3D打印在药学创新人才培养中的应用与探索

孙云龙

1中国药科大学大学生创新创业发展中心;2中国药科大学党委办公室 (南京 211198)

近年来，3D打印(又称增材制造)作为第三次工业革命的代表性新兴技术，凭借其精准智能特征和学科交叉融合性，被广泛应用于航空航天、机械制造、建筑设计等各种领域，并逐渐在医药领域展现出重要的应用价值。工信部等十二部门联合印发的《增材制造产业发展行动计划(2017—2020年)》中多次提出推动3D打印技术在医药领域的规模化应用，并针对新药研发等需求开展技术攻关与突破。与此同时，为服务“健康中国”战略新需求，瞄准精准医学发展新方向，教育部等多部委2019年联合启动的“六卓越一拔尖计划2.0”，强调针对“新医科”建设,建立以多学科交叉融合为支撑的医学教育新模式，培养能够综合运用交叉学科与新兴学科知识解决医药领域前沿问题的高层次医学创新人才。这些都为3D打印技术有机融入医药创新人才培养过程提供了重要契机。本文旨在结合中国药科大学依托3D打印创客平台开展“药工融合”创新教育实践的经验与成效，对3D打印技术应用于药学创新人才培养的模式与路径进行探讨。

1 3D打印技术在药学领域中的研究进展与应用

1.1 3D打印药物技术的研究现状

随着“精准医疗”技术日新月异的发展，个性化用药方案对患者特异性疾病的精准预防与治疗，正逐步从理念变为现实。3D打印作为新一代快速成型技术，能够利用计算机辅助软件构建个性化、定制化的复杂模型，并通过分层制造、逐层堆积，打印出成型精度高、重复性好且可实现产业化生产的实体物品。这些独特优势能够解决传统药物制备工艺很难突破的精准释放、药物剂量控制、多药分布等技术难点，降低复杂结构药物和个性化定制药物的制造难度，因而3D打印技术在未来精准给药时代拥有广阔的应用前景。

然而，受限于药物模型设计的复杂性和3D打印药物专用设备及材料的缺乏，3D打印在药学领域的应用门槛较高，起步也相对较晚。但随着近年来工科与药科跨学科交叉研究的深入，越来越多的研究者开始投入到将3D打印技术应用于药物研发、合成、生产等领域的探索性研究中，并已取得一定成果。如在药物合成领域，研究者或是将传统3D打印机改造成可以发生化学反应的小型反应容器，或是直接尝试研发能够在分子水平工作的3D打印药物合成早期验证设备，有些原型设备甚至已能在实验室中合成出较为复杂的药物小分子。在药物制剂领域，基于粉末黏合或热熔沉积原理，进行药物打印的技术已逐步成熟，2015年美国食品药品管理局正式批准了全球首款采用3D打印技术制备的抗癫痫处方药物SPRITAM(左乙拉西坦,levetiracetam)口腔崩解片上市，我国3D打印医药高科技公司已能够自主开发出3D打印的热熔挤出沉积(MED)技术，实现了3D打印在药物制剂领域对缓控释药物和复方药物设计与制造的突破。此外，3D打印的类器官模型也开始被尝试应用于新药测试和个性化药物筛选。这些研究技术突破既扩大了3D打印在药学领域的应用范围，也将直接加速药学创新人才培养模式变革的进程。

1.2 3D打印在药学创新人才培养中的应用

当前，在“健康中国”战略和创新驱动发展战略的双重引领下，医药领域对高层次人才能力的需求正逐渐从注重实践动手能力向注重创新能力转变。特别是随着智能制药、高端药物制剂研发等新兴专业的出现，制药行业对具备多学科专业背景，学术视野开阔和科研思维活跃、创新创业能力强的复合型药学人才的需求越来越迫切。药学创新人才的培养模式与路径正经历着深刻的变革，需要构建更具学科交叉性、更能激发学生创新兴趣和潜力的实践平台。而3D打印技术所具有的学科交叉、创意可实物化等特点，为其用于药学创新人才培养模式改革提供了机遇和切入点。

