2017年3D列印技術的7大新進展

醫藥生物行業是目前3D列印技術擴張最為迅猛的行業。3D列印技術能夠為醫療生物行業提供更完整的個性化解決方案；生物3D列印技術將促進再生醫學領域在人造活體組織與器官的研究。在個性化解決方案方面，比較典型的應用有3D手術預規劃模型、手術導板、3D列印植入物，以及假肢、助聽器等康復醫療器械。在再生醫學領域，研究人員已經在利用生物3D列印技術培養人造器官方面取得了值得肯定的進展。本文主要觀察了2017年第一季度，醫用3D列印技術在如下7個領域的最新進展。

1手術規劃模型

對於風險高難度大的手術，術前規劃十分重要。傳統上，通過CT、核磁共振（MRI）等影像設備獲取患者的數據，是做醫生手術預規劃的基礎，但得到的醫學影像是二維的，之後還需要利用軟體將二維數據轉成逼真的三維數據。3D印表機可以將三維模型直接列印出來，既可輔助醫生進行精準的手術規劃、提升手術的成功率，又方便醫生與患者就手術方案進行直觀的溝通。此外，即使在治療失敗，3D列印也可以為醫患雙方提供可溯源的依據。

世界首例Mr混合現實技術輔助的乳房重建手術完成

2017年3月，湖南省腫瘤醫院醫生術中頭戴已經輸入患者三維影像信息的HoloLens眼鏡，術前3D血管數據個性化精確設計切取面積為22cm*14cm的股內側穿支皮瓣游離移植一期重建乳房，手術歷時6個小時就得以安全順利完成。

輔助腫瘤手術的3D列印肝臟模型普及有望，僅需不到150美元

3月初，波蘭克拉科夫一醫學團隊通過展示了肝臟內部腫瘤、內循環系統，以及對外科醫生或將面臨的種種問題予以參照。研究者以一名52歲的女病人的肝臟為樣本，先獲得其肝臟CT掃描，再使用PLA彩色材料的標準3D印表機，進行六個部件的列印。隨後搭建起「肝薄壁組織的支架（liverparenchymascaffold）」，再填充矽膠材料。完成後的模型即能清晰可見肝臟，包括形狀、質量，還有腫瘤及內部些許血管。總共花費約160小時，模型成本低於150美元。相比於2015年日本筑波大學科研團隊的研究，此項3D肝臟模型將成本拉至可接受的水平，讓大部分病患能承擔得起，定製化的治療方案對手術成功率提升亦有所助益。

3D列印心臟模型挽救洛杉磯嬰兒生命

當18個月大的NateYamane由於心臟肺動脈變窄開始危及生命時，兒科心臟病專家FrankIng意識到他需要一個支架，一個用於治療狹窄或弱動脈的小網狀管。使用Nate的心臟CT掃描數據，醫院團隊創建了阻塞區域的3D列印模型。Ing博士製作了一個特殊的小型支架，以適應從狹窄動脈的3D模型。結果是成功的：Nate的氧水平隔夜得到了改善。

廣東完成首例3D列印換脊骨

南方醫科大學附屬第三醫院（廣東省骨科醫院）骨腫瘤科團隊成功為一名脊索瘤患者切除了脊椎，並植入3D列印人工椎體，這是廣東完成的首例3D列印換脊骨手術。個性化的3D列印人工脊柱更有利於保護神經，並利於術後骨癒合。

2手術導板

手術導板是將手術預規劃方案準確的在手術中實施的輔助手術工具。在多個學科都有應用，例如：關節類導板、脊柱導板、口腔種植體導板，還有腫瘤內部內照射源粒子植入的導向定位導板等。

Materialise製造兒科3D列印手術導板獲FDA許可

這意味著患有先天性骨疾病或骨骼受傷的兒童就能得到更好的治療。該3D列印導板是三維的，根據對患者骨骼的掃描數據生成，可以讓醫生獲得最真實的信息，從而更好地規劃手術。另外，其製造成本也不高，即便普通患者也負擔得起。

