医学院校开设3D生物打印专业的必要性及可行性分析

2018-09-05谭如彬乔伟丽

卫生职业教育 2018年16期

谭如彬，李翠，尤强，石玥，乔伟丽，孙红

（1.徐州医科大学,江苏徐州 221004；2.兰州大学管理学院,甘肃兰州 730000）

3D打印技术的广泛应用,使得许多企业和单位急需这方面的人才。很多高职院校敏锐地捕获到了市场对人才需求的信息,开设了3D打印技术的相关专业。就目前情况看,凡是开办了专业方向的基本都是挂靠在机械类专业如模具设计与制造（3D打印技术方向）,这样没有一点医学背景的人才在医学领域的应用就会力不从心,无法满足医学发展的需要。因此,医学院开设3D生物打印专业迫在眉睫。本文将从以下几个方面阐述一下医学院开设3D生物打印专业的必要性和可行性。

1 3D生物打印在医学中的应用

医学院校着力于培养适应国家及区域医药卫生事业发展和经济建设需要的具有职业素质、实践能力、国际视野及创新精神的高素质专门人才和高水平创新人才。为达到这样的目的,我们需要跟随时代的潮流,顺应科技的快速发展。

3D打印技术（3Dprintingtechnology）是近年来新兴的制造技术,它是一种可以将2D图片运用一些特殊材料,通过逐层打印的方式转化为3D的模型,是指在计算机控制下,根据物体的计算机辅助设计（CAD）模型或计算机断层扫描（CT）等数据,通过材料的精确3D堆积,快速制造任意复杂形状3D物体的新型数字化成型技术[1]。因此,用生物材料进行的3D打印也称为3D生物打印。3D生物打印在医学教育和科研都有广泛的应用前景[2-3]。

1.1 3D生物打印在医学教育中的应用

从古至今,无论是国内还是国外,医学教育中解剖学标本尤为珍贵,非常稀缺。在2010年英国研究者Schievano等对死去的胎儿进行核磁扫描,并应用3D打印技术成功制作了从6周到30周胚胎或胎儿及其器官的解剖模型[4],2014年McMenamin等以塑化剂为材料,利用3D打印机成功复制出了人类手的标本[5],丰富了教学资源。Igami等通过3D打印技术,打印出了需要实施手术的肝脏模型[6]。Chapron等通过患者的CT及MRI数据,利用3D打印技术制作出了患者的无差异化心脏形态学模型[7]。在国内,马立敏等[8]利用3D打印技术辅助颈椎高位多节段脊索瘤手术也取得了成功。3D打印技术在医学院校教学中也开始应用。自2014年9月起,北京大学第三医院心脏外科用3D打印技术制作出典型的心脏病三维立体模型,配合以问题为基础学习（Problem-BasedLearning,PBL）教学,应用于心脏外科临床教学和临床技能培训中,取得了满意的教学效果[9]。

从以上的成果来看,3D打印技术可用于制作解剖教具。与传统解剖教具相比,3D打印技术除可等比例反映人体结构外,还有可缩放的优点,人类进化至今,分化出许多细微结构,因结构细小,难以分辨,是传统形态学学习的难点,如颅骨因组成和空间结构复杂,是传统意义上的解剖“死角”,其中尤以骸骨形态不规则解剖结构多而成为医学教育的难点之一。有研究机构研制了类似的放大模型作为解剖教具,该模型涵盖了锤骨、半规管、卵圆窗和圆窗等各种结构,以助于医学生对其结构立体的深刻认识。应用3D打印技术能精确、快速地复制并再现稀有形态学标本,可以反复使用且能显示人体不同解剖层面。

医学是一个需要不断学习的学科。随着当今医学教育导向从框架性知识结构记忆到PBL教学转化,现代医学教育理念强调个体化和以病人为中心的教学模式。基于3D打印技术在医学院校的应用,不仅可以弥补解剖标本缺乏的空白,还能更好地服务于学习基础知识的医学生,不仅可对经典病例到罕见临床情况进行记录和高度复制,还能为医师更好地继续学习提供保障,更好地运用医学形态学知识服务于病患。成品的应用空间不仅限于基本知识和技能讲授,更可在高级研修培训中发挥重要作用[10-11]。

1.2 3D生物打印在医学科研中的应用

医学是一个不断更新、不断发展的学科,科研的进展大大地影响了医学的发展。因此,无论是医学院校还是医院都积极地开展科学研究,利用科学研究的结果辅助临床的治疗,同时将科研融入教学中,让学生早日接触科研,培养他们的创新能力,使以后培养的医学人才更符合创新型国家的发展需要。而目前3D打印技术也开始应用于医学的科学研究中,比如徐铭恩教授带领的团队研发出了国内首款生物3D打印机,这款生物3D打印机是全球首个采用无菌条件打印的生物打印机,其打印出的细胞存活率在90%以上,被国际顶级期刊《Biomaterials》称之为生物3D打印领域的全球最高水平[12]。2009年开始,北医三院骨科开展3D打印骨骼技术,目前已经有近40位自愿者植入了3D打印的钛合金骨骼,并配合定期追踪检查[13]。3D生物打印在牙齿治疗中也逐渐被运用。北大口腔医院唐志辉等用生物3D打印技术完成补种牙等动物口腔修复。对人来说,这意味着可以定制一颗和之前几乎一模一样的牙齿[14]。四川大学华西医院再生医学研究中心教授康裕建（也是蓝光英诺首席执行官兼首席科学家）,利用装满干细胞（干细胞可以分化为机体的任何一种细胞）的3D打印机打印出约2厘米长的血管样本,然后将这些血管植入恒河猴的胸腔中,实验动物术后存活率为100%[15]。然而从这些发展可以看出以后器官将实现预约定制,按需所“印”,可以满足患者个性化的需求。目前已有3D打印定制的下颌植入物、矫形外骨骼、定制义肢,3D生物打印膀胱等进行器官复制,3D生物打印外耳及面部重建,3D生物打印皮肤进行烧伤治疗,3D生物打印辅助心脏瓣膜置换手术,3D生物打印血管,3D打印气管,定制医学教具及其他植入物等[16]。众所周知,等待关键器官移植的人数与实际可用的捐赠器官数量之间存在巨大的不平衡。而有了3D生物打印技术,患者不必再为了等待移植器官而苦苦煎熬,采用患者自身的细胞避免排异性,就如同有了一个实时的个人器官库,只要有需求,就可以随时打印完全符合自身需求的器官[13-14]。基于目前大量的需求医学院校绝对有必要开设3D生物打印专业,为国家培养具有3D生物打印技术的医学人才,同时还可以对临床专业的医学生开设3D打印的选修课,使将来的临床工作者更符合时代的要求。

