3D打印技術(shù)在醫(yī)學領(lǐng)域的應(yīng)用

132013北華大學(吉林省吉林市)

1993年，美國麻省理工學院的Scans EM和Cima MJ等人對3D打印技術(shù)申請了專利，真正確立了3D打印技術(shù)[1]。經(jīng)過近30年的發(fā)展，3D打印技術(shù)迅速發(fā)展，在消費電子、航空以及汽車制造等行業(yè)，3D打印技術(shù)能夠以較低的成本和較高的效率完成復(fù)雜而精細的造型。近幾年3D打印在醫(yī)學領(lǐng)域得到了越來越多的關(guān)注[2，3]，例如醫(yī)療模型、康復(fù)輔具、假肢等[4，5]。

3D打印技術(shù)的原理和概念

3D打印技術(shù)的概念：3D打印技術(shù)不同于傳統(tǒng)的加工工藝，是以數(shù)字化、智能化制造與材料科學相結(jié)合為核心的一種快速型技術(shù)，是一種與傳統(tǒng)的材料去除加工方法相反并基于三維數(shù)字模型的技術(shù)。3D打印主要是通過計算機的控制，采用分層加工和層層疊加的方式來制造產(chǎn)品，是一種一次打印成型的技術(shù)。

3D打印技術(shù)的原理：3D打印技術(shù)首先要設(shè)計和構(gòu)思需要產(chǎn)品的三維圖紙，并制作出所對應(yīng)的三維數(shù)據(jù)模型，隨后將這些轉(zhuǎn)換為3D打印機可以識別的數(shù)據(jù)，再導(dǎo)入到準用的打印機之中，之后通過粉末狀的金屬或者塑料等一些可黏合材料作為原料，通過反復(fù)交替、疊加成型的方式將產(chǎn)品準確地一次打印成型。

3D打印面對傳統(tǒng)加工工藝的優(yōu)勢和劣勢

3D打印的優(yōu)勢：3D打印所使用的原料和傳統(tǒng)的加工工藝不同，使用的是粉末狀的金屬和塑料等一些可黏合材料作為原料，所以在生產(chǎn)中不會產(chǎn)生廢棄的邊角材料，很大程度上節(jié)省了原材料。3D打印幾乎可以制作出所有可以在計算機中設(shè)計出來的產(chǎn)品，所以在制作的類型和種類上，大大超越了傳統(tǒng)的加工工藝。3D打印在制作產(chǎn)品的精細程度和制作速度上也遠遠超過傳統(tǒng)的加工工藝，3D打印技術(shù)只要計算機中有需要制作產(chǎn)品的設(shè)計圖，就可以通過專業(yè)的打印機數(shù)小時內(nèi)將產(chǎn)品制作出來，而且精細程度也比傳統(tǒng)的加工工藝要高上不少。

3D打印的劣勢：雖然3D打印技術(shù)制作的大多數(shù)產(chǎn)品的精細程度都比傳統(tǒng)的加工工藝要高，但是由于3D打印技術(shù)對產(chǎn)品的制作原材料有很大的局限性，所以有一些需要用特殊材料制作的產(chǎn)品無法通過3D打印技術(shù)制作出來。雖然理論上計算機上能設(shè)計出來的物品3D打印技術(shù)都能打印出來，但是一些如軍事、航空、汽車等需要的大型的零部件以現(xiàn)在的3D打印技術(shù)還不能夠完成制作。所以面對傳統(tǒng)的加工工藝，3D打印技術(shù)制作產(chǎn)品的范圍可以說是最大的短板。

