vic115维多利亚  胡海龙

3D制造早期被称作快速成型，现在学术界又称之为增材制造，是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式，将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积粘结，最终叠加成型，制造出实体产品，打印出的产品可以即时使用。3D制造优点主要有：无需开磨具；能在数小时内成形，可确保新产品上市时间；具有很强的制造复杂零件能力，从而大大降低组装成本。作为第三次工业革命的重要标志之一，未来，它甚至可以挑战大规模生产方式。

1.3D制造技术简介

很多技术能用于3D制造，它们之间最主要的区别在于层叠如何形成实体。自从上世纪80年代中期SLA成型技术发展以来到90年代后期，出现了十几种不同的快速成型技术。其中，SLA、SLS、3DP和FDM四种技术目前仍然是3D制造技术的主流。除前述几种外，典型的还有 LOM、DLP、SDM、SGC等。

光固化快速成型，即：Stereo Lithography Apparatus (SLA)，是1984年由Charles W．Hull发明的一种“光固化成型”系统，以光固化树脂单体为原料，采用紫外光辐射快速固化进行成型，这是快速成型制造技术发展的一个里程碑。其优点是：直接能得到实物件，精度高、糙度较小；其缺点是：树脂固化过程中物理尺寸会发生蠕变，需事先设计支撑，固化后再去除。

选择性激光烧结(Selective Laser Sintering，SLS)系1986由C．Deckard提出了，并于1992年开发成功了第一台商业样机。选择性烧结是利用高能激光烧结粉末材料成形的快速成形技术。激光器发出的光束在程序控制下，根据各层制造文件对粉末材料进行扫描烧结固化，直至制成所需样件。其优点是：可直接得到塑料、陶瓷或金属件，无需设计支撑，造型精度高(每层最小厚度可达0.07mm)；其缺点是：表面粗糙度高，得到的材质工件需进行后处理。

熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling，FDM)工艺系1988年由Scott Crump提出，并于1992年开发成功了样机。熔丝沉积成型工艺是将丝状热塑性材料加热熔化，然后挤出成形。其优点是：成型直接，材料利用率高；其缺点是：表面粗糙度高，需要设置支撑。

三维喷墨打印(Three Dimensional Printing，3DP)系由E.Sachs等人1992年提出，是根据喷墨打印机原理，从喷嘴喷射出材料微滴，按一定路径逐层固化成型。在快速建模，医学模型制造、生物制药等领域，其显示出强大的发展潜力。3D喷墨打印成型技术具有如下优点：成型速度快(是其他工艺的6倍以上)，设备操作简单、适合办公室环境，可实现彩色、多相实体结构成型；其缺点是：需要专门研发用于喷射的流体(墨水)。

2.3D制造技术在医疗领域的应用

生物医学领域对3D打印是有极大需求的，体现在以下方面：首先是个性化制造，每个个体的特点是不一样的，比如假肢等个性化零部件，对于传统的批量生产方式不太好实现。再者，复杂结构的制造，比如一个组织工程支架材料里的分级多孔结构，这种结构要求大小不一的孔洞贯通，并不是很容易实现，而3D制造技术就能很好地解决这个问题。还有一种情况———非均质梯度材料的制造，比如说要修复一个组织或一个骨骼，皮质骨和松质骨不一样，软骨和硬骨要求的孔隙度和材料成分也不一样，其他的成型方式很难实现这些特殊需求，而堆积成型的工艺提供了解决方法。

此外，复杂的管网结构（人体内组织，有非常丰富的毛细血管）用一般的制造方式（包括成孔的方式）都无法实现，而3D制造技术可以做到。总而言之,生物医学对快速成型，或者是基于离散堆积原理的成型方式提出了一些需求,这也是3D制造技术能够发挥作用的地方。

根据制造出的材料（部件、组织等）涉及到的生物学性能的不同，分成了四个层次：第一个层次,材料没有生物相容性，不用放在身体里，没有特殊的生物学需求；第二个层次，材料有很好的生物相容性，可以放在体内，但它不降解；第三个层次，生物相容性非常好，同时还可以降解，被身体消化排出体外，作用是帮助组织再生；第四个层次，材料完全是有生命的、活性的。

第一个层次，利用3D打印复杂形状成型的特点，来制造一些个性化的结构。

这种材料是没有生物相容性的，所以做的零件不适合放在身体里,它只能放在体外。实际上在手术规划和诊断的过程里，这样的材料对我们帮助非常大，如手术的导板、支架等。举一个很简单例子,通过病人的CT数据，我们在体外构建病人的骨路模型，这种模型对医生勾画手术有很大的帮助，同时，对病人今后可能采用的治疗方案（包括假肢治疗方案），这就体现了3D打印对假肢的设计和制造的作用。现有假肢的制造过程是非常粗糙的，往往是手术以后，再去确定假肢支撑的位置，导致手术时间也很长，并且与截肢部位的贴合也不是非常紧密。将3D制造技术应用在假肢的设计和制造过程，就可以完全依靠实物的模型去设定个假肢，确定它装订的位置，对病人来说更有保障。

此外，3D制造技术在模拟外科手术方面也有广泛应用。西班牙外科医生难以对一位小男孩的肿瘤做手术感到很挫败，在3D打印的肿瘤上进行模拟手术，帮助外科医生们成功切除了西班牙五岁男孩身上棘手的肿瘤。2013年4月，日本一家医院的医生先用3D打印机制造了一个患者肝脏的三维复制品，这个模型帮助医生计算出如何切割肝脏，并成功的进行了肝脏移植手术。

