印而成[5]。
三帝科技結(jié)合3D打印技術(shù)優(yōu)化口罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計，提升口罩的功能性。例如可更換式呼吸閥濾芯的設(shè)計，不僅利于口罩的清潔，也可延長口罩的使用壽命，降低使用成本。三帝科技醫(yī)療團隊應急研發(fā)設(shè)計了分離式口罩固定裝置，客戶可將口罩分離裝置與自己的口罩相結(jié)合，把一次性醫(yī)用口罩夾在分離裝置中使用。規(guī)格型號齊全：YFD-DM-MEN、YFD-DM-WOMEN、YFD-DM-CHILDREN、YFD-DM-CUSTOMIZE（定制）等。目前市面上可以看到可更換濾芯的口罩，材質(zhì)為食品級硅膠和ABS、PLA塑料件，濾芯采用HEPA結(jié)構(gòu)。如果選用適合的材料，采用3D打印技術(shù)來制作，將會是一種可以實現(xiàn)低成本、快速個性化定制的方式。
在防疫防護中，需要超長時間佩戴口罩，三帝科技旗下的七號科技通過3D打印的口罩輔助配件來提升佩戴的舒適性，緩解佩戴口罩造成的耳部疼痛，可調(diào)式卡扣設(shè)計可以根據(jù)個人頭型調(diào)節(jié)佩戴的松緊度，讓口罩更貼合，防護更到位，且不易滑落。
日本設(shè)計師野崎靖采用3D打印技術(shù)設(shè)計了一款Maskal口罩架，其由柔軟的硅膠制成，主要原理是較普通口罩增大了施力面，像戴眼鏡一樣的方式讓口罩的摘戴更方便?？谡旨苤醒胭N住鼻子的部分撐出了額外的呼吸空間，令呼吸更順暢，整體佩戴感更舒適[6]。
3. 3D打印手持式紅外線測溫儀
手持式紅外線測溫儀（俗稱“額溫槍”）是防疫一線的醫(yī)療保障物資，如果開模具生產(chǎn)，開模時間最少要20天，在這段空檔期內(nèi)，3D打印免開模具小批量快速生產(chǎn)就發(fā)揮出了巨大的優(yōu)勢作用。重慶領(lǐng)航新智誠科技利用SLA 3D打印技術(shù)快速設(shè)計、迭代、試產(chǎn)、批產(chǎn)，10天內(nèi)完成了2200套手持式紅外線測溫儀的外殼制造[7]。
4.3D打印隔離屋
在抗擊疫情中，專用隔離病房是疫情防控救治的必備硬件設(shè)施，3D打印可以發(fā)揮數(shù)字化建造的優(yōu)勢快速建造應急隔離屋，緩解抗疫一線的燃眉之急。2020年2月13日，盈創(chuàng)新材料捐贈的首批15套3D打印隔離屋運抵湖北咸寧中心醫(yī)院，這批隔離屋可以用于新冠肺炎患者的入住。該建筑運用3D打印技術(shù)一體化成型，墻體與鏤空的柵格成一體，面積約10平方米，高度為2.8米，采用殼體結(jié)構(gòu)，整體受力均勻，具有快速制造、抗風抗震、保溫隔熱的效果，通電后即可使用，符合隔離需求[7]。
3D打印隔離屋是一種健康、環(huán)保、可持續(xù)性的建造方式。材料利用率高，采用廢棄物再生材料建造，增材制造的建造方式也大大減少了材料浪費；快速交付，平均打印一間隔離屋約需要2個小時，一天24小時可打印十幾間。加上室內(nèi)裝修、水電、衛(wèi)浴設(shè)施配備的時間，一個房屋從打印到交付大約需要兩到三天時間；因地制宜，靈活安裝，房屋可卡車運輸、吊裝且無需地基，不需要大規(guī)模施工，可滿足病患人數(shù)較少的地區(qū)使用需求[8]。
5. 3D打印醫(yī)學類模型
疫情爆發(fā)后，病毒研究和疫苗研制工作刻不容緩。通過CT(Computed Tomography，電子計算機斷層掃描)或MRI(Magnetic Resonance Imaging，磁共振成像)等醫(yī)學影像學數(shù)據(jù)，創(chuàng)建三維數(shù)字模型，并將模型3D打印成具體的實物，對于醫(yī)學研究、病理分析、手術(shù)方案設(shè)計和預演、教學培訓等，具有很強的臨床實用價值。
