3D 打印技术让医疗器械突破想象

　　文/詹曲

　　只需要在电脑中绘制所需的三维模型，然后按下“确定”键，就可以轻轻松松“打印”出完美的模型。近些年来，3D 打印心脏、3D 打印食品、3D 打印建筑等新闻报道，让更多人看到了3D 打印技术在诸多领域创造的无限可能。与此同时，当前世界上许多国家将3D 打印作为未来产业发展的新增长点，例如，美国《时代》周刊将增材制造列为“美国十大增长最快的工业”；英国《经济学人》杂志认为增材制造是推动新一轮工业革命的重要科技；中国在《“十四五”智能制造发展规划》、《中国制造2025》等多项政策文件中亦提及增材制造。

　　在医疗领域中，精准医疗已经成为国家战略性新兴产业的组成部分。自2014 年以来，我国在全球精准医疗发展的影响下密集发布相关政策，加速推进行业监管的跟进和政策方向的指引。其中，3D 打印凭借其得天独厚的优势，十分有利于推进精准医疗、个性化医疗的大力发展。不过，3D 打印技术真的无所不能吗？ 3D 打印技术在塑料医疗器械的生产中有哪些应用，又将面临哪些挑战呢？本期会客室，让我们一起聆听上海交通大学医学3D 打印创新研究中心副主任姜闻博的分享。

　　3D 打印在医学方面的五个层次

　　早在1996 年，世界卫生组织（WHO）就在题为《迎接21世纪的挑战》的报告中表示，21世纪的医学将从“疾病医学”向“健康医学”转变，从群体治疗向个体治疗转变。这意味着，以人的健康为研究对象与实践目标的健康医学是当今和未来医学发展的重要方向。尤其在3D 打印技术的成熟应用之后，精准医疗与个性化诊疗的进程实现了重大突破。

　　事实上，3D 打印作为一种快速成型技术，又被称为增材制造。这项技术以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体。理论上可以制造任意复杂形状、非均质结构、梯度机构、多孔结构。这种数字化的柔性制造无需模具，可快速成型，尤其适合小批量、个性化的制造。

　　姜闻博介绍说，在ASTM（美国材料实验协会）定义的七类3D 打印技术中，应用于医疗领域的技术主要有四类，分别为材料挤出（materialextrusion, ME; or fused depostion modeling, FDM,or fused filament fabrication, FFF）、光聚合(vatphotopolymeriztion, VP)、粉末床融化(powderbed fusion, PDF) 和材料喷射(material jetting,MJ)。例如，在骨科大件模型中，常使用光聚合类的SLA 工艺（立体光固化成型工艺）、粉末床融化类的SLS 工艺（选择性激光烧结工艺）；在产品精度要求高的口腔模型等小件中，常采用光聚合类的DLP 工艺（光固化成型工艺）。

　　目前，按照技术难度与临床风险，3D 打印在医学中的应用可以分为五大层次：第一个层次是医疗模型和体外康复器械，主要用于术前诊断测量、手术规划预演、医疗器械选择与预塑形、医患沟通、教育教学、术后康复等。第二个层次是手术导板，可用于术中导航和定位，精准截骨、置钉、复位。第三个层次是金属个性化植入假体，包括骨、关节、口腔、血管支架等内植物。第四个层次是组织工程产品，包括组织工程支架，以及组织工程皮肤、骨、软骨、血管等，要求材料具有生物相容性，且可降解。第五个层次是细胞3D打印，指使用细胞、活性因子、蛋白质等制造细胞模型，类器官、肝组织模型，类肿瘤组织模型等。

　　“现阶段，前三个层次的3D 打印技术已经在临床中广泛使用。第四个层次由于需要在常规3D 打印好的产品中复合人体细胞或者药物活性因子，因而技术要求更高，临床应用更为复杂，目前仅有个别产品进入临床使用阶段，而多数在研发阶段。第五个层次虽然也属于组织工程产品的应用，但不同的是，该技术将3D 打印材料和人体细胞或者药物活性因子混合后作为生物墨水直接打印，用于再生修复的人工活性类器官，能够解决长久以来医疗行业的相关难题，不过目前该项技术仍在动物实验阶段。”姜闻博补充说。

　　生物功能医疗器械的3D 打印前景广阔

　　相应地，基于这五大层次，3D 打印生物功能医疗器械是当下热门的研究方向之一。姜闻博介绍说，在满足形态、力学适配的前提下，该类器械的主要生物功能关注方向包括促成骨、促血管化、抗感染、抗肿瘤、可生物吸收与降解。这无疑将帮助提高患者的治疗效率。

