3D打印技术应用前景展望与分析

◆黄烽坚 封小影 黄 昊

第三军医大学大坪医院野战外科研究所 重庆 400042

责任编辑:姚 涛

3D打印技术是制造业领域正在迅速发展的一项新兴技术，被称为“具有工业革命意义的制造技术”[1]，特别是用于医疗卫生行业的生物3D打印技术，在临床和医学科研方面的应用受到了医学界的广泛关注。随着3D打印技术与医学影像建模、仿真技术相结合的不断深入，3D打印技术在医疗方面的应用也取得了惊人进展，其具有的快速性、准确性及擅长制作复杂形状实体的特性使它在医疗卫生行业领域有着广泛的应用前景。

1 3D打印技术概述

3D打印技术(又称“添加制造”(Additive Manufacturing)诞生于20世纪80年代后期，源自美国研究照相雕塑和地貌成形技术，是一种与传统材料去除加工方法相反、基于三维数字模型、运用粉末状金属或塑料等可粘合材料、采用逐层制造方式将材料结合起来的工艺技术[2]。3D打印技术主要工艺类型包括立体光刻 (SL)、立体光固成型、PVC塑料烫印复膜、熔融挤出成型(FDM)、三维喷绘打印(3DP)、数字光处理(DLP)等。其产品类型主要分为桌面级和工业级两种，桌面级能够较直观地阐述3D打印技术的工艺原理;工业级的3D打印机主要分为快速原型制造和直接产品制造两种。3D打印技术作为一种高科技含量的应用技术，综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多前沿技术知识，目前已经广泛应用于家电、汽车、工程机械、航天航空、船舶等领域。

3D打印技术最近数十年取得了重大发展，正逐步成为最有生命力的先进制造技术之一。目前已经能够在0.01mm的单层厚度上实现600dpi的精细分辨率，国际上较先进的产品可以实现每小时25ram厚度的垂直速率，实现24位色彩的彩色打印[3]。目前在市场应用领域方面，3D打印技术在航空器和医学牙科领域的应用发展最快。在2009年～2011年的3年间，应用于航空器制造领域的设备市场份额由9.9%上升到了12.1%，医学牙科的市场份额由13.6%上升到了15.1%。随着3D打印技术精度、效率和速度的提升，以及多样3D打印材料的开发、工艺方法的改进、智能制造的发展成熟，新的信息技术、控制技术、材料技术等不断被广泛应用到制造领域，3D打印技术也将得到更广泛的应用。未来，3D打印技术将体现出精密化、智能化、通用化以及便捷化等发展趋势[4]。

我国3D打印技术起步于20世纪90年代初期，已研制出与国外 SLA、LOM、SLS、FDM 等工艺方法相似的打印设备，并逐步实现了商品化，尤其在大型金属构件直接制造方面，突破了技术方面的障碍，走在世界的前列。目前国内已有部分企业实现了3D打印机的整机生产和销售，东部发达城市已有企业应用3D打印设备开展了商业化的快速成型 服务[3，5]，同时中国3D打印产业联盟的成立，标志着3D打印产业的资源整合已经步入新阶段，结束了“小而散”的状况。近年来，国家对3D打印技术的支持力度不断加大，主管部门在积极制定相关产业扶持政策，科技部已经将3D打印技术纳入国家“863计划”，因此3D打印技术和产业表现了强劲的发展潜力。但总体而言，国内3D打印技术研发水平与国外相比还有较大差距，且在工业级3D打印机的稳定性、精密度、材料等领域与国外尚有一些差距，未来随着智能控制、图像传感技术以及新材料等的应用，我国3D打印技术将向智能化、高效率化、节能化方向发展[4]。

2 3D打印技术在医院的应用前景

2.1 临床应用

2.1.1 为个性化治疗创造条件

比如制造出个性化的假体。进行个性化治疗一直是无数病人梦寐以求的治疗方案。过去由于根据模型制作假体，制作时间相对较长，且由于材料的使用率低，造成获得个性化的产品费用较高。3D打印技术的出现有效解决了个性化治疗的难题[6]。3D打印技术无需机械加工或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，从而极大地缩短产品的研制周期，提高生产率，降低生产成本，使得生产一件产品和生产大量同样产品的单价相同。目前比较成功的案例是，美国Ofard Performance Materials公司做了颅骨的修复技术;在欧洲，LayerWise公司首次用激光烧结的技术，用钛合金做出下颚关节植入人体。

