深剖：如何將3D打印技術開疆拓土到醫(yī)學新領域

"3D打印"近幾年這項新技術非�；馃�，小到模型玩具，大到汽車、飛機零件，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，3D打印技術也是當前醫(yī)學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在醫(yī)學界應用的起點，也是發(fā)展最快的應用。究竟3D打印技術將如何改變當前醫(yī)療的基本規(guī)則與觀念？其中是否暗存著隱憂？ 3D打印的治療費用，病患者又是否負擔得起呢？

3D打印的基礎

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)傷學進修培訓中心，那里有一個小小的“3D打印工場”。2013年，香港中文大學矯形外科及創(chuàng)傷學系斥資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。

香港中文大學矯形外科及創(chuàng)傷學系講座教授梁國穗說，其實早在20世紀80年代，他便在香港生產力促進局參觀過一些工業(yè)用的3D打印儀器。只不過在當時，這項技術還被稱為“快速成型”，主要用途也只是制作手機或設計珠寶。

如今的3D打印仍是一項非常年輕的科技，在醫(yī)學領域更是如此。目前，這個數碼年代的產物在醫(yī)學上的應用主要分為兩類：“打印”人體部分和“打印”手術工具。我們不妨先來談談前者。醫(yī)療用途有別于產品設計，而人體結構又相當精密，所以必須先要有人體掃描“數據”方能實現(xiàn)“打印”——換言之，先有3D掃描才有3D打印。

因此，電腦掃描技術的發(fā)展成了目前3D打印應用于醫(yī)療領域的基礎，并拓寬了相關用途，這也很自然地讓打印骨骼成為了技術起點。梁國穗解釋道：“骨骼結構很適合做電腦掃描，因為它含有大量鈣質，這能讓掃描出來的影像格外清晰�！�

幫助完成手術

作為3D打印在醫(yī)學領域的敲門磚，打印骨骼模型的主要應用在為復雜的手術作盡可能詳實的計劃準備。

以切除骨癌手術為例，常見手術部位是大腿骨末端（近膝關節(jié)）。由于牽涉關節(jié)，手術后需要重建，因此位置必須相當準確。而3D斷骨模型則可幫助醫(yī)生仔細分析患者情況，精確定位手術的切口位置，甚至包括骨折復位、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習手術，測試打入螺絲的位置與角度，度身訂制鋼板，比如預先塑造貼合骨骼的弧度等。如此，手術進行時便可精準、貼合地放入預定位置。

香港中文大學矯形外科及創(chuàng)傷學系曾用3D骨骼模型為8位病人做過術前預備，其中不乏多個相當嚴重的骨折個案，以及手肘、盆骨、腿部和足踝部位的手術。以往醫(yī)生在看過病人的電腦圖像后，通常只能憑經驗和想像預估手術的方法與過程，但最終是否切實可行，還是要在手術中才能知道，也就是行內所說的“open and see”。而3D掃描和打印技術的出現(xiàn)，幫助醫(yī)生高效準確地完成了術前計劃和準備，大大縮短了手術時間，提高了成功率。梁國穗指出，他們在治療那8位病人時，手術時間平均縮短了1小時左右，有利于術后康復。

實現(xiàn)個人化醫(yī)療

除了打印人體模型外，3D打印在醫(yī)學上的另一個應用便是打印手術工具。

例如醫(yī)生把鋼釘打入骨骼前，需要在骨骼外加置一個“瞄準器”，以協(xié)助他們將鋼釘以特定角度打入骨內。制作類似“瞄準器”這種專為某個特定病人實施手術而設計的，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“瞄準器”的物料成本只需100多元人民幣。

實現(xiàn)個人化定制是當前先進醫(yī)學領域的主要目標之一。以更換人工關節(jié)手術為例，現(xiàn)時的人工關節(jié)各種尺寸都是生產商確定的，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，替換的人工關節(jié)卻是越契合越好，因此盡快實現(xiàn)“私人訂制”非常有必要。