目前，国内有些药学院校已开始尝试将3D打印技术引入药学生培养的实践教学环节。如开设3D打印应用技术课程及开放性实验，培育大学生双创训练计划项目，与校外3D打印产业园开展人才联合培养等。但3D打印技术有机融入药学创新人才培养体系还处于起步阶段，需要探索更为系统且具推广借鉴意义的模式与路径。

2 依托3D打印创客平台开展创新人才培养

中国药科大学作为国内高等药学教育的引领者，在吸收借鉴国内外高校将3D打印应用于其他领域人才培养有益经验的基础上，结合自身实际和药学专业教育特点，逐渐摸索出一套依托3D打印创客空间开展药学创新人才培养新模式。

2.1 搭建3D打印创客共享平台

传统药学教育模式下，药学生的知识面相对集中于药学专业领域，且专业课科目众多，学业任务较重，要将学生的关注点从医药专业领域吸引到相对陌生的3D打印技术上来，并能围绕“药工融合”开展跨学科创新实践活动，需要首先从激发学生对3D打印的兴趣入手，搭建近在师生身边，充满创新活力和想象力的3D打印创客空间，供师生开展基于自由创造的3D打印技术体验、科研探索和实践教学。

该类创客平台的实体空间可以根据3D打印实践教学的特点进行功能区域划分。如划分出3D打印操作区、作品展示区、研讨交流区，设备器材拆装维修及存储区等，并配齐展示架、操作台、多媒体教学设备、可拼接研讨桌及实验物料存储柜等，保证师生在一个空间内就可以基本完成与3D打印相关的各类双创实践活动。另外，在软硬件设施配置方面，学校配备了各类易于学生上手操作的主流桌面级3D打印机及配套设备，如熔融挤出成(FDM)3D打印机、立体光固化(SLA)3D打印机、选择性区域透光固化(LCD)3D打印机、高低温3D打印笔以及光固化3D打印专用清洗机等，并配备种类相对齐全的三维建模、渲染及切片处理软件来重点培养学生的三维建模能力。此外，有条件的院校还可根据药学生专业特点，尝试引入专业级的医学影像三维处理软件，如ORS Visual等，方便学生进行专业级别的医药领域三维图像处理和模型构建。

2.2 构建校地、校企协同的育人机制

作为非工科见长的医药类院校，要引领学生围绕“药工融合”前沿领域开展3D打印创新实践，学校就应该充分发挥校外资源对学生3D打印创新能力培养的支撑和带动作用。首先，根据创新人才的培养目标和实践教学活动的研究方向，按照“专兼结合、特长互补、校地协同”的原则，学校可组建跨专业、跨领域的复合型师资团队。团队中除了要有负责3D打印创客空间发展规划设计和日常运营监管的校内专职指导教师外，还应尽可能地聘请校内药学及生物技术领域专家，校外3D打印产业园区高管、资深工程师，高新技术投融资者等担任兼职指导教师，为学生提供多学科背景、多专业视角的技术帮助。其次，医药院校可以采取“走出去”与“请进来”相结合的互动机制，加强与校外3D打印产业园、医药3D打印高新技术企业及其他工科类院校的交流与合作。通过挂牌成立校外3D打印创新实践基地，常态化学生外派实践，定期组织指导教师外出学习，跟踪掌握领域内前沿技术等形式，加强人才校企联合培养，形成师生知识更新与技术交流的良性机制。再次，医药院校还可以尝试联合3D技术企业在校内共建3D打印创客空间，定期邀请校外3D打印专家学者、技术工程师走进校园，开展各类技术培训和科普讲座，参与解决学生开放性实验中遇到的技术问题。此种创新人才的协同培育机制既有助于加深师生对“3D打印+医疗”认识，激发他们的创新思维，也能对医药类院校明确3D打印创新人才的培养目标和发展思路起到较好的助推作用。