第二个层次，生物相容性比较好，但是它是不降解的。

比如在小耳畸形修复方面的应用，传统的治疗是等病人长到6、7岁，将其软骨取出体外，雕成一个耳朵的样子，再植入到皮下去。利用病人的CT数据，把他健康一侧的耳朵模型重构出阿里，利用均安质材料，按照模型将材料堆积成耳朵的形状。耳朵的弹性和软硬的程度也可以调整，这样的新耳朵可以非常匹配于人体。

在骨骼、关节的修复方面也有很大优势。比如人体的颈椎骨，没有正常的几何形状，如果医生将患者这里的骨肿瘤切除，为了支撑和固定，他总要用一个内植物来填充。传统的处理方法是，在切除骨骼的部位放入一个钛网，然后从患者身体其他部位取出部分骨头填充进去，再用钢板和钢钉固定住，然后让它慢慢生长。这种填充方法并不是非常理想，植入骨骼与周边骨骼融合的时间会很长，而且在生长的过程中容易出现金属塌陷等问题。有了3D打印技术，医生可以直接生产出同一形状、体积的内植物，填充到缺损部位里面，上下用螺钉固定，非常牢固，这一点是以往工艺不可能做到的。而且，打印骨骼表面布满孔隙，它们像海绵一样可以将周边的骨头吸引进来，使真骨与假骨之间结成牢固的一体，患者骨骼能尽快康复。

此外，3D制造技术也可广泛应用在气管支架、心脏搭桥、仿生器官、人工血管以及牙科整形等领域。

第三个层次，材料具有很好的生物相容性和生物降解性。

我们知道，医学组织工程有三要素：细胞、支架和生长信息。细胞生长专用的载体框架结构，需要是与生命体相容、能够参与生命体代谢，在一定时间内逐渐降解的专用材料。传统组织工程中支架的局限性主要有：(1)人体组织和器官由多种细胞和细胞外基质构成,很难把这些成份同时植入固体支架中。(2)受支架技术的空间分辨率的限制，细胞渗透到支架材料内部的速度较慢（需分级多孔结构）。(3)细胞尺寸在几微米到几十微米的范围内，调控细胞分布的分辨率需控制在10μm以下，而采用传统组织工程技术难以实现如此小的分辨率。(4)难以在三维支架结构中精确沉积不同种类的细胞和细胞外基质。利用3D制造技术制作的组织工程的支架结构，可同时实现大孔和微孔结构：大孔的孔径可在300-500μm之间，有利于细胞长入和准确再生；微孔孔径很小，能使材料里面营养通道更多。大孔和微孔的孔隙率可以达到80%和90%，且支架的强度很高。

利用3D制造技术，我们还可以对支架里的不同结构、不同材料以及不同配比进行调控和组合。比如在软骨和骨头的修复上，软骨和硬骨是两个不同的环境，软硬骨之间必须要用不同的材料隔开来。两者之间的构筑带，只有3D制造的堆积方式最容易实现。

第四个层次，直接就把活的细胞进行堆积和成型。

组织和器官的缺损，功能障碍，是人类健康的主要危害之一。采用移植别人的器官，只要不被排斥就可以活下来，但是最大的问题是没有那么多人捐献器官，比如说在中国每年约有150万患者需要移植，其中只有1万人可以等到器官，很多人死在等的过程中。采用生物3D打印技术直接打印器官来，具有巨大的应用前景。活细胞3D打印即把活细胞和组织材料混合在一起，做成所谓的“生物墨水”，通过生物3D打印机直接打印出组织或器官，材料可以降解，之后就生成了活的组织或器官，完全是一个活体打印。活细胞3D打印必须解决几个关键的问题。第一，打印对细胞的影响。首先打印出来的细胞必须是活的，而且能存活一段时间；其次打印过程中产生的压力、压差对细胞的分化是有影响的。第二是结构的稳定性。一个组织或器官打印出来，至少能维持到两周以上才有可能细胞分泌出来的蛋白把以前的蛋白替代掉，结构才能够保证下来。第三个就是细胞的诱导和调控。细胞3D打印涉及设备、材料和对细胞调控的系统化技术，是一个非常系统的工程。

2013年，英国爱丁堡的研究人员使用3D打印出了世界上第一个人类胚胎干细胞。同年，美国一家生物技术公司用3D打印机制造出功能正常的肝脏组织，并存活了长达40天之久。外媒预测，3D打印心脏也将在未来10年之内投入临床测试，未来十年人工器官和功能组织的替代产品将达到50%，人造器官潜在的市场达到4000亿美元。然而，3D打印或者是人工制造的器官要真正植入人体，需要经过很多的实验、研究，确保完全无误以后才能应用它。据专家估计，3D打印器官真正应用到人体，至少还需要10到15年的时间。

总而言之，3D制造技术在生物医学领域有广阔应用前景。有的技术已经成熟应用，有的还在试验或者研发阶段。生物3D打印设计人员，既要对医学非常了解，同时对工程3D打印也要非常清楚，这方面人才目前十分紧缺，需要高校和科研院所与医院紧密合作，共同培养，并不断取得生物3D打印的临床验证。随着技术的发展，相信不久的将来，3D打印技术将给医疗领域带来更多惊喜。