生物醫(yī)療材料與3D打印技術(shù)完美集合

生物醫(yī)用材料指的是用于醫(yī)療上能夠植入生物體或與生物組織相結(jié)合，而對(duì)生物體組織不會(huì)產(chǎn)生不良影響的材料。3D打印技術(shù)，即快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，配合機(jī)械制造和材料科學(xué)，使材料在液態(tài)或是氣態(tài)時(shí)直接固化成所需結(jié)構(gòu)。臨床醫(yī)學(xué)研究人員可根據(jù)不同患者的需求，采用3D打印技術(shù)快速精確打印出適合不同患者的個(gè)性化生物醫(yī)用生物材料，同時(shí)，還可以對(duì)材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確控制。因此，這種新興生物醫(yī)用材料的研制結(jié)合3D打印技術(shù)，在未來生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)?huì)得到更廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。

3D 打印技術(shù)作為新生事物，被譽(yù)為“第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志之一”。該技術(shù)是一項(xiàng)具有工業(yè)革命意義的高新制造技術(shù)，代表了世界制造業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)，它使產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到制造之間僅隔“打印”按鈕的距離。2012 年8 月，美國總統(tǒng)奧巴馬撥款3000 萬美元，在俄亥俄州建立了國家級(jí)3D 打印研究中心，啟動(dòng)了“重振美國制造業(yè)計(jì)劃”。很多專家媒體也樂觀地認(rèn)為：3D 打印產(chǎn)業(yè)將成為下一個(gè)具有寬廣前景的朝陽產(chǎn)業(yè)。

3D 打印在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

3D 打印在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用主要體現(xiàn)在醫(yī)學(xué)模型快速建造、組織器官代替品制作、臉部修飾與美容等三方面。

醫(yī)學(xué)模型快速建造

醫(yī)學(xué)道具、模型、用品等材料可通過3D 打印獲得。利用3D 打印技術(shù)，可將計(jì)算機(jī)影像數(shù)據(jù)信息形成實(shí)體結(jié)構(gòu)，用于醫(yī)學(xué)教學(xué)和手術(shù)模擬。傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)教學(xué)模型制作方法時(shí)間長, 且搬運(yùn)過程容易損壞, 使用3D 打印技術(shù), 可有效減少制作時(shí)間，根據(jù)需要隨時(shí)制作，并降低搬運(yùn)損壞的風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)報(bào)道, 美國某醫(yī)院在所實(shí)施的頭顱分離手術(shù)前，先使用3D 打印機(jī)造出了嬰兒連體頭顱模型，并對(duì)手術(shù)方案進(jìn)行充分的研究分析。他們將往常同類型手術(shù)72 小時(shí)縮短到了22 小時(shí)。

目前，3D 打印醫(yī)學(xué)模型已獲得較好的技術(shù)支持，具備一定的打印速度，能使用多種材質(zhì)進(jìn)行打印，應(yīng)用程度高，有著很好的應(yīng)用前景。

組織器官代替品制作

人體組織器官代替物的材料要求很高，實(shí)現(xiàn)難度大。但目前已有一些成功案例，比如復(fù)制人體骨骼, 制作義肢等[5]。比如，人體某塊骨骼缺失或損壞需要置換，首先可掃描對(duì)稱的骨骼，形成計(jì)算機(jī)圖形并做對(duì)稱變換，再打印制作出相應(yīng)骨骼。與傳統(tǒng)方法相比，該技術(shù)不需要先制作模具，可直接打印，建造速度較快。

這項(xiàng)技術(shù)可應(yīng)用于牙種植、骨骼移植等[6,7]。與此同時(shí)，微型人體肝臟也已被成功制造。德國研究人員利用3D 打印機(jī)等相關(guān)技術(shù)，制作出柔韌的人造血管，并能使血管與人體融合，并同時(shí)解決了血管免遭人體排斥的問題。該技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用的深人將有助于解決當(dāng)前和今后人造器官短缺所面臨的困難。

臉部修飾與美容

利用3D 打印技術(shù)制作臉部損傷組織，如耳、鼻、皮膚、牙齒等[8,9]，可以得到與患者精確匹配的相應(yīng)組織，為患者重新塑造頭部完整形象，達(dá)到美觀效果。首先掃描臉部建立起3D 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù);醫(yī)生可以制作出患者所缺少的部位，重現(xiàn)原來面貌。比起傳統(tǒng)技術(shù)，該方法更精確，材質(zhì)選擇更加多樣化。據(jù)報(bào)道，一位左半邊臉上長著腫瘤的患者，在做了切除手術(shù)后臉上留下了一個(gè)大洞。醫(yī)生利用3D 打印技術(shù)為患者制作了一張假臉。制作中，首先全面掃描患者頭骨及面部，根據(jù)所得的結(jié)果分析并建立起原來的面部三維圖像，再打印輸出實(shí)物，通過使用特殊的材質(zhì)，再打印制作出與面部完美貼合并且栩栩如生的假臉。

3D 打印技術(shù)在醫(yī)療器械制造領(lǐng)域中仍然是一種新型技術(shù)，仍然存在著諸多的挑戰(zhàn)：

(1)3D 打印工藝技術(shù)在骨科植入物中應(yīng)用還不成熟，即使最為成熟的EBM 技術(shù)中電子束與粉末之間的相互作用、變形及殘余應(yīng)力控制、表面粗糙度、內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷的控制等關(guān)鍵技術(shù)問題和穩(wěn)定性仍然需要提高。

(2)“打印材料”研發(fā)是發(fā)展的難點(diǎn)，現(xiàn)在骨科器械領(lǐng)域常用的金屬材料為鈦合金粉末，由于受到材料的粒度分布、松裝密度、氧含量、流動(dòng)性等性能的影響，其他的金屬材料和高分子材料的打印技術(shù)仍然處在試驗(yàn)階段，對(duì)于具有活性的打印材料，如何維持細(xì)胞的活性及其功能的研究還是瓶頸技術(shù)。

(3)精度和效率都有待進(jìn)一步的提高。3D 打印的精度受到設(shè)備能力、打印材料性能、打印工藝水平等多方面限制，目前國內(nèi)3D 打印還難以實(shí)現(xiàn)高精度零部件直接成型，仍需要后期其他加工工藝的補(bǔ)充與配合，進(jìn)一步提高精度和效率尤為關(guān)鍵。

(4)多種不同特性和不同功能材料的復(fù)合打印技術(shù)有待突破，特別是在骨科器械領(lǐng)域需求尤為明顯，例如金屬與陶瓷的復(fù)合打印、金屬或陶瓷與高分子材料的復(fù)合打印，軟硬組織的復(fù)合打印，不同功能的活性組織在細(xì)胞級(jí)別的打印等。

(5)成本投入高。3D 打印設(shè)備價(jià)格昂貴，打印材料來源單一、工藝技術(shù)引進(jìn)難度大、效率和精度較低，日常維護(hù)費(fèi)用高等多因素都導(dǎo)致了現(xiàn)階段的高投入和低產(chǎn)出，形成產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展和得到項(xiàng)目的專項(xiàng)扶持迫在眉睫。

但隨著3D 打印技術(shù)所支持材質(zhì)的增多，打印質(zhì)量的精細(xì)化，其應(yīng)用水平亦將得到進(jìn)一步提高，一定會(huì)有更加廣闊的天地。