2.1.2 生物3D打印可用于组织工程 人体组织损伤、缺损会导致功能障碍。传统的修复方法是自体组织移植术，虽然可以取得满意疗效，但它是以牺牲自体健康为代价，会导致很多并发症及附加损伤。利用组织工程和生物制造技术进行缺损修复[5]，通过 3D打印机打印出来和自身需要完全一样的组织工程支架，在接受组织液后，其可以成活，便形成有功能的活体组织，然后移植到病人身上，对损坏的部位进行永久性的替代。目前，全球每年等待器官移植的患者数量惊人。而器官来源一直是器官移植最大的制约因素。利用3D打印技术制造胚胎干细胞和人体组织，可以制造出能够直接移植或埋入人体内的人体部位，甚至直接在人体内打印细胞。3D打印技术可加速人造人体器官的进展，在医学领域的应用有望解决器官来源问题[7－9]。

2.1.3 可用于制造生物模型 在进行复杂手术前通过医疗模型模拟手术，使医生能够掌握手术中预先解剖的部位，减少手术风险，提高手术成功率。医学影像在临床上的应用，很容易得到病人软组织、硬组织的模型，通过把 X线、CT机及 MRI获得的 DICOM数据转换成三维打印机的数据，便可以快速准确制成生物模型，帮助医生提高手术成功率。比如手术前可以把所有的器官通过三维打印成病理模型，根据模型大小，寻找合适的供体，充分做好手术前的规划和方案的设计[10－12]。 大坪医院肺外科开展了世界首例3D CT引导电视胸腔镜下肺毛玻璃样变切除术，实际效果表明，将3D打印技术应用于手术现场，手术的准确度明显提高。

2.2 科学研究

2.2.1 打印反应容器，驱动化学反应 3D打印技术出现以前，研究人员一直都在沿用传统的玻璃瓶罐等容器进行化学实验，且被动地使用标准试件。3D打印技术的出现有效解决了实验器皿作用单一的模式，根据实验需要，“量身定制”各种不同的实验器皿，而且可以打印反应容器，使之成为实验本身的组成部分，控制化学反应。其原理是通过3D打印技术和计算机辅助过程，一层一层地建立起固态物件。这种用缀合催化剂“墨水”打印的容器能让其内壁驱动化学反应[13]，而容器内藏有的嵌入式电极(用导电碳基添加剂打印出来的一种载有电流的聚合物薄片条)能在容器内促进电化学 反 应[14－21]。该项技术不仅能够快速生产再配置试件，还能强化化学反应，为研究提供了一种全新的个性试件方式。

2.2.2 可进行细胞3D打印 以三维设计模型为基础，通过软件分层离散和数控成型的方法，用3D打印技术生成生物材料，特别是细胞材料等。它的技术原理是将细胞打印[8]在一层一层的特殊热敏材料上，之后将材料叠加起来就得到所需的组织结构。据统计，40%以上的人口死亡于代谢综合症，利用细胞3D打印技术在体外打印一个代谢综合症模型，通过模型可获得能量代谢的系统模型图，就可以看到细胞在里面的生长状况。譬如我们把胰岛细胞放在这个结构中，就可以形成一个我们所需要的、有通讯的三维模型，再进行相关的病理实验，就可以模仿人体糖尿病的病理，相对于传统模型，这更接近人体内的真实情况[5]。

3 展望与建议

任何一种新型技术的发展都面临机遇与挑战，3D打印技术虽然技术先进、应用广泛，但受多种因素的限制。目前，打印设备的精度、速度和效率还不够高，受打印机工作原理的限制，打印精度与速度之间存在严重冲突;打印生物材料多局限于化学聚合物，打印机造价比较贵，打印产品成本高等。尤其是在生物3D打印技术方面，牵涉的技术比较多，因此3D打印技术在医学方面的发展必须是多学科的合作。

