基于3D打印技术的生物医学工程创新人才培养模式初探

陆真慧

摘要：生物医学工程是一门工程技术与生物医学相结合的新兴边缘学科。随着教学改革的发展，急需发展创新型生物医学工程人才培养模式。人类社会数字化时代的推进，通过将数字化技术与教学实践相结合，已经成为现阶段创新人才培养的新模式。3D打印技术作为数字化创新性技术之一，已经在工业、创意及医学等领域进行广泛应用。因此，将3D打印技术应用于生物医学工程专业人才培养，可望打造新型人才培养模式，推动学科发展。

关键词：3D打印技术;生物医学工程;创新人才培养; 教学改革;实践

引言

生物医學工程是一门新兴的综合工程学、医学及生物学的交叉学科，在近代高技术发展的基础上，通过精密机械、射线技术、光学、近代物理学、力学、高分子化学、化学、微电子学、电子学与医学结合发展起来的，它的发展进程离不开世界高新技术[1]。由此，生物医学工程人才的培养在满足社会人才需求的前提下，适应科学技术的发展进行重新人才培养至关重要。如何通过高新技术将理论教学与实践相结合，探索一条创新型生物医学工程教学模式具有重要的意义。随着3D打印技术的不断成熟发展，目前已被广泛应用于工科及医学领域的教学实践中，通过结合3D打印技术探索新的教学模式是目前研究的热点。本文通过探讨3D打印技术在生物医学工程课堂中的应用价值，旨在探索更适合时代发展的教学模式及方法，为培养创新型生物医学工程人才提供新思路。

1 生物医学中3D打印技术

传统的医学影像技术主要通过扫描人体组织的断层图像对疾病进行诊断及治疗。但是由于缺乏组织或器官的立体构架，仅凭借医者自身的医学知识和经验，往往会出现医学误诊或漏诊。每个患者由于个体差异，在药物治疗时仅仅通过传统的药物配伍或剂量的不断尝试，不可避免的会出现一些错误诊疗的可能。三维打印（Three Dimension printing; 3D）打印技术是基于计算机三维数字成像技术和多层次连续打印技术的一种新兴应用技术。因其能将复杂三维结构数字化，并精确地打印成实物，有望解决一系列医学、工程学、构建科学的问题，被誉为新的工业革命。目前已在生物医学工程中广泛应用，主要包括：教学及训练模具、康复辅助支具、术前手术规划模型、手术导板、细胞及组织工程支架和个体化植入物制造等[2]。

2 3D打印技术在生物医学工程中的应用

2.1 康复辅助支具制造

康复辅助支具通常需要携带一些外支架来维持病变部位，传统工艺制作的支架不能完美地贴合病人的活动需求。例如骨折需要石膏进行固定并维持病变部位的，但是石膏比较笨重，不利于携带。通过3D打印技术可以根据材料设计便捷、轻巧并且符合病人个体需要的辅助支具。

2.2 教学及术前规划模型制造

主要用于教学训练、医疗诊断及手术规划。术前根据病人的病灶部位影像数据打印立体三维模型，使医生能在手术前直观手术部位的结构并做好手术规划，尽量避开血管和神经，尤其是针对一些复杂部位的手术，避免手术风险、提高手术成功率、缩短手术时间，并且便于医生与患者间的沟通。

2.4 术中导航模板制造

在手术固定等过程中通常需要手术导板进行辅助，以便更准确的定位。3D打印手术导板可以根据患者手术部位进行个体化定制，大大提高手术操作的安全性及精准度。

2.4 个体化植入体制造

由于创伤或疾病等造成的组织器官损伤，需要个体化定制进行精准治疗。例如颅骨的缺损，需要根据。四川大学医用生物材料工程研究中心基于羟基磷灰石生物活性陶瓷的骨诱导性，通过3D打印构建骨替代植入物，用于颅骨缺损修复，细胞可以通过3D网络结构长入植入体中，形成新骨，并随着羟基磷灰石的降解逐步被新骨替代。

2.5 细胞及组织工程支架打印

通过3D打印技术将活细胞和支架材料同时打印，构建个体化的活体组织或器官，用于组织修复及药物筛选。例如我们前期利用软骨细胞复合支架材料（海藻酸钠及胶原水凝胶），通过3D打印技术构建了组织工程化软骨，可以用于关节软骨的缺损修复[3]。目前3D打印的肝脏、心脏组织、血管化结构及肿瘤模型已经成功构建用于个体化药物筛选[4]。