　　不过，对于生物3D 打印来说，材料的研究重点在于是否具备良好的机械性能，如何提高材料适用性、粘度，实现快速交联；如何更好地模拟天然组织结构，为3D 结构提供几何支撑；同时，在打印过程中，如何避免细胞受损。

　　以可降解医疗器械为例，该类器械可以被人体逐步降解吸收，避免了二次取出带来的风险。降解后的器械可以为新生组织生长提供空间，与此同时，该类器械可以作为活性因子、药物等的载体，促进自身组织修复和再生，成为活性材料。不过，材料的吸收与组织新生是否同步是该项技术其中一个关键点。

　　“常用的3D 打印可降解医疗器械原材料包括PLA、PCL 和PPDO。他们可在人体内逐步降解为水及二氧化碳，从而被排出体内。PLA 可用于生产药物缓释包装剂、人造骨折内固定材料、心脏血管支架等；PCL 可用于生产组织工程支架、药物释放载体等；PPDO 则可以用来生产可吸收缝合线。”姜闻博分享说。

　　组织工程应用亦是另一大热门研究。通过获取少量活体组织，用特殊酶或其他方法将细胞（又称种子细胞）从组织中分离出来，在体外培养扩增，而后将扩增细胞与生物材料（支架）按一定比例混合，形成细胞-材料复合物。将该复合物植入机体组织或器官病损部位后，其中的生物材料降解和吸收，细胞则不断增值并分泌细胞外基质，最终形成相应的组织或器官，从而实现修复创伤和重建功能。

　　目前，姜闻博所在的上海交通大学医学院附属第九人民医院3D 打印中心团队针对组织工程骨- 软骨复合支架的构建做了深入的研究。例如，2022 年，上海交大医学院团队首创生物3D打印活性骨修复骨缺损，并成功让诊断为“左胫骨近端肿瘤”的患者在切除肿瘤后，实现自如行走。该案例中，借助数字医学、自体血液富集及生物3D 打印技术，团队将患者自体血小板源性生长因子（PDGF）、转化生长因子（TGF）、血管内皮生长因子（VEGF）、胰岛素样生长因子（IGF）等多种生物活性因子与生物骨修复材料进行逐层打印，将活性细胞因子精确地打印制备在骨显微结构表面，因此，形态个性化与高度仿真的骨显微结构、骨诱导性及生物活性等优势，有利于诱导细胞和血管的长入及营养的循环代谢、加速了修复过程，大大提高了治疗效果。

　　除此之外，细胞3D 打印技术作为目前生物3D 打印技术的最前沿技术，也是实现器官打印的最大潜在技术，可完美解决器官移植带来的诸多难题。姜闻博介绍说，其所在团队对此也有不少研究，包括3D 打印细胞水凝胶- 聚合物复合支架修复半月板，团队基于多喷头生物3D 打印技术开发了多层特异结构的生物打印仿生软骨，并在动物模型体内实现了软骨缺损的再生修复。未来，团队还将继续瞄准载体生物3D 打印技术，为更多患者提供更优的解决方案。

　　结语

　　个性化医疗是人类医学发展的重大转变，而3D 打印技术的发展无疑让更多人看到了这一方向的可行性。为了深度推动3D打印技术在临床医疗上的应用，2013 年上海第九人民医院决定成立3D打印技术临床转化中心，2016年上海交通大学医学3D打印创新研究中心揭牌，旨在建立一个“以临床需求为导向，快速实现临床转化”的医工服务平台。“牢牢将打印机、材料、软件等每一个环节都形成自己的核心技术，才不会被卡脖子，才能更好地应用我们的原创技术和产品把病人治疗得更好。”姜闻博表示。

　　国家政策方面，我国在广泛讨论和征求意见后，相继出台了《3D打印医疗产品指导意见》、《定制式医疗器械管理规定》等，逐步营造良好的研发原创性医疗器械及临床使用环境。除此之外，在临床应用中，有经验的医生也需要放弃自己已经形成的传统经验与技术，利用好3D 打印技术并造福患者。

　　相信通过多方的协作努力，未来的我们必将见证3D 打印在医疗行业创造的新奇迹！

关注读览天下微信， 100万篇深度好文， 等你来看……