从中长期来看，3D打印技术在医院应用具有较为广阔的发展前景，但目前距离成熟应用阶段尚有较大距离。因此现阶段医院对3D打印技术的投入应注意以下几点:一是加强医院与厂家联手开展合作研究。厂家出设备，医院设计需要的图形，厂家拿到图形后打印成产品提供给医院使用，并遵循先动物实验再临床观察原则，尽量将风险降到最低。同时加强教育培训。技术的引进需配备专业的人才，将3D打印技术纳入医院中长期发展建设规划，培养懂医疗且了解3D打印技术的复合型人才，为医院应用和发展3D打印技术储备人才。二是加强与其它医院的合作和交流。与3D打印技术应用比较成熟的医院建立合作机制，实现资源共享，定期举行经验交流和研讨会，解析3D打印技术应用中遇到的问题，分享应用经验和技巧。三是与传统的医疗技术形成互补。传统的医疗技术是医院发展的基础，新技术的应用是医院发展的动力，二者相结合，医院才能稳步向前发展。

综上所述，3D打印技术虽然在医学领域应用前景巨大，且能给医疗卫生行业技术革新提供强劲的动力，但医院在引进和实施3D打印技术时，要根据实际情况理性客观的规划布局，对医院现有资源进行整合，与传统医疗技术相结合，进行优势互补，在不断提高医院特色医疗技术的同时，加强3D打印技术的引进与应用。

[1] 张 曼.3D打印技术及其应用发展研究[J].电子世界，2013(13):7－8.

[2] 王雪莹.3D打印技术与产业的发展及前景分析[J].中国高新技术企业，2012(26):3－5.

[3] 陈坚伟，张 迪.3D打印技术医学应用综述与展望[J].电脑知识与技术，2013(15):3632－3633.

[4] 贺超良，汤朝晖，田华雨，等.3D打印技术制备生物医用高分子材料的研究进展[J].高分子学报，2013(6):722－732.

[5] 王月圆，杨 萍.3D打印技术及其发展趋势[J].印刷杂志，2013(4):10－12.

[6] 韩桂芬，章静波.塑料移植物替代3/4颅骨3D打印机制造出聚合物头盖骨[J].基础医学与临床，2013(6):823.

[7] N.E.Fedorovich，L.Moroni，J.Malda，et al.3D － Fiber Deposition for Tissue Engineering and Organ Printing Applications[Z].Cell and Organ Printing，2010:225 －239.

[8] Natalja E.Fedorovich，Jacqueline Alblas，Wim E.Hennink，et al.Organ printing:the future of bone regeneration[J].Trends in Biotechnology，2011，29(12):601 －606.

[9] F.Melchels，J.Malda，N.Fedorovich，et al.Organ Printing[J].Comprehensive Biomaterials，2011(5):587 －606.

[10] Paul Calvert.Printing Cells[J].Science，2007，336:208 －209.

[11] Weigang Wu，Qixin Zheng，Xiaodong Guo，et al.The controlled － releasing drug implant based on the three dimensional printing technology:Fabrication and properties of drug releasing in vivo[J].Journal of Wuhan University of Technology － Mater，2009，24(6):977－981.

[12] Xiaofeng Cui，Thomas Boland.Human microvasculature fabrication using thermal inkjet printing technology[J].Biomaterials，2009，30(31):6221 －6227.

[13] 张长青.3D打印机生产实验器皿

“智能”容器可以驱动化学反应[J].世界科学，2012(9):45－46.

[14] Brian Derby.Printing and Prototyping of Tissues and Scaffolds[J].Science，2012，341(16):921 －926.

[15] R.A.Rezende，F.D.A.S.Pereira，V.Kasyanov，et al.Scalable Biofabrication of Tissue Spheroids for Organ Printing[J].Procedia CIRP，2013，5:276 －281.

[16] 3D printing of dental restorations[J].Metal.Powder Report，2013，68(2):32 －33.

[17] Tabea Viktoria Flügge，Katja Nelson，Rainer Schmelzeisen.Three － Dimensional Plotting and Printing of an Implant Drilling Guide:SimplifyingGuided ImplantSurgery[J].Journal of Oral and Maxillofacial Surgery，2013，71(8):1340 －1346.

[18] T.Serra，J.A.Planell，M.Navarro.High－resolution PLA－based composite scaffolds via 3 － D printing technology[J].Acta Biomaterialia，2013，9(3):5521 －5530.

[19] T.Serra，J.A.Planell，M.Navarro.High－resolution PLA －based composite scaffolds via 3 － D printing technology[J].Acta Biomaterialia，2013，9(11):5521 －5530.

[20] Marissa Fessenden.3 － D printed windpipe gives infant breath of life[N].Nature News，2013 －05 －28.

[21] Larry Greenemeier.Scientists use 3－D printer to speed human embryonic stem cell research[N].Nature News，2013 －02 －05.