3D打印技術如何在醫療領域大顯身手？

2018-4-3 23:17:00

數字化醫療及精準醫療已經走過了從探索、研究、科學實踐的初級階段，到今天全球范圍內已經開始了醫學領域廣泛的、深層次的研究及臨床轉化的第二個階段。

巨大的臨床數據及海量的CT、MRI等影像數據為數字化精準醫療奠定了基礎。而3D打印技術正是基于此，從量化、可視、可控等方面進一步研發，獲得真實的病理仿真及模擬，從而輕松獲得了病理模型，籍此將傳統的兩維度平面的信息，轉化為三維實體，進一步幫助臨床醫生量化了其所掌握的經驗及技術。

人體替代部件的巨大需求，替代傳統非個體化的植入件的巨大需求以及巨大的市場商機，是這一技術發展的推動力，使得組織工程技術成為生命科學領域的前沿技術和投資界高度關注的重點行業。

3D打印技術在醫療領域的兩個革命性應用

3D打印的產品有兩類，第一類是無生命3D打印產品，第二類是生物3D打印產品，無論哪一類都需要給予數據的挖掘，要把有些具體的東西，比如說細胞與細胞之間、細胞與基質之間的相互作用，它形成了一個什么樣的三維結構，等等，解析出來，使這個重建的三維組織能執行更高級的生理功能。那么就必須做一些結構的解析、定量的分析、標識、組織構建等等一系列的工作，才能將人體的組織跟器官完整的還原。

無生命產品的3D打印其實在醫療行業的應用也是非常廣泛的，比如說大家比較熟悉的金屬3D打印，比如說鈦合金的，還有一些不銹鋼的3D打印，他一般可以做成人體的標準的替代部件，比如說植入的螺釘，還有固定的鋼板，還有一些修復的一些組織，這些都是金屬的，它也是無生命的。

無生命產品是最早被認知、被應用起來的3D打印。比如說，在美國，2014年有一家新的公司上市，它有很多產品已經獲得了FDA的一些認證；也在2014年年底的時候，中國也開始有相關的政策出臺；2015年8月份，中國有了一個標準器械的關于3D打印金屬打印的一個注冊證，這也是中國在3D打印金屬產品方面取得的一些成績和國家政策的一些認可。

無生命的3D打印產品，做出來的病理模型可以將原來的二維的信息變成三維的信息，原來隱藏在背后的一些信息看不見，現在有了一個病理模型，就可以從各個角度對它進行觀察，方便醫患溝通；此外，無生命的3D打印產品做出來的病理模型，可以方便醫生將它進行量化，做手術前的模擬演練，比如說粉碎性骨折，創傷面、碎成多少小片、粉末等等，可以在這個模型上看得非常清楚，然后做一些手術的規劃，準備手術中要使用的器械。還可以提前進行方案優化，到時候帶進手術室的就不像以前要推好幾車，手術時間也可以大大縮短，同時可以有把握地手術。

無生命的3D打印有幾項革命性的成果：

1. 基于三維的解剖結構，可以對將要做的手術做一些非常精準的小器械，我們把它叫做手術導航板。比如說要在患者的脊椎上面打孔，要置螺釘，我們根據患者的脊椎比如說椎弓根的解剖結構做一個精準的匹配的一個小的擋板，使得醫生在術前做了規劃以后，手術中使用這個導航板精準地將螺釘打入椎弓根，避免傷到脊椎上豐富的血管和神經。手術前做到心中有數，將醫生原來頭腦中的經驗進行量化，做了術前的演練，手術的成功率也會大大提高。