當然，由于受到打印的“墨水”——物料的限制，要為每位病人度身設計人工關節(jié)，在現(xiàn)階段還非常困難。


“墨水”的選擇

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

雖然目前已有一些3D打印技術的研究人員，嘗試以鐳射打印技術，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，仍需進一步研究才可以作為植入人體的假體。

至于打印手術輔助工具，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)學家的最大憂慮。例如前文提及的“瞄準器”，在手術時會直接接觸病人的皮肉，若它含有某些毒素，便會非常危險。

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℃）。樹脂曾經也是備選項之一，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)療負擔

以長遠發(fā)展眼光來看，我們的確可以實現(xiàn)為每一宗手術都印制獨立輔助工具的夢想。而以往由生產商大規(guī)模生產醫(yī)療器械的運作模式，或將面臨重大轉變。梁國穗相信，以3D打印制造“個性化手術工具”絕對是未來發(fā)展的大方向，而且他預估至少可以減少80%由大型生產商制造的相關產品，由此節(jié)省成本，減少患者醫(yī)療負擔。

相信這對于所有病患來說，都是一大福音。而行業(yè)生產商雖然會因日趨成熟的3D打印技術受到沖擊，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壞消息。

多領域的成功先例

有關3D打印的醫(yī)學應用，科學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)學研究所，便成功地以活細胞作為“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胞，并在實驗室內以人體溫度進行培植，大約6～8周后便可供移植。

美國另一家研發(fā)活細胞3D打印的公司Organovo，則嘗試結合干細胞技術，將多個活細胞制成直徑只有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小時后待支架穩(wěn)定，便把凝膠清除。最后把管狀實體及活細胞放在特制的培養(yǎng)箱數周，3D打印血管便會成形。

香港大學醫(yī)學院與工程學院合作進行的3D打印研發(fā)項目，選擇的突破點也著眼于活細胞打印，他們希望可以直接打印出能夠置入人體的軟組織，并應用于骨骼、關節(jié)、韌帶和神經等的修復治療。研究人員正在設計的一款以活細胞為“墨水”的3D打印機，造價可能高達600萬元人民幣。

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

第三次工業(yè)革命？

幾年前，《經濟學人》曾以“第三次工業(yè)革命”盛贊了3D打印這項新興技術，將3D打印提到了一個前所未有的高度，但許多專業(yè)人士對這個說法嗤之以鼻。

在郭臺銘看來，3D打印制造的手機根本就只能看不能用，因為在這些制成品上不能加電子元器件，無法為電子產品量產。即使不說電子產品，受到材料的限制，3D打印可以生產的其他產品也很少。

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，似乎醫(yī)療領域恰恰就是這樣的一個絕佳天地。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。從當前的情況來看，雖然3D打印技術還無法應用于規(guī)�；�生產，但只要突破了材料的限制，未來該技術的應用范圍將會越來越廣，在醫(yī)療領域，它將給我們更多期待。

附：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2D平面圖，3D打印機通過分層加工、疊加成形的工序，將2D平面逐層堆疊，“印”成3D實體。
3D打印骨骼一般分為以下幾步。

1.設計：取得電腦掃描圖像，經影像分析軟件（如Mimics），把影像作3D重組處理后，醫(yī)生與生物醫(yī)學工程師一同商議治療方案及所需打印部位。
2.入機：影像經過處理后，會送往3D打印機打印。工程師會預先計算好最省時省料的模型擺放位置。
3.打�。翰捎萌廴诔练e成型（FDM）技術，即將塑膠材料經高溫熔解，以液態(tài)噴出，隨即變?yōu)楣腆w。3D打印機均為雙噴嘴設計，左邊噴出打印實體（如骨骼）的物料，右邊則為支撐物料，用以支撐3D實體的“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，此法可確保實體表面不受損壞。



轉自 外星探索