在新冠肺炎疫情爆發(fā)后，3D打印技術(shù)也迅速被應用到國內(nèi)的病毒研究和疫苗研制的工作中。廣州形優(yōu)科技依照感染者確診5天時的肺部病灶CT數(shù)據(jù)進行3D重建，采用PolyJet材料打印出了新冠病毒肺部感染病例的彩色模型，新冠病毒的毛玻璃狀影像特征得以清晰呈現(xiàn)，幫助醫(yī)學專家更直觀地進行病例實體分析和演繹[9]。
同時，上?？萍即髮W免疫化學研究所和中國科學院上海藥物研究所抗新型冠狀病毒感染聯(lián)合應急攻關(guān)團隊也公布了2019-nCoV冠狀病毒3CL水解酶（Mpro）的高分率晶體結(jié)構(gòu)，供更多科技工作者，特別是藥物研發(fā)人員使用[9]。早在2017年，中國科學院武漢病毒研究所便運用3D打印技術(shù)，利用病毒結(jié)構(gòu)生物學的科研成果，制作了幾種代表性的病毒模型，通過復原病毒結(jié)構(gòu)的真實形貌，幫助大家更直觀、生動地了解病毒[10]。
6. 3D打印藥物制劑
自20世紀90年代初期以來，很多研究機構(gòu)一直在進行對3D打印藥物遞送裝置（drug delivery device，DDD）在藥物制劑中應用的研究，直到2015年7月，全球首款由3D打印技術(shù)研發(fā)制備的左乙拉西坦速溶片（商品名：Spritam）獲得美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）批準上市，從而使3D打印技術(shù)在藥物制劑領(lǐng)域獲得了極大的關(guān)注。在藥物制劑領(lǐng)域，3D打印技術(shù)具有空間分布精確、釋放精準、藥物劑量可控等優(yōu)勢，彌補了傳統(tǒng)制藥技術(shù)的不足，發(fā)展前景廣闊。目前，應用在藥物制劑領(lǐng)域的3D打印技術(shù)主要有黏結(jié)劑噴射技術(shù)（BJ）、材料擠壓技術(shù)（FDM）、SLA。
研究人員最早使用黏結(jié)劑噴射技術(shù)（BJ）進行3D打印片劑的開發(fā)工作，Katstra等使用黏結(jié)劑噴射技術(shù)，通過調(diào)節(jié)黏結(jié)劑或聚合物濃度，獲得了與傳統(tǒng)制造工藝硬度和脆碎度相當?shù)钠瑒precia公司在收購麻省理工學院3D藥物打印技術(shù)后，開發(fā)了名為 ZipDose的技術(shù)平臺，并以3D打印的模式層層制備Spritam片劑，讓兒童、老人或有精神障礙等吞咽困難的患者能夠更好地服藥。張惠檄等使用擠壓式3D打印技術(shù)打印了不同形狀的阿司匹林雙層片，實驗表明其較傳統(tǒng)壓制的阿司匹林雙層片的緩釋效果更好。Lu等采用 SLA 3D打印技術(shù)，以治療皮膚癌的達卡巴嗪為模型藥物，打印了由25根聚富馬酸二羥丙酯微針組成的載藥微陣列，以實現(xiàn)化療藥物的透皮給藥[11]。
與傳統(tǒng)藥物制備工藝相比， 3D打印技術(shù)具有極高的可控性和靈活性，非常適合個性化制劑及創(chuàng)新型制劑的制造。雖然3D打印技術(shù)仍存在諸多技術(shù)及監(jiān)管方面的挑戰(zhàn)，但相信通過進一步的發(fā)展，目前存在的問題終會得以解決，3D打印將為醫(yī)藥發(fā)展帶來新的機遇和希望，加速個性化、智能化給藥時代的到來[11]。
7. 納米機器人3D打印
當人體遇到病毒或細菌侵害時，就會產(chǎn)生免疫反應，比如發(fā)燒。如果遇到持續(xù)發(fā)燒，人們通常都會通過吃藥、打針來進行治療。如果可以往血液里植入一個納米機器人，由它們來探測到發(fā)燒的原因，并可以直接對感染部位進行治療，患者不就不用再忍受藥片的苦味和扎針的疼痛了嗎？
2019年，美國科學家宣布一項納米機器人實驗的重大突破：借助光聲斷層成像技術(shù)，實時控制納米機器人，讓它們準確抵達人體某個部位（比如腸癌病人的腸道腫瘤處），實現(xiàn)藥物遞送，或?qū)Π┳兗毎M行智能微手術(shù)。