2 医学对3D生物打印人才的需求以及可行性分析

医学有许多基础课程包括解剖学、组织和胚胎学、病理学、病理生理学等,也是医学课程中的重点和难点。由于标本的稀缺,许多知识只能靠学生死记硬背,教师累,学生也累,事倍功半。而3D生物打印正好可以解决教具缺乏的问题。那么既然要满足各种教具的需求,也相应地需要具有3D生物打印技术且有医学背景的人才,2017年我们国家目前有超过138所教育部和省属医学院校,除此之外还有许多医学专科学校、卫生职业技术学校以及一些民办的医学校等。可以说对于这方面的人才仅仅医学校的教师这个岗位就有很大的市场需求。无论是医学院校还是医院以及一些医学或生物学实验室都急需具有3D生物打印技术且有医学背景的人才,因此医学院开设3D生物打印专业迫在眉睫。3D生物打印技术及其产业化一定会在第三次工业革命浪潮中扮演越来越重要的角色,中国要在新一轮的产业竞争中抢得新的先机,必然需要这样的人才。但是怎么建设3D打印专业并没有统一的标准或依据,本文以3D生物打印技术应用于医学进行专业建设为例,从以下几个方面提出专业建设的可行性方案。

2.1 3D生物打印专业的人才培养目标

本专业培养具备医学基础知识与3D打印技术相结合的基本技能,具备电子技术、计算机技术等有关的基础理论知识以及医学基础知识与3D打印技术相结合的科学研究能力,能够适应3D生物打印技术与医学发展的需求的高级应用人才。

通过生物力学、医学基础知识、机电技术与材料科学、三维模型设计的学习,掌握医学形态学与3D打印技术相结合的基本能力,掌握医学基本知识和3D生物打印技术的专业知识,具有初步制作人体标本的能力、3D生物打印设计与应用能力,掌握医学形态学、人体器官的3D打印的基础知识、基本理论和基本技能。

本专业作为医学最前沿的交叉学科,利用计算机、数学与信息科学技术,进行人体信息提取、整合与分析,指导医学科技进展与产业开发,可以培养既具有扎实的生物医学知识,又具有高水平3D生物打印技能,能够在生物、信息、医药等相关领域从事教学、科研、开发应用等方面工作的复合型人才。

2.2 3D生物打印技术专业课程体系构建

在医学中主要应用3D生物打印技术来完成医学中短缺的标本,符合每名病患需求的生物打印品。因此,在3D生物打印技术专业课程体系构建过程中,应充分发掘3D生物打印技术与医学专业的契合点,寻找专业建设的共同基础。同时,又必须把握3D生物打印技术专业核心能力——逆向数据采集及三维建模设计,兼顾制造工艺如3D生物打印制造,开设如三维扫描技术、3D打印技术等课程。由此,构建出的3D生物打印技术专业课程体系见图1。

图1 3D生物打印技术专业课程体系

2.3 建设3D生物打印实验室

由于是新开设的专业,因此计划招生60名学生,分为两个班,理论课可以合班上课,实验课分班分组进行。一个小班30名学生可以分为5组,因此为避免资源浪费,购置普通3D打印机5台,精密的生物打印机1台。普通3D打印机可以购置桌面级的国产打印机,价格在1万元左右,使用的材料是塑料。此类型的打印机通用性较强、价格实惠、打印精度大约在0.1mm左右,能够满足专业技术培训的使用。待学生进行专业综合能力训练时再使用价格昂贵的更精密的3D打印机。

为满足3D打印需要计算机的辅助,所以机房的建设也必不可少,不过许多医学院校由于已有的专业也涉及计算机,所以都有自己的计算机机房,基本可以满足3DMAX、Geomgic、UG等软件的配置。除此以外,还需要一个重要的仪器,即三维扫描仪,目前市场上种类与价格也有不同,有手持式三维扫描仪、拍照式三维扫描仪、激光三维扫描仪等,还有专门的人体三维扫描仪。根据这几种扫描仪的特点,为了满足教学的需要,可以购置5台普通的价格也较低廉的三维扫描仪用于技能培训,购买一台人体三维扫描仪用于综合能力培养。这样总的成本不会太高,大部分医学院校都有能力建设。

2.4 配备3D生物打印专业的师资力量

新专业开设还需要配备本专业的合适师资,需要具有三维建模技术、使用和维护3D打印机设备的技术,同时兼备较高的设计素养的师资。这样的师资配备可以通过以下来源：（1）招聘专业对口或者非常相关专业的研究生学历的毕业生。（2）本校的医学信息学的教师,这些教师是相关专业的教师,可以派出去进行专业培训。（3）目前一些大城市的“三甲”医院和一些先进的医学院校已经有用3D生物打印做科研的医生和教师,学校可以请这些人才作为外聘教师。