2.3 开展3D打印实践教学与课外活动

开展3D打印实践活动需要掌握机械工程、材料科学、计算机技术及工业设计等多个工科领域知识，而药学生的知识结构与实践技能则相对集中在药学、化学及生物学等学科领域。在3D打印创客空间建设之初，药学类专业师生对该技术的认知还比较有限，工程设计与建模的能力也十分欠缺。要激发学生对3D打印技术产生兴趣，医药院校可以先从其熟悉的医药领域入手，挖掘创新实践项目，引导他们形成对药工学科交叉融合的直观认知，并培养其发散性思维，自主运用3D打印技术在医药领域开展科创探索。为此，第一课堂与第二课堂协同融合，3D打印纳入实践教学环节显得很有必要。

具体来说，首先，医药院校通过开设公共选修课程来帮助学生快速掌握3D打印技术的基础原理、基本的产品设计与建模技术，并了解该技术在药学领域的应用前景，帮助他们迅速构建较为完整的3D打印知识体系。然后，可以基于STEAM超学科教育理念(科学Science，技术Technology，工程Engineering，艺术Arts，数学Mathematics)，开设开放性实验。在开放性实验参与学生的遴选方面，学校应打破常规学科界限，面向全校招募多学科背景、实践动手能力强的学生加入。在实验教学设计方面，教师可以采取翻转课堂方式让学生充分发挥主观能动性，根据个人兴趣、专长，自由组成创意小组，并自主完成头脑风暴选题、作品建模设计、打印实操及经验成果分享等环节。教师在整个过程中应该扮演选题修正、背景知识补充与技术指导、考核评价的角色，依靠多样化的教学手段去充分激发学生的创新意识和创造潜力。此外，为提升师生对3D打印的兴趣，各院校还可以定期组织开展作品巡展、创意比赛、科普讲座等丰富多彩的“第二课堂”活动，让更多学生感受3D打印魅力，享受创新乐趣，提高学习热情。

2.4 探索项目驱动式运营

为充分发挥3D打印的技术特点，锻炼学生团队协同创新能力和实践动手能力，在创客空间的运营管理方面，高校可以尝试用开放的项目驱动式运营模式取代传统的行政管理模式。具体来说，在运营主体方面，学校可招募热衷3D打印技术钻研的学生，组建创客工作室，让他们成为空间的日常管理维护和使用的主体，指导教师负责技术指导与监管。在开放机制方面，学校应制定一整套涵盖创客空间使用对象、开放时间、申请准入流程、使用操作规程、安全注意事项等制度规范，面向全校学生开放共享，凡需开展3D打印相关创新性实验项目或课外科技创新活动的学生个人或团队，均可预约申请使用。创客空间对申请项目的创新性、合理性、使用时长与成本，以及预期成果等进行评估。对于审核通过的项目，运营团队首先应对项目实施者进行空间使用的操作规程培训，并根据不同申请计划，排出使用时间表。项目实施者需在规定时间内自主开展文献查阅、实验方案设计，并有计划地组织开展实验，项目结束后进行终期汇报与作品呈现。

项目驱动式运营的最大特色在于一切工作围绕创意项目展开，从一个创意作品概念的提出到建模设计、打印制作、装配展示，以及设备的日常维护维修都由学生自主完成，学生真正成为创新的主体，可以更好地将所学理论知识与实践操作融会贯通，并自主解决项目实施过程中可能遇到的各种问题，最大限度地降低了学生开展3D打印创新实践活动的成本与风险，有助于提升他们的学习体验感和成就感。图1为中国药科大学学生自主设计制作的创意作品。此外，这种模式更加方便教师对学生开展针对性的指导，在减少教师重复性劳动的同时，及时发现和识别有创新潜质的学生，为后续遴选和培养高素质拔尖创新人才奠定良好的基础。