納米機器人是一種借助最先進的芯片和納米技術(shù)，在原子水平上精確地建造和操縱物體的機器人。而3D打印大批量個性化制造的優(yōu)勢，在微結(jié)構(gòu)領(lǐng)域為大規(guī)模個性化制造提供了可能性。據(jù)悉，現(xiàn)在已經(jīng)可以通過3D打印，一次制造出幾十萬個納米機器人，在人類無法進行操作的分子層面上對原子和細胞結(jié)構(gòu)實現(xiàn)一系列操作[12]。
意大利Istituto Italiano di Tecnologia的研究人員利用納米級3D打印開發(fā)了一種混合納米技術(shù)設(shè)備，可以用來更好地了解藥物如何穿透血腦屏障向中樞神經(jīng)系統(tǒng)進發(fā)，幫助開發(fā)腦部疾病和腫瘤（腦癌，老年癡呆癥，多發(fā)性硬化癥等）的治療方法[13]。
微納米3D打印是目前全球最前沿的先進制造領(lǐng)域之一，目前主流的微納米3D打印技術(shù)分為雙光子聚合TPP技術(shù)和面投影立體光刻技術(shù)（Projection Micro Litho Stereo Exposure）。該技術(shù)在復雜三維微納結(jié)構(gòu)、高深寬比微納結(jié)構(gòu)和復合(多材料)材料微納結(jié)構(gòu)制造方面具有很高的潛能和突出優(yōu)勢，而且還具有設(shè)備簡單、成本低、效率高、可使用材料種類廣、無需掩?；蚰＞摺⒅苯映尚蔚葍?yōu)點。
8. 器官3D打印
生物3D打印是指將細胞及生物水凝膠及生長因子等混合成生物墨水，通過3D打印的方式實現(xiàn)組織/器官的體外再造。該技術(shù)工藝可有效模擬組織/器官結(jié)構(gòu)，在器官發(fā)育機制、病變機理、藥物評價、再生修復等領(lǐng)域有眾多應用[14]。
雖然生物3D打?。ㄝd細胞打?。簳r還未真正進入臨床應用，也仍有很多問題待深入研究，但我們依然可以看到其正處于一個高速發(fā)展的過程中。
以色列特拉維夫大學研究人員利用患者細胞和生物材料首次成功設(shè)計和打印出了充滿細胞、血管并有心室和心房的完整心臟。該3D打印人工心臟是以人體細胞和具患者特異性的生物材料作為生物打印原料制成。研究顯示這種方法在未來的個性化組織和器官置換中具有潛力[15]。
英國紐卡斯爾大學（Newcastle University）組織工程學的研究員們利用人體細胞3D打印出了人造角膜。他們將一種由藻酸鹽和膠原蛋白組成的“生物墨水”與人類的角膜干細胞混合在一起，然后進行3D打印，干細胞就會在生物墨水周圍開始生長。這項研究為將來的大范圍人造眼角膜移植提供了一種新思路[17]。
據(jù)2019年《科學》雜志封面報道，美國萊斯大學與華盛頓大學的研究團隊帶來一項具有里程碑意義的發(fā)明——一個由水凝膠3D打印而成的肺模型，它具有與人體血管、氣管結(jié)構(gòu)相同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能夠像肺部一樣朝周圍的血管輸送氧氣，完成“呼吸”過程。從外形來看，這個人造器官還沒有一枚硬幣大。研究人員表示，這一領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)是制造較大的活組織塊，并且保證它有可存活的、運轉(zhuǎn)正常的細胞，制造這種活組織塊非常容易，但確保這種活組織內(nèi)細胞的可存活性以及功能性是個挑戰(zhàn)[18]。
如果說通過組織工程再生器官實現(xiàn)“哪里壞了換哪里”是人類在醫(yī)學上的一個理想，那么3D打印技術(shù)則為這個理想的實現(xiàn)打開了一扇大門。以肺部器官為例，據(jù)統(tǒng)計，肺部疾病是全球發(fā)病率都較高的一類疾病，尤其對于慢性阻塞性肺疾病（COPD）、特發(fā)性肺纖維化（IPF）、肺囊性纖維化、ɑ-1抗胰蛋白酶缺乏，特發(fā)性肺動脈高壓等肺部疾病來說，在條件允許的情況下通常都需要通過肺移植的方式來進行治療。但適合的病人往往難有合適的肺源。隨著科技的發(fā)展，如果有一天能夠借助3D打印技術(shù)，快速制造出符合人體植入要求的肺部器官，就可以彌補捐獻器官的短缺，更快速、精準地滿足患者需求。