3植入物

一些植入物是通過鑄造或傳統的金屬加工方法來製造的，需要首先製造出模具，對於只需要一件或者少量的植入物來說，單件生產成本十分昂貴。再加上具有生物相容性的植入物材料本身的高價格，骨科植入物的總製造成本是十分昂貴的。對於結構複雜的特殊植入物，使用從傳統技術也難以實現。而3D列印技術用於製造骨科植入物，可以有效降低定製化、小批量植入物的製造成本，並可以製造出更多結構複雜的植入物。近年醫療行業越來越多地採用金屬3D列印技術（直接金屬雷射燒結或電子束熔融）設計和製造醫療植入物。在醫生與工程師的合作下，使用3D列印技術能夠製造出更多先進合格的植入物和假體。3D列印技術也讓定製化植入物的交貨速度得以提升，從設計到製造一個定製化的植入物最快時可以在24小時之內完成。工程師通過醫院提供的X射線、核磁共振、CT等醫學影像文件，建立三維模型並設計植入物，最終將設計文件通過金屬3D列印設備製造出來。

OPM公司的3D列印骨植入物獲得歐洲專利批准

牛津高性能材料公司（OPM）的「用於骨替換的定製植入物」將利用新興的OsteoFab植入物製造工藝。OPM現在將把其高性能添加製造工藝應用於3D列印定製植入物，以執行骨替換操作。該歐洲專利最初於2011年底提交，於2016年12月21日生效，並將持續到2029年8月7日。目前，OPM仍是第一家也是唯一一家獲得FDA510（k）批准的3D列印患者特異性聚合物基植入物的公司。

澳洲成功實施首例3D列印鈦-聚合物胸骨植入手術

澳大利亞聯邦科學與工業研究組織（CSIRO）、墨爾本醫療植入物公司Anatomics和英國醫生聯手，為一名61歲的英國患者Edward Evans實施了3D列印鈦-聚合物胸骨植入手術，這也是全球首創。之前這種植入物一般都會用純鈦製造，新型胸骨植入物能夠比之前的純鈦植入物更好地幫助重建人體內的「堅硬與柔軟組織」。Evans術後僅12天就能出院，並且目前恢復十分迅速。

印度MedantaTheMedicity醫院的醫生們讓一名一直患有脊柱結核的32歲婦女再次行走。這也是印度首次進行此類手術。女患者的第一節、第二節、第三節頸椎嚴重損傷，這意味著在她的顱骨與下頸椎之間沒有任何骨骼支撐。藉助先進的金屬3D列印技術，醫生們3D列印了一個鈦椎骨，並用它替代了患者脊柱中的受損部分，從而有效填補了第一節頸椎和第四節頸椎之間的空白。手術一共進行了10小時。這也是世界上第三例此類手術。

首個植入3D列印脊椎患者已能開車騎車

2016年6月12日，世界首個3D列印脊椎植入手術在北醫三院完成。2017年1月初患者的CT顯示，該患者當時被植入的長達19釐米的3D列印內植物與他原有脊柱穩穩地連接在一起，內植物與脊柱的連接處可見到高密度影，已有骨融合的跡象。

鼓樓醫院國內首創3D列印導航治蝶顎神經痛

南京鼓樓醫院團隊對患者進行了頭顱薄層CT掃描，設計並3D列印出個性化的蝶顎神經節介入導航模板，術中以模板引導穿刺至目標靶點，以少量局麻藥物精準地完成了蝶顎神經節阻滯，阻滯完成時患者即刻感到鼻塞感及眼部的酸脹感明顯緩解，左面部的持續性隱痛也明顯好轉。隨後，團隊利用該導航模板進行了一次蝶顎神經節脈衝射頻治療與兩次阻滯治療，患者左面部的疼痛完全消失。3D列印個性化導航模板，不僅極大縮短了手術時間，減少了手術的創傷，對需要進行多次手術操作的患者，更是極大的幫助。

4康復醫療器械

與3D列印鈦合金定製化飛機零部件和超級轎跑個性化零部件一樣，假肢、助聽器等康復醫療器械同樣具有小批量、定製化的需求，並且設計具備複雜性，傳統數控工具機受到加工角度等因素的限制往往難以實現。此外，利用3D列印技術製作單個定製化康復輔具的成本會顯著下降。

3D列印康復醫療器械的推廣需要專業的醫療器械服務商介入，從數據採集、設計、成型以及產品的認證方面進行專業的操作。

史上最小3D列印定製鈦金屬助聽器問世

Phonak與德國3D列印公司EnvironTEC合作開發出定製式鈦金屬助聽器VirtoB-Titanium。這一定製模式的亮點在於外殼和主要部分均為3D列印，並且外殼不是由傳統的助聽器外殼丙烯酸構成，而是使用重量更輕，強度更高的鈦金屬製成，為此，外殼的厚度在同等安全程度的情況下減少了50%（0.2毫米）。通過3D列印技術，不但大大縮短了助聽器定製的時間（據了解，該設備可在1小時內製作65個助聽器殼或45個耳模），還將更加精確地適配聽損者的耳道形態，這種技術幾乎不受傳統耳模製作人員的技術差距影響。

