3D技术在生物医学领域的应用

杨修远

摘 要：3Dprinter，亦称三维打印技术。其技术雏形出现于上世纪80年代中期，是一种快速成型的累计制造技术。从3D打印技术（3Dprinter）在当前开发应用的初步成效来看，未来人们可以将它广泛应用在生物医学领域。

关键词：3D技术； 生物医学领域； 应用

中图分类号：TP18 文献标识码：A 文章编号：1006-3315（2013）08-003-001

一、3D技术（三维打印技术）的诞生

不同于很多人想象中的凭空造物，3D打印技术利用是一种“提升维度—累积”的思想。通常来说艺术家在二维尺度上创作绘画作品，即长和宽两个方向；雕塑作品则有三个维度，长，宽，高。3D打印技术的核心在于把一个立体的物体分割成无数层级，每个层级都是一副独立的画作。在打印机工作的时候，每一个层级都叠加于前一个层级之上，聚沙成塔，最终完成一个固态的立体的构件。

就结构上来说，一般的3D打印机与普通的喷墨打印机区别不大，都是有喷头，墨盒，支架之类的组件，但是因为用来打印立体部件，大多数3D打印机还有一个可以上下移动的支持平台，用来承载打印的部件。至于工作原理，则跟传统二维打印机一样，需要在电脑上设计一个模型（图形），输入之后才能打印出物体。现行的3D打印机输入文件格式，包括stl，3ds，dxf，obj，wrl，zpr等等，其中要属STL和WRL较为流行。打印机通过读取文件中的横截面信息，把“墨水”逐层打印出来。比较常见的墨水有粉状或者液体状两种，对于两种墨水，分别有两种后续处理方法。就粉状墨水来说，有粘合法：喷头首先将粉状微粒喷洒成一张图案，然后用液态粘合剂进行黏合使其定型，然后再喷洒下一层，叠加于上一层。激光熔铸法：用激光高能集中的特性对每一层粉状颗粒进行加工，然后逐层累积成型。对于塑料产品，还可以使用液体墨水，首先喷洒一层液态的塑料物质，等凝固之后再喷洒下一层。目前市面上的3D打印机大多尺寸不大，不能加工超过700mm立方的物件。即使是世界最大的3D打印机也离制造大型工业构件为时尚早，最多只有1500mm左右。

二、3D技术（三维打印技术）的现状

中国物联网校联盟将3D打印机称作“上上个世纪的思想，上个世纪的技术，这个世界的市场。”这种说法不无道理，单一喷头的3D打印机对处理塑料，金属，陶瓷甚至其他常见材料已是不在话下。有一些设计复杂的3D打印机则可以处理复合型材料，比如内层是金属，外层是塑料；又或者几种不同颜色的材料互相交织，打印出彩色的雕像。对于传统工业，3D打印机的优点在于可以加工出精确的物件，比如高精度的小型金属原件，或者是尺寸小但是复杂的工艺品甚至是食品。想要制作出更精细的产品，则必须满足两个条件，一是更加精确的三维扫描或者三维设计文件，二是减少每一层的厚度。任意一个条件都会加大制作的时间成本和材料成本。从目前来说，这些就注定了3D打印机还无法投入大规模生产，另一方面来说，需要大规模生产的构件并不要求很高的精度。

3D打印机与传统打印机的最大区别在于材料。正是因为3D打印这项技术的先天定位，其在利用传统材料制造物件的可开发性不大，取得的经济效益有限。不过总体来看，3D打印技术还是有光明前景的，但是其应用性在目前来说，并没有想象的那样大。无论是在“墨水”的制造上，还是仪器的结构优化上，仍有许多技术壁垒需要攻克。

三、3D技术（三维打印技术）在生物医学领域的应用

从3D打印技术（3Dprinter） 在当前开发应用的初步成效来看，未来人们可以将它广泛应用在生物医学领域。日常生活中，人们为各种各样的病痛所困扰，尤其是因为某些原因导致器官性缺损的病人，若骨头坏死被截肢，器官病变被切除等等。众所周知，经受器官移植手术的病人在术后，必须不间断的服药以减少自身免疫器官对外来移植器官的排斥作用，这给病人带来极大的痛苦和损伤。由于器官的结构和功能较为复杂，所以结构比较单一的骨骼成为打印的首要目标。日前，北京大学第三医院骨科专家刘忠军教授带领的团队在征得病人同意之后，在脊柱及关节外科领域研发出3D打印脊柱外科植入物植入患者体内，其中包括颈椎椎间融合器、颈椎人工椎体及人工髋关节在内的三个产品已经进入了临床观察阶段。从材料上来看，这种假骨与真骨有一定的区别，它的主要作用在于定型，可以将周边的骨头吸引过来，使人体骨骼和植入物结合起来，促进患者康复。2013年6月，美国麻省理工学院的Markus Buehler宣布他的项目组开发出一种类似人类骨骼的生物材料，这种材料也有类似骨骼的复合结构（胶原蛋白和羟磷灰石），由两种不同的物质交错形成，它的韧性甚至比人骨更强。另一种方法就是利用3D打印技术打印出一个“脚手架”，在里面填入可以发育成人骨细胞的胚胎细胞和生长因子。目前，这种方法在老鼠身上已经取得成功，但还没有在人类身上进行临床实验。此外，现在的技术还可以为患者定做牙齿，更加方便节省时间。

科学家的目标不仅于此，为了解决免疫系统对外来器官的排异问题，他们已经在着手于利用3D打印技术订制器官。首要的实验目标是肾脏，因为人体有两个肾脏，有一个肾脏作为对照，可以更精确的建设三维模型。科学家的设想是用3D打印机打印出一个跟完好肾脏一样大小的模型，在这个模型里面有无数个大小、形状不一的空隙；接下来是在不同的空隙里面注入可以成长为不同细胞的胚胎细胞以及诱导素，生长因子以及营养物质。经过一段时间的培养，这些空隙被填满之后，这个人造肾脏就会拥有类似真实肾脏的功能，而且不会受到病人免疫系统的排斥（用病人自己的细胞培养而成）。但是，在实际应用中仍面临许多问题：这个肾脏真的有人器官的一样功能吗？培养过程太慢以及这个肾脏移植之后的成活问题等等。所以说，人类在器官打印技术应用的道路上还有很多需要攻克的难题。