結(jié)語
在過去長達一個世紀的時間里，人類在減少甚至消除生物疾病方面取得了長足的進步，例如青霉素的出現(xiàn)以及 CRISPR 基因編輯技術(shù)等?，F(xiàn)在，隨著如3D打印、人工智能等各類前沿科技在醫(yī)學應用中的不斷發(fā)展，人類的醫(yī)療進程可能會發(fā)生巨大的變化。3D打印技術(shù)如今已被廣泛應用于康復醫(yī)療器械、醫(yī)學模型、手術(shù)導板、生物打印、藥物研發(fā)等諸多方面。而在這次抗擊新冠肺炎疫情中，3D打印也發(fā)揮了小批量、分布式、快速制造、無人化生產(chǎn)的靈活優(yōu)勢，為疫情防控貢獻了自身的力量。這讓我們有理由相信，科技的進步將會帶來一個更美好的世界，人類也必將可以更加從容無畏地面對疾病和未來。
參考文獻：
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[2] baijiahao.baidu.com. 從建模到獲批僅7天，來看看3D打印護目鏡長啥樣？[EB/OL]. (2020-02-09)[2020-02-11]. https://baijiahao.baidu.com/s?id=1658064854026351870&wfr=spider&for=pc.
[3] baijiahao.baidu.com. 湖南長沙：3D打印護目鏡 馳援抗“疫”一線[EB/OL]. (2020-02-11)[2020-02-11]. https://baijiahao.baidu.com/s?id=1658255485612640329&wfr=spider&for=pc.
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作為3D打印行業(yè)的一員，我們需要思考的是，面對高度傳染性病毒，3D打印能做什么貢獻？
大家知道，傳統(tǒng)制造是量越大，每件制造成本越低，零件越復雜，每件制造成本越高。而3D打印無論批量大小、復雜程度如何，每件制造成本基本恒定。這就表明了3D打印的應用優(yōu)勢有兩個大的方面：一是小批量多品種快速制造/定制，另一個是制造復雜部件。從市場來看，就如計算機剛開始主要用于工業(yè)控制一樣，3D打印初始也是用于工業(yè)的，成為工程師、設(shè)計師等專業(yè)人士的模型設(shè)計工具；接下來就開始進入教育市場，從培養(yǎng)3D打印的使用到設(shè)計、創(chuàng)造，最終培養(yǎng)出一批具有增材思維和創(chuàng)造力的人才。隨著3D打印技術(shù)和理念的普及和易用性的提升，它將進入廣闊的規(guī)?；I(yè)領(lǐng)域和廣大家庭。
在爆發(fā)疫情等特殊時期，對于護目鏡、口罩、測溫儀等必備的防護用具及醫(yī)療保障物資的制造，就可以發(fā)揮3D打印小批量、分布式、快速制造的特點，實現(xiàn)本地生產(chǎn)，就近服務(wù)，滿足千人量級的日常使用需求。此外，還可共享數(shù)據(jù)模型，利用云制造平臺（如三帝云制造www.topktec.cn）實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同生產(chǎn)，提高并行生產(chǎn)效率，滿足更大量級的批量需求。3D打印技術(shù)可以通過康復醫(yī)療器械、醫(yī)學模型、手術(shù)導板、方艙醫(yī)院建造、生物/器官打印、納米機器人打印、藥物研發(fā)等諸多方面，在抗擊傳染性病毒中發(fā)揮作用。
1. 3D打印護目鏡
對于如新冠肺炎病毒這類具有飛沫傳播感染性的病毒，護目鏡成為戰(zhàn)“疫”一線的醫(yī)務(wù)人員及需與患者密切接觸人員的必備防護用具。市場上常見的護目鏡，開模時間長達14天，而利用FDM 3D打印技術(shù)生產(chǎn)的醫(yī)用護目鏡，不僅密封度高，且重量只有普通護目鏡的3/4，還可根據(jù)個人面部數(shù)據(jù)實現(xiàn)私人化定制[2]。