5 3D列印在口腔科的應用

牙齒修復和治療的成本是牙科診所、實驗室需要考慮重要因素，很多有先見之明的牙科診所、實驗室已經引入數位化口腔技術，以提升效率、降低成本。近年來，以軟體設計為基礎的牙科修復變得普及，很多牙科診所、實驗室或專業義齒生產企業都引入了3D列印技術。結合了3D列印的數位化口腔技術為牙科行業帶來了精度高、成本低、效率高，以及符合規範化生產鏈相符的口腔數據。

許多牙科診所或實驗室都有利用3D印表機來製造患者牙齒模型。製作模型需要的三維數據可以通過直接掃描口腔來收集（掃描整個口腔大約需要2分鐘），或者通過間接掃描傳統的物理模型的方式來收集。牙科3D模型可以用作模具並使用傳統方法輔助生產牙冠、假牙等。另一種作用與骨科、腫瘤手術3D模型類似，即用來模擬、規劃手術過程，或與患者溝通手術過程。

直接3D列印義齒也已經可以實現。Envision TEC公司已經有一種列印材料獲得了食品及藥物管理局（FDA）的認證，這些3D材料可以直接用來列印臨時牙冠。該臨時牙冠給患者佩戴的時間甚至可以長達5年之久。不少專業人士預計，到2020年以前，大多數牙醫都會逐漸開始使用3D列印的牙冠，從而不需要牙科實驗室進行高度專業的生產，同時也滿足了病人對於牙冠的不同需求。

此外，通過3D列印技術生產的牙齒矯正器也走向應用。比起傳統的牙齒矯正器，3D列印透明矯正器不僅隱形、美觀，而且尺寸更適合患者在矯正期間每個階段的牙齒狀態。相比傳統方式下需要依靠牙醫的經驗進行調整，這種矯正技術更具優勢。在國外ClearCorrect公司已經使用Stratasys公司的3D列印設備和材料生產透明矯正器。國內也有時代天使這樣的隱形矯正器品牌。

用3D列印技術製作金屬材料的牙冠固定橋等修復體也成為牙科行業應用的技術。總之，3D 列印將數位化口腔技術的效率帶到生產階段。通過結合使用口腔掃描、CAD/CAM 設計和 3D 列印，牙科實驗室可以準確、快速的生產牙冠、齒橋、牙科模型、矯正器等一些列的牙科產品。

在牙科行業常用到的3D列印技術主要有：光敏樹脂選擇固化技術（SLA）、選擇性雷射熔化技術（SLM）、噴墨列印技術（Polyjet)、金屬雷射燒結技術（DMLS），實質上也是SLM技術。但每種技術適合加工的牙科產品不同。SLA技術主要用於牙科手術導板、臨時牙冠和牙橋製造，以及失蠟鑄造的樹脂模型。牙冠固定橋等修復體所採用的材料主要有牙科用金合金、鈦合金、鈷鉻合金和不鏽鋼等，這類修復體對精度要求很高，且修復體的形狀比較複雜。SLM 技術因具有快速、可直接製造精密的、個性化的複雜金屬結構，所以在口腔修復體製造中有很大優勢。Polyjet技術在製作牙模、手術導板、貼面模型、牙齒矯正器、遞送和定位託盤以及各類模型的相關實驗室和業務設計方面有許多應用案例。DMLS技術工藝原理出自選擇性雷射熔化（SLM），Traini T等已採用此技術直接製造功能梯度鈦材料的多孔牙科植入體。

不論是三維口腔掃描、CAD設計軟體還是用3D列印牙模、牙冠，這些數位化技術的意義在於，使醫生逐漸不必再親自動手製作模型、義齒等牙科產品、承擔牙科技師的工作，而是將更多精力回歸到口腔疾病的診斷及實施口腔手術本身。對於牙科技師而言，雖然遠在醫生診室之外，但只要獲得患者的口腔數據，就可以根據醫生要求定製出精準的牙科產品。

6 生物3D列印

之前提到使用金屬、塑料等非活體組織材料3D列印的定製化假肢、牙科、骨科植入物、助聽器外殼等醫療器械都屬於「初級階梯」。而列印血管、軟骨組織這類單一的活體組織屬於「中級階梯」。3D列印的人工肝臟、心臟等人工器官則屬於「頂級階梯」。