3 3D打印在医药类专业“创客”培养中应用案例分析——基于任务教学法

任务教学法是以任务完成为导向，通过创设特定教学情境，在教师的组织与指导下，以学生为主体，完成既定教学任务并进行效果评估的方法。该方法一般分为前任务阶段(Pre-task)、任务环阶段(Task-cycle)、后任务阶段(Post-task)3个环节。由于可以更好地将学生的自主学习探索与教育任务相结合，锻炼其创新思维和团队协作能力，因而该教学法被广泛用于各类创客教育教学实践中。近年来本校运用任务教学法引导药学生开展了一系列医药方向3D打印创新实践活动，并取得良好成效。笔者以疫情期间设计制作新型冠状病毒(COVID-19)结构立体模型为例进行介绍。

3.1 创设教学情境

新冠肺炎疫情暴发之后，中国药科大学作为在全国复学较早且药学特色鲜明的高校，在3D打印创新实践中创设了有关新冠肺炎疫情防控与科普的教学情境，引导“创客”学生发挥主观能动性，探索将3D打印技术和医药专业知识相结合，设计制作病毒及病理样本模型、防护器具等，为疫情防控做出力所能及的贡献。

3.2 前任务阶段

首先，“创客”学生团队头脑风暴，提出多个与疫情防控有关的设计创意。然后，指导教师对学生现有技术能力、打印设备条件和作品制作难易程度进行评估，确定设计制作新冠肺炎病毒立体模型的教育任务。接下来，指导教师对任务作品提出具体设计要求，譬如病毒模型应兼具科学性与仿真性，要能全方位展示新冠肺炎病毒的内外部结构，可以用于新冠肺炎科普演示，便于师生直观认知和增强防护意识等。学生按照教师下达的技术要求，进一步明确任务完成的技术路线与作品呈现形式等。

3.3 任务环阶段

在指导教师帮助下，“创客”学生以团队形式查阅文献资料，确定可建模参照的新冠肺炎病毒的超微结构图。为能立体、全面、精确地将COVID-19分子形态中表面S蛋白、M蛋白、血凝素—酯酶蛋白、囊膜、RNA-N蛋白、E蛋白等多种内外部生理构造展示出来，团队经过充分的内部学习与研讨，确定打印病毒剖面立体模型的构想，并开展病毒三维结构的建模及渲染。此时，指导教师再次介入，对病毒实体模型的大小比例、色彩、精度、打印时长等提出更为具体的技术指标，并带领学生选用不同类型3D打印机和耗材进行反复试打，选定采用打印精度高、操作简便的LCD(选择性区域透光)固化技术。最终，使用该技术的桌面级光固化打印机进行打印，并以固化速度快、成型精度高的光敏树脂作为打印材质，完成模型打印，如图2所示。

3.4 后任务阶段

创客团队学生结合所学生物学和药学专业知识，将新冠肺炎病毒结构的知识、病毒感染后利用荧光RT-PCR技术进行核酸检测的原理与病毒3D模型打印制作的过程有机整合，撰写科普视频脚本，并绘制相关科研绘图。经教师审定后，制作成“3D疫士”科普视频，通过各类新媒体平台进行发布，起到了良好的科普宣传效果。

4 结语与展望

当前，3D打印技术在精准医疗领域的应用已日益成为国内外新的研究热点。随着该技术在材料学、机器制造等领域关键技术难点的突破，不久的将来有望迎来在制药领域更为广阔的应用，届时社会对药工复合型人才的需求也将迎来井喷式增长。因此，部分研究背景相关、学科基础扎实，设施条件完善的医药类高校及工科院校，应该未雨绸缪，积极开展将3D打印技术融入药学专业创新人才培养的教学改革，为未来更为广泛的药科、医科与工科融合进行必要的经验积累与人才储备。