圖1 運用3D打印技術(shù)生產(chǎn)的醫(yī)用護目鏡[3]
湖南云箭集團增材制造研究應用中心內(nèi)的50余臺FDM 3D打印機每日生產(chǎn)醫(yī)用護目鏡200余套。據(jù)了解，1月31日，這家公司利用原有成熟的3D打印技術(shù)，應急研制生產(chǎn)醫(yī)用護目鏡；2月7日，首批醫(yī)用護目鏡通過長沙市市場監(jiān)督管理局備案準入；2月10日，這家公司生產(chǎn)的首批500套護目鏡已發(fā)往長沙和懷化，馳援抗“疫”一線[3]。
圖2 三帝科技3D打印車間一角
3D打印定制個性化的防護用品，能提升防護效果。三帝科技采用原有成熟的FDM 3D打印技術(shù)，應急研制生產(chǎn)3D醫(yī)用隔離防護鏡，用于醫(yī)療機構(gòu)中檢查治療時起防護作用，阻隔體液、血液飛濺或潑濺。規(guī)格型號齊全：YP-EM-S、YP-EM-M、YP-EM-L、YP-EM-C（定制）等。采用先進的EVA面部掃描系統(tǒng)，結(jié)合逆向工程軟件設(shè)計出定制化的3D醫(yī)用隔離防護鏡，選取有良好生物相融性的材料進行3D打印，制造出來的3D醫(yī)用隔離防護鏡具有防霧化、舒適、完美貼合部位等特點。
圖3 三帝科技3D醫(yī)用隔離防護鏡設(shè)計示意圖及打印樣
2. 3D打印口罩
口罩作為疫情防護中人體的“第一道防線”，其重要性不言而喻。而口罩的適配性、功能性、舒適性等因素，都會對其防護效果產(chǎn)生影響。
根據(jù)佩戴者的頭部、面部掃描數(shù)據(jù)，進行三維建模，再3D打印的個性化定制口罩，可保證口罩與佩戴者面部的充分貼合，極大提升口罩的適配性和相對密閉性。
運用3D打印個性化定制的特點，可制作針對不同人群的專用口罩。2018年，波蘭設(shè)計師巴特羅米奇·加克左雷科便聯(lián)合一家3D打印服務(wù)商專門設(shè)計和制作了兒童專用的抗污染口罩，以保護兒童免受污染侵害。這款3D打印口罩的內(nèi)置物可替換為活性炭、過濾棉等介質(zhì)，輕量化設(shè)計令其佩戴起來輕巧舒適，可在一定程度上減少兒童對佩戴口罩的抵抗情緒[4]。
圖4 3D打印兒童專用防護口罩[4]
據(jù)了解，該款口罩采用的原料是PA12尼龍（用于硬質(zhì)部件）和TPU（用于柔性部件），通過選擇性激光粉末燒結(jié)（SLS）工藝打印而成[5]。
圖5 3D打印口罩，外觀神似《蝙蝠俠：黑暗騎士崛起》中的口罩[5]
三帝科技結(jié)合3D打印技術(shù)優(yōu)化口罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計，提升口罩的功能性。例如可更換式呼吸閥濾芯的設(shè)計，不僅利于口罩的清潔，也可延長口罩的使用壽命，降低使用成本。三帝科技醫(yī)療團隊應急研發(fā)設(shè)計了分離式口罩固定裝置，客戶可將口罩分離裝置與自己的口罩相結(jié)合，把一次性醫(yī)用口罩夾在分離裝置中使用。規(guī)格型號齊全：YFD-DM-MEN、YFD-DM-WOMEN、YFD-DM-CHILDREN、YFD-DM-CUSTOMIZE（定制）等。目前市面上可以看到可更換濾芯的口罩，材質(zhì)為食品級硅膠和ABS、PLA塑料件，濾芯采用HEPA結(jié)構(gòu)。如果選用適合的材料，采用3D打印技術(shù)來制作，將會是一種可以實現(xiàn)低成本、快速個性化定制的方式。
圖6 可更換濾芯的口罩
在防疫防護中，需要超長時間佩戴口罩，三帝科技旗下的七號科技通過3D打印的口罩輔助配件來提升佩戴的舒適性，緩解佩戴口罩造成的耳部疼痛，可調(diào)式卡扣設(shè)計可以根據(jù)個人頭型調(diào)節(jié)佩戴的松緊度，讓口罩更貼合，防護更到位，且不易滑落。
圖7 七號科技萬物打印ear carer 3D打印口罩伴侶