3D打印技術(shù)在醫(yī)學領(lǐng)域的應(yīng)用

3D打印技術(shù)在醫(yī)學模型方面的應(yīng)用：隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展和逐漸完善，醫(yī)學領(lǐng)域也開始引進這種技術(shù)，尤其是醫(yī)學模型的制造。醫(yī)學模型在醫(yī)學領(lǐng)域中的醫(yī)生教學和臨床試驗等方面的使用量大、用途廣泛，是醫(yī)學領(lǐng)域中相當重要的醫(yī)學用具。醫(yī)學模型復(fù)雜多樣，不同的年齡、性別等特征都會使得其的醫(yī)學模型不同，使用傳統(tǒng)加工工藝方法制造的醫(yī)學模型原料多為石膏等材料，很容易在臨床試驗和日常的醫(yī)學活動中受到損壞。而使用了3D打印技術(shù)制造醫(yī)學模型和模具，使用的是塑料和粉末狀金屬等可黏性材料，會很大程度上提升醫(yī)學模型的質(zhì)量和抗損壞程度，還會加快模型模具制造的速度，提高制造出的醫(yī)學模型精細程度，還可以滿足在臨床試驗教學中的個性化需求，增強醫(yī)護人員的應(yīng)變能力，來應(yīng)對不同特征和情況的患者。3D打印技術(shù)在醫(yī)學模型制造方面的應(yīng)用會對醫(yī)護人員和患者帶來許多便利。

3D打印技術(shù)在個性化醫(yī)療器材中的應(yīng)用：由于自身數(shù)字化的優(yōu)勢，3D打印技術(shù)可以滿足醫(yī)療器材對于個性化的需求，現(xiàn)在3D打印技術(shù)在義齒、義眼、假肢、支架、骨科植入物等方面都有應(yīng)用。以義齒為例，目前我國大眾絕大部分人都有著不同程度和級別的牙齒問題，安裝義齒和拔除廢棄牙齒等一些操作雖然看似簡單，但一個高水準的牙醫(yī)每次在做這些事情時也不能說毫無壓力，何況我國目前的高水平牙醫(yī)數(shù)量也并不多。使用3D打印技術(shù)制作手術(shù)導(dǎo)板，牙醫(yī)在操作時利用手術(shù)導(dǎo)板，牙醫(yī)可以很輕松地將義齒植入和將廢齒拔除，而不像以前一樣全憑自身的經(jīng)驗和手法。3D打印技術(shù)還可以應(yīng)用到制造義齒上，3D打印技術(shù)可以制造出更適合每一名患者的義齒。3D打印技術(shù)在義齒和牙醫(yī)手術(shù)導(dǎo)板上的應(yīng)用一定程度上減少了成為高水平牙醫(yī)的難度，減輕患者在接受治療時所受的痛苦。3D打印技術(shù)在個性化醫(yī)療器械中的應(yīng)用會很大程度上減輕醫(yī)護人員的壓力和工作量，也為患者帶來了很大的便利。

3D打印技術(shù)在組織工程學上的應(yīng)用：3D生物打印是在組織工程中是3D打印技術(shù)研究的前沿領(lǐng)域，是極具意義和價值的一項技術(shù)，可以完成人造器官的制造，代替人體組織器官，從而緩解目前我國人體組織器官匱乏的問題。雖然我國的3D生物打印技術(shù)發(fā)展得較晚，有很多的難題需要解決和研究，但是發(fā)展勢頭很迅猛，已經(jīng)很接近國際的最高水平?，F(xiàn)在國際上已經(jīng)開始研究3D生物打印來制造人造皮膚、人造血管等人體組織器官，這也表明3D打印技術(shù)成功制造出可以完美植入人類身體的人造器官的未來不再遙遠。3D打印在目前組織工程學中應(yīng)用最好的是打印組織工程支架，現(xiàn)在3D打印支架已經(jīng)獲得很好的效果，以前使用傳統(tǒng)的方式很容易導(dǎo)致制造出的支架的結(jié)構(gòu)的孔徑不適合、細胞體積不匹配等問題，3D打印技術(shù)制造出的支架由于細胞黏附性、組織擴展性都很強，能很好地解決了上述的問題。

3D打印技術(shù)在藥物的測試和研發(fā)中的應(yīng)用：現(xiàn)在醫(yī)藥行業(yè)的藥物測試大多都是通過對動物進行實驗來完成，這樣對藥物進行測試并不嚴謹，動物的很多細胞結(jié)構(gòu)和身體接受能力也和人類有很多區(qū)別，使得對藥物的很多特性得不到充分了解。而通過3D打印制造出仿人類器官，可以模擬出藥物在真實人體中的反應(yīng)，從而對藥物進行更充分的了解，做出相應(yīng)的改變，也可以很大程度上減少藥物研制方面的花銷，將經(jīng)費用到有利于新藥研制創(chuàng)新的過程中。