開疆拓土3D打印闖進(jìn)醫(yī)學(xué)新領(lǐng)域

雷輝志

要問近幾年最熱門的科技詞匯，“3D打印”應(yīng)當(dāng)是眾人首選。小到模型玩具，大到汽車、飛機(jī)零件，好像只要提供足夠的材料，幾乎所有的東西都能被“打印”出來。

其實(shí)，3D打印技術(shù)也是當(dāng)前醫(yī)學(xué)界密切注視的新科技，除了可用于打印治療工具外，“打印人體”也早已不再是科幻電影中的橋段。其中，打印骨骼既是目前該技術(shù)在醫(yī)學(xué)界應(yīng)用的起點(diǎn)，也是發(fā)展最快的應(yīng)用。

究竟3D打印技術(shù)將如何改變當(dāng)前醫(yī)療的基本規(guī)則與觀念？其中是否暗存著隱憂？ 3D打印的治療費(fèi)用，病患者又是否負(fù)擔(dān)得起呢？

3D打印的基礎(chǔ)

在香港威爾斯親王醫(yī)院的骨科門診部，每天病人熙來攘往，但他們可能從未注意到門診部旁邊的矯形外科及創(chuàng)傷學(xué)進(jìn)修培訓(xùn)中心，那里有一個(gè)小小的“3D打印工場”。2013年，香港中文大學(xué)矯形外科及創(chuàng)傷學(xué)系斥資85萬元人民幣，從美國購入了一部3D打印儀器并安置于此。此后，骨科醫(yī)生便陸陸續(xù)續(xù)開始研究和利用3D打印來協(xié)助醫(yī)治，“印骨”的工作排期表也開始越來越長。

香港中文大學(xué)矯形外科及創(chuàng)傷學(xué)系講座教授梁國穗說，其實(shí)早在20世紀(jì)80年代，他便在香港生產(chǎn)力促進(jìn)局參觀過一些工業(yè)用的3D打印儀器。只不過在當(dāng)時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)還被稱為“快速成型”，主要用途也只是制作手機(jī)或設(shè)計(jì)珠寶。

如今的3D打印仍是一項(xiàng)非常年輕的科技，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域更是如此。目前，這個(gè)數(shù)碼年代的產(chǎn)物在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用主要分為兩類：“打印”人體部分和“打印”手術(shù)工具。我們不妨先來談?wù)勄罢?。醫(yī)療用途有別于產(chǎn)品設(shè)計(jì)，而人體結(jié)構(gòu)又相當(dāng)精密，所以必須先要有人體掃描“數(shù)據(jù)”方能實(shí)現(xiàn)“打印”——換言之，先有3D掃描才有3D打印。

因此，電腦掃描技術(shù)的發(fā)展成了目前3D打印應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域的基礎(chǔ)，并拓寬了相關(guān)用途，這也很自然地讓打印骨骼成為了技術(shù)起點(diǎn)。梁國穗解釋道：“骨骼結(jié)構(gòu)很適合做電腦掃描，因?yàn)樗写罅库}質(zhì)，這能讓掃描出來的影像格外清晰?！?/p>

幫助完成手術(shù)

作為3D打印在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的敲門磚，打印骨骼模型的主要應(yīng)用在為復(fù)雜的手術(shù)作盡可能詳實(shí)的計(jì)劃準(zhǔn)備。

以切除骨癌手術(shù)為例，常見手術(shù)部位是大腿骨末端（近膝關(guān)節(jié)）。由于牽涉關(guān)節(jié)，手術(shù)后需要重建，因此位置必須相當(dāng)準(zhǔn)確。而3D斷骨模型則可幫助醫(yī)生仔細(xì)分析患者情況，精確定位手術(shù)的切口位置，甚至包括骨折復(fù)位、確定切骨范圍，以及如何固定或重建斷骨等。

若病患還需使用螺絲或鋼板來固定骨骼，醫(yī)生還可利用斷骨模型預(yù)習(xí)手術(shù)，測試打入螺絲的位置與角度，度身訂制鋼板，比如預(yù)先塑造貼合骨骼的弧度等。如此，手術(shù)進(jìn)行時(shí)便可精準(zhǔn)、貼合地放入預(yù)定位置。