日本設(shè)計師野崎靖采用3D打印技術(shù)設(shè)計了一款Maskal口罩架，其由柔軟的硅膠制成，主要原理是較普通口罩增大了施力面，像戴眼鏡一樣的方式讓口罩的摘戴更方便?？谡旨苤醒胭N住鼻子的部分撐出了額外的呼吸空間，令呼吸更順暢，整體佩戴感更舒適[6]。
圖8 3D打印口罩架[6]
3. 3D打印手持式紅外線測溫儀
手持式紅外線測溫儀（俗稱“額溫槍”）是防疫一線的醫(yī)療保障物資，如果開模具生產(chǎn)，開模時間最少要20天，在這段空檔期內(nèi)，3D打印免開模具小批量快速生產(chǎn)就發(fā)揮出了巨大的優(yōu)勢作用。重慶領(lǐng)航新智誠科技利用SLA 3D打印技術(shù)快速設(shè)計、迭代、試產(chǎn)、批產(chǎn)，10天內(nèi)完成了2200套手持式紅外線測溫儀的外殼制造[7]。
圖9 3D打印手持式紅外線測溫儀[7]
4.3D打印隔離屋
在抗擊疫情中，專用隔離病房是疫情防控救治的必備硬件設(shè)施，3D打印可以發(fā)揮數(shù)字化建造的優(yōu)勢快速建造應急隔離屋，緩解抗疫一線的燃眉之急。2020年2月13日，盈創(chuàng)新材料捐贈的首批15套3D打印隔離屋運抵湖北咸寧中心醫(yī)院，這批隔離屋可以用于新冠肺炎患者的入住。該建筑運用3D打印技術(shù)一體化成型，墻體與鏤空的柵格成一體，面積約10平方米，高度為2.8米，采用殼體結(jié)構(gòu)，整體受力均勻，具有快速制造、抗風抗震、保溫隔熱的效果，通電后即可使用，符合隔離需求[7]。
圖10 3D打印隔離屋[7]
3D打印隔離屋是一種健康、環(huán)保、可持續(xù)性的建造方式。材料利用率高，采用廢棄物再生材料建造，增材制造的建造方式也大大減少了材料浪費；快速交付，平均打印一間隔離屋約需要2個小時，一天24小時可打印十幾間。加上室內(nèi)裝修、水電、衛(wèi)浴設(shè)施配備的時間，一個房屋從打印到交付大約需要兩到三天時間；因地制宜，靈活安裝，房屋可卡車運輸、吊裝且無需地基，不需要大規(guī)模施工，可滿足病患人數(shù)較少的地區(qū)使用需求[8]。
5. 3D打印醫(yī)學類模型
疫情爆發(fā)后，病毒研究和疫苗研制工作刻不容緩。通過CT(Computed Tomography，電子計算機斷層掃描)或MRI(Magnetic Resonance Imaging，磁共振成像)等醫(yī)學影像學數(shù)據(jù)，創(chuàng)建三維數(shù)字模型，并將模型3D打印成具體的實物，對于醫(yī)學研究、病理分析、手術(shù)方案設(shè)計和預演、教學培訓等，具有很強的臨床實用價值。
在新冠肺炎疫情爆發(fā)后，3D打印技術(shù)也迅速被應用到國內(nèi)的病毒研究和疫苗研制的工作中。廣州形優(yōu)科技依照感染者確診5天時的肺部病灶CT數(shù)據(jù)進行3D重建，采用PolyJet材料打印出了新冠病毒肺部感染病例的彩色模型，新冠病毒的毛玻璃狀影像特征得以清晰呈現(xiàn)，幫助醫(yī)學專家更直觀地進行病例實體分析和演繹[9]。
圖11 3D打印新冠病毒肺部感染模型[9]
同時，上?？萍即髮W免疫化學研究所和中國科學院上海藥物研究所抗新型冠狀病毒感染聯(lián)合應急攻關(guān)團隊也公布了2019-nCoV冠狀病毒3CL水解酶（Mpro）的高分率晶體結(jié)構(gòu)，供更多科技工作者，特別是藥物研發(fā)人員使用[9]。早在2017年，中國科學院武漢病毒研究所便運用3D打印技術(shù)，利用病毒結(jié)構(gòu)生物學的科研成果，制作了幾種代表性的病毒模型，通過復原病毒結(jié)構(gòu)的真實形貌，幫助大家更直觀、生動地了解病毒[10]。
圖12 新冠病毒模型[9]
圖13 幾種3D打印病毒模型[10]
6. 3D打印藥物制劑