3 基于3D打印技术的生物医学工程人才培养措施

3.1理论与实践相结合

基于“理论与实践相结合”的培养模式，针对工科院校新工科背景下对于新兴产业的需求及医学资源严重缺乏的情况，通过3D打印的教学模具，可以方便老师更直观的对人体的构造及疾病模型进行讲述。而针对医学院校学生，由于缺乏工学基础，通过3D打印技术可以培养学生的实践能力。以理论为基础，开设相关课程及实践平台，在实验课前重点讲解理论知识，引导学生掌握3D打印技术的原理及其在生物医学工程中的应用。并在实验方法课的基础上，设立小实验，锻炼学生通过查阅文献及专业所学进行课题设计的能力，设计包括研究的背景及可行性分析、研究方法、研究内容等。同时，通过文献学习引导学生善于通过生活中的规律或原理进行3D打印设计创意。例如，中国科学院上海硅酸盐研究所基于莲藕的微观结构，通过3D打印技术制备了具有莲藕垂直多孔结构的仿生材料引导细胞的迁移及血管形成，从而促进骨再生[5]。

3.2建立科研导师机制，引导学生兴趣

依托3D打印实验平台，学院根据学生兴趣方向，为其安排相应的导师，借助导师的项目研究，开发学生的创新思维能力，培养科学研究的兴趣。导师作为良师益友，可以通过3D打印技术更好地带领学生尽早接触先进的科学技术，指导学生根据自己未来的发展目标制定相应的规划。并在实施规划过程中，通过3D打印技术的实践引导学生不断尝试并反思，提高学生自身的执行力。

3.3 设立学术学分制，激发学生积极性

设置学期或学年3D打印先进技术学术学分的制度，并加入到“三好学生”及奖学金的评定标准。同时，每年设立“3D打印学术之星”项目供学生申请，并根据课题结题时评定“3D打印先进学术标兵”，更好地激发学生的主动性及积极性，使其能够充分了解并学习3D打印技术。此外，可以增加3D打印学术交流及培训，丰富学生的学识，在以后的工作中能够结合实际开展工作。

3.4 加强实践能力，开启学生创新创业道路

通过校企合作，增加学生的见习机会，锻炼学识科技创造能力。在“大众创业，万众创新”的背景下，依托大学生创新创业项目及“互联网+”平台，将3D打印技术普及化，实现产业的快速孵化，提升3D打印技术在生物医学工程应用领域的专业性及精准性，为企业及社会输送创新型生物医学工程人才，创建产学研一体的创新人才培养模式，以更好地服务地方经济发展。

3 结语

科技是第一生产力，随着科技强国的不断推进，生物医学工程作为多学科融合的新兴学科，应该适应社会需求输送科技创新型人才，助力科技兴国梦。3D打印技术作为现代社会新兴先进制造技术的代表，在生活及工作中不断地普及化及智能化，通过将其融合到传统的生物医学工程人才培养模式中，有助于高校学生更深入的了解和掌握先进制造技术的前沿，灵活地将理论与实践结合，激发学生创意，提升学生实践创造能力，为社会有效培养并输送先进的创新性生物医学工程人才提供保障。

参考文献：

[1]高原，刘洪运，张政波.医院生物医学工程的发展和创新[J].中国医疗设備，2010，25（06）：93-95.

[2]周长春， 王科峰， 肖占文，等. 3D打印技术在生物医学工程中的研究及应用[J]. 科技创新与应用，2014， 000（021）：41-42.

[3] Yang X， Lu Z， Wu H， et al. Collagen-alginate as bioink for three-dimensional （3D） cell printing based cartilage tissue engineering [J]. Materials Science & Engineering C Materials for Biological Applications， 2018， 83：195.

[4]常永泉. 3D打印技术在医疗领域中的应用[J]. 科技创新与应用，2017，000（008）：50-51.

[5] Feng C， Zhang W， Deng C， et al. 3D Printing of Lotus Root‐Like Biomimetic Materials for Cell Delivery and Tissue Regeneration [J]. Advanced Science， 2017， 4（12）.