香港中文大學(xué)矯形外科及創(chuàng)傷學(xué)系曾用3D骨骼模型為8位病人做過術(shù)前預(yù)備，其中不乏多個(gè)相當(dāng)嚴(yán)重的骨折個(gè)案，以及手肘、盆骨、腿部和足踝部位的手術(shù)。以往醫(yī)生在看過病人的電腦圖像后，通常只能憑經(jīng)驗(yàn)和想像預(yù)估手術(shù)的方法與過程，但最終是否切實(shí)可行，還是要在手術(shù)中才能知道，也就是行內(nèi)所說的“open and see”。而3D掃描和打印技術(shù)的出現(xiàn)，幫助醫(yī)生高效準(zhǔn)確地完成了術(shù)前計(jì)劃和準(zhǔn)備，大大縮短了手術(shù)時(shí)間，提高了成功率。梁國穗指出，他們在治療那8位病人時(shí)，手術(shù)時(shí)間平均縮短了1小時(shí)左右，有利于術(shù)后康復(fù)。

實(shí)現(xiàn)個(gè)人化醫(yī)療

除了打印人體模型外，3D打印在醫(yī)學(xué)上的另一個(gè)應(yīng)用便是打印手術(shù)工具。

例如醫(yī)生把鋼釘打入骨骼前，需要在骨骼外加置一個(gè)“瞄準(zhǔn)器”，以協(xié)助他們將鋼釘以特定角度打入骨內(nèi)。制作類似“瞄準(zhǔn)器”這種專為某個(gè)特定病人實(shí)施手術(shù)而設(shè)計(jì)的，只用一次的“小工具”，在3D打印的輔助下，將會變得更容易。目前，印制一個(gè)“瞄準(zhǔn)器”的物料成本只需100多元人民幣。

實(shí)現(xiàn)個(gè)人化定制是當(dāng)前先進(jìn)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的主要目標(biāo)之一。以更換人工關(guān)節(jié)手術(shù)為例，現(xiàn)時(shí)的人工關(guān)節(jié)各種尺寸都是生產(chǎn)商確定的，病人像買鞋那樣，需要尋找最適合自己的尺碼。不過，鞋子的尺碼與腳只要大致匹配即可，替換的人工關(guān)節(jié)卻是越契合越好，因此盡快實(shí)現(xiàn)“私人訂制”非常有必要。

當(dāng)然，由于受到打印的“墨水”——物料的限制，要為每位病人度身設(shè)計(jì)人工關(guān)節(jié)，在現(xiàn)階段還非常困難。

“墨水”的選擇

當(dāng)前，可以直接植入人體的生物相融物料大都是金屬，例如制造人工關(guān)節(jié)的鈷鉻合金就是一種高強(qiáng)度的金屬物料。即使病人持續(xù)步行，人工關(guān)節(jié)的耐用度仍可達(dá)10～15年。

雖然目前已有一些3D打印技術(shù)的研究人員，嘗試以鐳射打印技術(shù)，讓金屬可以作為“墨水”，但專業(yè)人士指出，現(xiàn)階段的打印制成品剛性（即硬度）不足，仍需進(jìn)一步研究才可以作為植入人體的假體。

至于打印手術(shù)輔助工具，目前主要使用的“墨水”仍是一些特殊塑料。而對它們的消毒工作，則是醫(yī)學(xué)家的最大憂慮。例如前文提及的“瞄準(zhǔn)器”，在手術(shù)時(shí)會直接接觸病人的皮肉，若它含有某些毒素，便會非常危險(xiǎn)。

為了解決消毒問題，目前醫(yī)生主要會選用兩類耐熱度較高的生物相融塑料作為打印物料：PC-ISO（熱變形溫度為133℃）及ABSM30i（熱變形溫度為96℃）。樹脂曾經(jīng)也是備選項(xiàng)之一，但由于其耐熱度相對較低，未必能夠承受低溫消毒程序（約70℃），因此被排除在外。

減輕醫(yī)療負(fù)擔(dān)

以長遠(yuǎn)發(fā)展眼光來看，我們的確可以實(shí)現(xiàn)為每一宗手術(shù)都印制獨(dú)立輔助工具的夢想。而以往由生產(chǎn)商大規(guī)模生產(chǎn)醫(yī)療器械的運(yùn)作模式，或?qū)⒚媾R重大轉(zhuǎn)變。梁國穗相信，以3D打印制造“個(gè)性化手術(shù)工具”絕對是未來發(fā)展的大方向，而且他預(yù)估至少可以減少80%由大型生產(chǎn)商制造的相關(guān)產(chǎn)品，由此節(jié)省成本，減少患者醫(yī)療負(fù)擔(dān)。

相信這對于所有病患來說，都是一大福音。而行業(yè)生產(chǎn)商雖然會因日趨成熟的3D打印技術(shù)受到?jīng)_擊，但他們也可以減少研發(fā)成本。這對于所有人來說都不是一個(gè)壞消息。