自20世紀90年代初期以來，很多研究機構(gòu)一直在進行對3D打印藥物遞送裝置（drug delivery device，DDD）在藥物制劑中應用的研究，直到2015年7月，全球首款由3D打印技術(shù)研發(fā)制備的左乙拉西坦速溶片（商品名：Spritam）獲得美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）批準上市，從而使3D打印技術(shù)在藥物制劑領(lǐng)域獲得了極大的關(guān)注。在藥物制劑領(lǐng)域，3D打印技術(shù)具有空間分布精確、釋放精準、藥物劑量可控等優(yōu)勢，彌補了傳統(tǒng)制藥技術(shù)的不足，發(fā)展前景廣闊。目前，應用在藥物制劑領(lǐng)域的3D打印技術(shù)主要有黏結(jié)劑噴射技術(shù)（BJ）、材料擠壓技術(shù)（FDM）、SLA。
研究人員最早使用黏結(jié)劑噴射技術(shù)（BJ）進行3D打印片劑的開發(fā)工作，Katstra等使用黏結(jié)劑噴射技術(shù)，通過調(diào)節(jié)黏結(jié)劑或聚合物濃度，獲得了與傳統(tǒng)制造工藝硬度和脆碎度相當?shù)钠瑒precia公司在收購麻省理工學院3D藥物打印技術(shù)后，開發(fā)了名為 ZipDose的技術(shù)平臺，并以3D打印的模式層層制備Spritam片劑，讓兒童、老人或有精神障礙等吞咽困難的患者能夠更好地服藥。張惠檄等使用擠壓式3D打印技術(shù)打印了不同形狀的阿司匹林雙層片，實驗表明其較傳統(tǒng)壓制的阿司匹林雙層片的緩釋效果更好。Lu等采用 SLA 3D打印技術(shù)，以治療皮膚癌的達卡巴嗪為模型藥物，打印了由25根聚富馬酸二羥丙酯微針組成的載藥微陣列，以實現(xiàn)化療藥物的透皮給藥[11]。
圖14 包括5種藥物的3D打印
與傳統(tǒng)藥物制備工藝相比， 3D打印技術(shù)具有極高的可控性和靈活性，非常適合個性化制劑及創(chuàng)新型制劑的制造。雖然3D打印技術(shù)仍存在諸多技術(shù)及監(jiān)管方面的挑戰(zhàn)，但相信通過進一步的發(fā)展，目前存在的問題終會得以解決，3D打印將為醫(yī)藥發(fā)展帶來新的機遇和希望，加速個性化、智能化給藥時代的到來[11]。
7. 納米機器人3D打印
當人體遇到病毒或細菌侵害時，就會產(chǎn)生免疫反應，比如發(fā)燒。如果遇到持續(xù)發(fā)燒，人們通常都會通過吃藥、打針來進行治療。如果可以往血液里植入一個納米機器人，由它們來探測到發(fā)燒的原因，并可以直接對感染部位進行治療，患者不就不用再忍受藥片的苦味和扎針的疼痛了嗎？
2019年，美國科學家宣布一項納米機器人實驗的重大突破：借助光聲斷層成像技術(shù)，實時控制納米機器人，讓它們準確抵達人體某個部位（比如腸癌病人的腸道腫瘤處），實現(xiàn)藥物遞送，或?qū)Π┳兗毎M行智能微手術(shù)。
納米機器人是一種借助最先進的芯片和納米技術(shù)，在原子水平上精確地建造和操縱物體的機器人。而3D打印大批量個性化制造的優(yōu)勢，在微結(jié)構(gòu)領(lǐng)域為大規(guī)模個性化制造提供了可能性。據(jù)悉，現(xiàn)在已經(jīng)可以通過3D打印，一次制造出幾十萬個納米機器人，在人類無法進行操作的分子層面上對原子和細胞結(jié)構(gòu)實現(xiàn)一系列操作[12]。
圖15 納米機器人
意大利Istituto Italiano di Tecnologia的研究人員利用納米級3D打印開發(fā)了一種混合納米技術(shù)設(shè)備，可以用來更好地了解藥物如何穿透血腦屏障向中樞神經(jīng)系統(tǒng)進發(fā)，幫助開發(fā)腦部疾病和腫瘤（腦癌，老年癡呆癥，多發(fā)性硬化癥等）的治療方法[13]。
微納米3D打印是目前全球最前沿的先進制造領(lǐng)域之一，目前主流的微納米3D打印技術(shù)分為雙光子聚合TPP技術(shù)和面投影立體光刻技術(shù)（Projection Micro Litho Stereo Exposure）。該技術(shù)在復雜三維微納結(jié)構(gòu)、高深寬比微納結(jié)構(gòu)和復合(多材料)材料微納結(jié)構(gòu)制造方面具有很高的潛能和突出優(yōu)勢，而且還具有設(shè)備簡單、成本低、效率高、可使用材料種類廣、無需掩?；蚰＞摺⒅苯映尚蔚葍?yōu)點。
