【周末讲坛】当3D打印遇到医学
试想一下，你身上的某个器官或者组织出现了状况，你正担心能否找到稀缺的捐献器官。这时候，医院用3D生物打印机打印出一个全新的器官移植到你体内，就像换掉一个机器上的老旧零件一样简单……3D 生物打印时代距离我们越来越近。
本期周末讲坛邀请北京大学第三医院骨科主任刘忠军和第四军医大学西京医院心外科医生顾春虎和韩跃虎一起为大家揭开3D打印和4D打印的神秘面纱。
3D打印能否打印未来
在世界范围内，尤其在发达国家和地区，3D 打印技术在医学领域的应用受到高度关注，相关骨科内植物的开发和应用更是异军突起。在我国也不例外，新制定的国家科技发展规划中，已经把包括骨科在内的3D打印内植物研发列为重点专项。根据目前科技规划所设定的方向和近年来3D打印内植物的相关研究动态，未来3D 打印骨科内植物的研究和发展重点可能会涉及以下几个方面：
一、更多种类能发挥3D 打印技术优势的新型内植物的开发与应用。
目前已经研发成熟并成为上市产品的几种3D 打印内植物，如髋关节臼杯、椎间融合器及人工椎体等在临床实践中得到检验并被普遍认可，在此基础上，更多用于关节和脊柱外科的内植物正在研发过程中，已知在研的品种包括膝关节假体、关节修补垫块及自稳型人工椎体等，这些内植物在未来逐渐成熟上市，恐怕已经成为一种难以阻挡的趋势。但应当清醒意识到，3D打印内植物不可能仅凭“新”而大行其道，只有在功能和疗效上超越传统产品，才会被临床最终接受。
二、个体定制化3D打印骨科内植物的系统性研发。
3D打印技术快速一次成型的工艺特点非常适合个体定制化骨科内植物的制作，国内已经报道过的个别成功案例即可作为佐证。但如果要实现常规化个体定制骨科内植物的生产，则需要进行系统性的深入研究。一个定制化内植物的制作需要医生根据具体病例的治疗目的提出内植物设计方案，然后通过“医-工交互”使其头脑中的构图准确传递给工程师，工程师再根据医生的想法，并利用患者影像学检查数据（如CT 扫描数据）的转换，形成所需内植物的数字模型文件，以供输入设备进行打印。内植物打印成型后还需经过一系列检验和技术处理才能提供给手术应用。若要在有限时间内完成上述个体定制化3D 打印内植物制作的全过程，软件开发、流程优化、质量控制等都将是不可或缺的研究内容。
三、围绕3D 打印内植物微孔结构的进一步深入研究。
内植物的微孔设计是骨科3D 打印内植物最显著，也是最重要的特征之一。金属微孔可供骨组织长入的现象在金属3D 打印内植物问世之前就已经被观察到，故有人形象地称之为“金属骨小梁”。而3D打印技术的优势在于微孔设计的可控性非常强，几乎可以按照设计者的需要打印任何形状和大小的微孔，利用这一优势可进行优化，因为不同大小或形态的微孔可能会对骨长入的数量和速度产生影响。除此而外，如果对微孔表面进行一定处理，比如在其表面上覆盖磷酸钙或某些稀有金属，则会对骨长入的结果产生更大影响。还可以将3D打印内植物的微孔结构当成理想的载体空间，将药物或某些活性因子载入其中进行缓释，使其发挥特殊功能，由此实现将3D扩展为所谓“4D”的梦想。鉴于近几年围绕3D打印内植物金属微孔的研究已经取得一些引人关注的成果，我们应当高度重视相关探索并在此领域有更多的投入。
只听过打印 那你OUT了
3D打印是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。
如今，3D打印技术在医疗领域已取得惊人进展。借助3D打印技术高级定制的气管支架，第四军医大学第一附属医院心血管外科成功救治了一名肺动脉吊带支气管严重狭窄的婴幼儿患者。除此之外，3D打印技术在医疗卫生的各个领域都开始发挥重要作用。
3D打印还有很长的路要走
3D打印技术可以改进传统医学技术上的缺陷，带来新的治疗方法，降低手术的复杂度以及成本。例如膝关节置换，如果切割面与植入物假体不能吻合就会导致手术失败，而3D打印的植入物是根据病患的具体情况定制后制作出来的，并且医生可以在电脑上进行手术的模拟及手术的整个过程安排，较大程度降低了手术的风险。此外，通过3D打印技术，可以用不同的材料定制出不同物理特性的植入物。例如可以使用钛合金材料打造出金属空隙状的人工假体，人体骨细胞可以在其中生长，这样更符合生物力学结构的功能重建。这也是3D打印技术的优势，是其他技术手段或材料无法比拟的。
目前3D打印在骨科植入物方面一般使用钛合金、钴铬钼合金、生物陶瓷和高分子聚合物等材料。这些材料的理化性质各不相同，但是其共同的缺点是不能很好解决与机体组织的生物相容性问题。目前3D打印研究的热点和方向之一就是3D生物打印技术，它利用干细胞为材料，按3D成型技术进行制造，一旦细胞正确着位，便可以生长成器官，这对于心血管组织的修复和再造，以及其他很多器官的治疗都有革命性的意义。除此之外，还可以将细胞和材料混合之后，利用3D打印技术制作出相应的假体，尽可能地满足治疗的需要。
4D打印技术应用前景广阔
很多人只听过3D打印技术，对4D打印技术知之甚少。该技术创造出一种被打印出来之后发生改变的物体，而且它们能够随着时间或者其他条件的改变进行自我调整。
目前普遍认为，4D打印=3D打印+时间。所谓的4D打印，比3D打印多了一个“D”，也就是时间纬度，人们可以通过软件设定模型和时间，变形材料会在设定的时间内变形为所需的形状。
与3D打印的预先建模、扫描，然后使用物料成形不同，4D打印直接将设计内置到物料当中，简化了从设计理念到实物的造物过程。让物体如机器般“自动”创造，不需要连接任何复杂的机电设备。例如，你想打印一把椅子，就可以将塑料分子材料在3D打印机里放好，然后打印成成品，但是4D技术不是这样的。4D打印机里的材料知道自己是一把椅子，但自我组装并不是凭空出现的，每一个小分子之间到底怎么弯曲、折叠或伸展成我们需要的物体形态，需要事先进行相应的模型设计，椅子材料最终可能会在水或者温度等条件下把自己做成椅子。这一技术相对于普通的3D打印来说，应用范围和方式大大地扩展，在应用过程中更加智能和灵活。
第四军医大学西京医院心外科 顾春虎、韩跃虎
(责任编辑：admin)
3D打印市场规模不断扩大，
工信部：去年全球3D打印产
2020年，全球3D打印产业规
工业级3D打印设备占主流，
3D打印，制造业的未来
三年后市场规模可达56亿，