多領(lǐng)域的成功先例

有關(guān)3D打印的醫(yī)學(xué)應(yīng)用，科學(xué)界的確有過不少想象，除了打印“硬件”——骨骼以外，還有別的可能性嗎？例如人體的軟組織，如肌肉、韌帶、神經(jīng)線、血管甚至氣管，是否都可以“打印”出來？

2015年，美國北卡羅來納州Wake Forest再生醫(yī)學(xué)研究所，便成功地以活細(xì)胞作為“墨水”打印出腎臟，并移植至7名病人身上。他們打印了一個(gè)可生物降解的腎臟形狀支架，然后涂上從患者腎臟取出的活細(xì)胞，并在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)以人體溫度進(jìn)行培植，大約6～8周后便可供移植。

美國另一家研發(fā)活細(xì)胞3D打印的公司Organovo，則嘗試結(jié)合干細(xì)胞技術(shù)，將多個(gè)活細(xì)胞制成直徑只有500微米的水滴，打印血管支架。而其里層與外層則打印凝膠以作支撐，6小時(shí)后待支架穩(wěn)定，便把凝膠清除。最后把管狀實(shí)體及活細(xì)胞放在特制的培養(yǎng)箱數(shù)周，3D打印血管便會成形。

香港大學(xué)醫(yī)學(xué)院與工程學(xué)院合作進(jìn)行的3D打印研發(fā)項(xiàng)目，選擇的突破點(diǎn)也著眼于活細(xì)胞打印，他們希望可以直接打印出能夠置入人體的軟組織，并應(yīng)用于骨骼、關(guān)節(jié)、韌帶和神經(jīng)等的修復(fù)治療。研究人員正在設(shè)計(jì)的一款以活細(xì)胞為“墨水”的3D打印機(jī)，造價(jià)可能高達(dá)600萬元人民幣。

2015年10月，世界首創(chuàng)的3D生物血管打印機(jī)在中國問世。這款打印機(jī)可在短短2分鐘內(nèi)能打印出10厘米長的血管，甚至包括血管中的中空結(jié)構(gòu)和多層不同種類的細(xì)胞。

第三次工業(yè)革命？

幾年前，《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》曾以“第三次工業(yè)革命”盛贊了3D打印這項(xiàng)新興技術(shù)，將3D打印提到了一個(gè)前所未有的高度，但許多專業(yè)人士對這個(gè)說法嗤之以鼻。

在郭臺銘看來，3D打印制造的手機(jī)根本就只能看不能用，因?yàn)樵谶@些制成品上不能加電子元器件，無法為電子產(chǎn)品量產(chǎn)。即使不說電子產(chǎn)品，受到材料的限制，3D打印可以生產(chǎn)的其他產(chǎn)品也很少。

如今，3D打印的確更適合一些小規(guī)模制造，尤其是高端的定制化生產(chǎn)，似乎醫(yī)療領(lǐng)域恰恰就是這樣的一個(gè)絕佳天地。僅在去年一年間，3D打印的肝臟模型、頭蓋骨、心臟和胸腔等便紛紛問世。從當(dāng)前的情況來看，雖然3D打印技術(shù)還無法應(yīng)用于規(guī)?；a(chǎn)，但只要突破了材料的限制，未來該技術(shù)的應(yīng)用范圍將會越來越廣，在醫(yī)療領(lǐng)域，它將給我們更多期待。

問，3D打印骨骼總共分幾步？

所謂“3D打印”，就是將3D圖檔分層為多個(gè)2D平面圖，3D打印機(jī)通過分層加工、疊加成形的工序，將2D平面逐層堆疊，“印”成3D實(shí)體。

3D打印骨骼一般分為以下幾步。

1.設(shè)計(jì)：取得電腦掃描圖像，經(jīng)影像分析軟件（如Mimics），把影像作3D重組處理后，醫(yī)生與生物醫(yī)學(xué)工程師一同商議治療方案及所需打印部位。

2.入機(jī)：影像經(jīng)過處理后，會送往3D打印機(jī)打印。工程師會預(yù)先計(jì)算好最省時(shí)省料的模型擺放位置。

3.打?。翰捎萌廴诔练e成型（FDM）技術(shù)，即將塑膠材料經(jīng)高溫熔解，以液態(tài)噴出，隨即變?yōu)楣腆w。3D打印機(jī)均為雙噴嘴設(shè)計(jì)，左邊噴出打印實(shí)體（如骨骼）的物料，右邊則為支撐物料，用以支撐3D實(shí)體的“凌空”部分。

4.清理：打印后要清除支撐物料，可待模型干透后直接清理，也可將制成品浸泡于特定溶液中，將支撐物料溶化，此法可確保實(shí)體表面不受損壞。