8. 器官3D打印
生物3D打印是指將細胞及生物水凝膠及生長因子等混合成生物墨水，通過3D打印的方式實現(xiàn)組織/器官的體外再造。該技術(shù)工藝可有效模擬組織/器官結(jié)構(gòu)，在器官發(fā)育機制、病變機理、藥物評價、再生修復等領(lǐng)域有眾多應用[14]。
雖然生物3D打?。ㄝd細胞打?。簳r還未真正進入臨床應用，也仍有很多問題待深入研究，但我們依然可以看到其正處于一個高速發(fā)展的過程中。
以色列特拉維夫大學研究人員利用患者細胞和生物材料首次成功設(shè)計和打印出了充滿細胞、血管并有心室和心房的完整心臟。該3D打印人工心臟是以人體細胞和具患者特異性的生物材料作為生物打印原料制成。研究顯示這種方法在未來的個性化組織和器官置換中具有潛力[15]。
圖16 由患者細胞制成的3D打印小型人體心臟[16]
英國紐卡斯爾大學（Newcastle University）組織工程學的研究員們利用人體細胞3D打印出了人造角膜。他們將一種由藻酸鹽和膠原蛋白組成的“生物墨水”與人類的角膜干細胞混合在一起，然后進行3D打印，干細胞就會在生物墨水周圍開始生長。這項研究為將來的大范圍人造眼角膜移植提供了一種新思路[17]。
據(jù)2019年《科學》雜志封面報道，美國萊斯大學與華盛頓大學的研究團隊帶來一項具有里程碑意義的發(fā)明——一個由水凝膠3D打印而成的肺模型，它具有與人體血管、氣管結(jié)構(gòu)相同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能夠像肺部一樣朝周圍的血管輸送氧氣，完成“呼吸”過程。從外形來看，這個人造器官還沒有一枚硬幣大。研究人員表示，這一領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)是制造較大的活組織塊，并且保證它有可存活的、運轉(zhuǎn)正常的細胞，制造這種活組織塊非常容易，但確保這種活組織內(nèi)細胞的可存活性以及功能性是個挑戰(zhàn)[18]。
圖17 3D打印肺模型[18]
如果說通過組織工程再生器官實現(xiàn)“哪里壞了換哪里”是人類在醫(yī)學上的一個理想，那么3D打印技術(shù)則為這個理想的實現(xiàn)打開了一扇大門。以肺部器官為例，據(jù)統(tǒng)計，肺部疾病是全球發(fā)病率都較高的一類疾病，尤其對于慢性阻塞性肺疾病（COPD）、特發(fā)性肺纖維化（IPF）、肺囊性纖維化、ɑ-1抗胰蛋白酶缺乏，特發(fā)性肺動脈高壓等肺部疾病來說，在條件允許的情況下通常都需要通過肺移植的方式來進行治療。但適合的病人往往難有合適的肺源。隨著科技的發(fā)展，如果有一天能夠借助3D打印技術(shù)，快速制造出符合人體植入要求的肺部器官，就可以彌補捐獻器官的短缺，更快速、精準地滿足患者需求。
結(jié)語
在過去長達一個世紀的時間里，人類在減少甚至消除生物疾病方面取得了長足的進步，例如青霉素的出現(xiàn)以及 CRISPR 基因編輯技術(shù)等?，F(xiàn)在，隨著如3D打印、人工智能等各類前沿科技在醫(yī)學應用中的不斷發(fā)展，人類的醫(yī)療進程可能會發(fā)生巨大的變化。3D打印技術(shù)如今已被廣泛應用于康復醫(yī)療器械、醫(yī)學模型、手術(shù)導板、生物打印、藥物研發(fā)等諸多方面。而在這次抗擊新冠肺炎疫情中，3D打印也發(fā)揮了小批量、分布式、快速制造、無人化生產(chǎn)的靈活優(yōu)勢，為疫情防控貢獻了自身的力量。這讓我們有理由相信，科技的進步將會帶來一個更美好的世界，人類也必將可以更加從容無畏地面對疾病和未來。
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