2. 個性化的植入、個性化的定制。比如說有個患者得了結核性的骨病，骨結構受到了一定的損傷，他已經失去了原來的一些骨質，在影像當中就顯得那塊有一個很大的缺損。他要在手術中使用一些標準的植入物，比如說做一個關節，這種關節在使用過程當中找不到依靠的地方，找不到固定的地方，找不到位置，通過3D打印就可以做一個精準的適合這個患者的完整的解剖結構，這個解剖結構完美地與他剩余的組織匹配，從而給下一步的手術做鋪墊。這種針對組織性缺損的個性化器械的植入，使得有一些無法做的手術現在有機會了。有一例非常典型的案例，就是深圳的“鐵肩女”，她是一個骨腫瘤的患者，由于骨腫瘤侵蝕了她肩胛骨的15%的骨質，讓醫生處理起來非常為難。她當時有兩個選擇，第一保守治療，她的骨質會繼續流失，到時候可能會造成殘廢甚至危及生命。第二是采用3D打印的技術，將她骨腫瘤的那塊切掉，不需要完全截肢，再給她制作一個與她周圍組織相匹配的肩胛骨，之后手術就有可能做了。

3. 在國外無生命的3D打印也會用在比如說人造器官，在中國，北大三院做過脊椎、骶骨，這些都非常有革命性。

生物3D打印產品，相對來說比較陌生。目前生物3D打印產品在國際上的趨勢有幾種：

1. 做一些3D打印的生物材料，然后用這些生物材料覆蓋細胞讓它長一些細胞。種植一些細胞，然后把它進行培養，做成一種活性組織；

2. 生物相容性的材料，還包括生物可降解的材料，復合上細胞，同時打印。比如說可以做一個血管，可以做一個脂肪組織等等；

3. 還有一種，是直接在人體里面進行一些修復和構建，這就是完全基于細胞的3D打印。

對于生物3D打印，國內其實也有很多的院校相繼投入了大量的資金、人力、物力在做研究，也取得了一些成績。從國際上來看，中國的生物3D打印跟國外幾乎同步，個別的領域可能還要超過他們，但是有一個問題，中國的這種3D打印的技術由于基礎的研究比較薄弱，包括在這個上面的相關的知識產權比較少，在目前看來好像沒什么問題，可能隨著時間的推遲，隨著時間可能會國外的專利可能會引起一些問題。

生物3D打印可能要有很多準備過程：首先，是對生物材料的選擇；其次，目前市場上現有的打印機可能還不足以滿足你的要求，可能要對它進行底層的改造，甚至自己要重新來做；要非常熟悉組織的結構；還要非常清楚和把握對于組織的構建。我們所接觸的整個行業，大家都在從醫學的角度去了解它，從細胞的角度去了解它，而忽視了這種交叉學科的應用。在生物材料以及用數據解析人體組織相對來說比較弱，恰恰是這兩點，阻礙了生物3D打印的發展。

在構建一個組織的時候，首先要知道這種組織所使用的材料是什么，或者是有什么樣生物可降解的材料，植入人體以后，它能夠保證骨的生長，同時能在身體里面保證這種相容性，與其他的組織之間的相互關系能保持得非常融洽，同時它又能降解，比如說降解成水被人體充分吸收。

接下來就可以構建，如果你要去解析一個組織，比如說要做一個骨骼，人體從頭到腳的骨骼結構其實是不一樣的，有些是防止外界的撞擊，起到對內部組織的保護，有些需要承重，有些需要平衡，有些需要產生血細胞、紅細胞等等。由于它的功能不一樣，骨從頭到腳的結構也是不一樣的，尤其它的細胞組織是不一樣的。2015年12月，劍橋、美國的哈佛相繼有革命性的一些研究出來，證實了人的顱骨骨干細胞來自不同的干細胞群，與人體的其他骨骼的干細胞群是截然不同的。

了解了人體的從頭到腳骨骼的結構以后，就要想辦法把它構建出來，仿生出來，為細胞在里面的生長創造一個良好的條件，這樣細胞才能在里面進行擴增、代謝、遷移，然后生成相關的組織。然后做出來的東西，植入人體以后，細胞繼續生長，這種結構在滿足細胞生長的前提下，會一步一步地降解，人體中壞死的或者由于手術切除以后缺損的組織就會得到修復。