無論是人造血管、軟骨組織，還是肝臟組織、腎臟組織，其核心是特定類型細胞的分離（或定向誘導）及大規模擴增。而生物3D列印技術，在人工組織、器官培養過程更多承擔了三維形狀的構建，即讓人體細胞按照預先設計好的形狀來生長。因此人造器官、組織的發展更大程度上取決於生物技術的發展。

日本京都大學研發出促進神經再生的生物3D列印導管

日本京都大學的研究人員使用 來自Cyfuse Biomedical的Regenova 3D生物印表機創建管狀導管，可以促進受損的神經細胞再生。研究人員在六隻老鼠身上使用8mm3D列印導管橋接神經中的5mm間隙；對於其他六隻，使用當前標準的矽管。研究人員發現，3D生物列印導管有助於促進老鼠的神經再生，速度比矽膠管更快，這進一步表明生物3D列印導管有一天可以用於幫助患者的神經損傷恢復。

3D列印血管植入動物體內

之前，有報導稱俄羅斯生物科技集團3D Bioprinting Solutions已成功將3D列印甲狀腺植入一隻老鼠體內。2016年底中國科學家已成功將3D列印血管植入恆河猴體內，這標誌著在列印血管及其他器官用於人類移植方面邁出了重要的一步。該可3D印表機列印出約2釐米長的血管樣本，然後將這些血管植入30隻恆河猴的胸腔中。植入一個月後，人工血管中的幹細胞生長成天然血管所需的多種細胞，隨著時間推移，這些細胞與恆河猴的原生血管已變得「不可區分」。

UCSD團隊3D列印出僅5毫米大血管網絡並成功植入動物體內

利用自行研製的數字光處理（DLP）3D印表機，他們成功列印出了複雜的血管網絡，而此網絡在被植入小鼠體內後居然成功與後者的血管系統實現了融合，並且表現出了正常的功能。 與之前出現過的類似項目相比有如下幾個明顯的優點：①基礎是真實的人類血管掃描數據，所以列印出的血管更複雜，連毛細血管都包含。相比之下，其它類似項目很多都只是列印出簡單的一段；②採用的材料除了光敏聚合物還包括了水凝膠和內皮細胞，所以血管網絡的兼容性更好。並且，光敏聚合物的成本還很低。③列印速度非常快，整個過程只用了十幾秒（當然也是因為血管網絡本身就很小，尺寸僅為4毫米x5毫米x0.6毫米），而如果換做擠出式3D列印技術，可能要數小時。在花費1天時間培養了一些這樣的3D列印血管網絡後，團隊將它們植入了小鼠的皮膚傷處。兩周後，他們驚喜地發現，這些人工血管不但與小鼠自身的血管網絡成功融合，而且沒有出現任何堵塞情況—小鼠的血液循環十分正常。毫無疑問，這就為對於人類的器官移植帶來了新的希望。

加拿大生物公司Aspect聯手強生研發3D列印膝關節軟骨

加拿大生物技術公司Aspect Biosystems與強生DePuy Synthes Products達成一項新的研究合作，用Aspect的「印表機上的實驗室（Lab-on-a-Printer）」生物列印平臺來開發適用於手術治療的生物列印膝蓋半月板。

法國完成全球首例「3D列印模具輔助製作定製化支氣管」植入手術

該定製的支氣管是CHU醫院與土魯斯的專業定製化3D列印植入物公司Anatomik Modeling聯合製作的。首先對病人的支氣管進行3D掃描，然後基於所得數據3D列印出等比例模型，最後以此模型為模具進行矽膠鑄造。3D列印的模具精確再現了患者的原始支氣管形狀達到最佳效果。

跨尺度血管結構的生物3D列印

浙大賀永團隊研發了一種血管3D列印工藝，該工藝能實現宏微跨尺度血管結構的列印，宏觀流道可用於各種機械力的加載，微觀通道可用於營養輸送以及化學物質的加載。本血管列印模型可以集成在器官晶片上，可應用於藥物篩選、細胞共培養、細胞力學等領域。

這是一種全新的血管列印方法。其特點是能實現宏微跨尺度流道的同時成形。通過課題組自行研發的血管印表機，利用同軸噴頭製造出中空凝膠纖維，裝載成纖維細胞和平滑肌細胞的凝膠纖維可控沉積在三維列印平臺中的旋轉模板上，內皮細胞種在中空凝膠纖維融合後形成的宏觀通道內。課題組通過大量的工藝實驗，系統解決了跨尺度血管結構的成型問題；通過流體流動實驗演示了多尺度流道的用處；並通過後續的三層細胞培養實驗展示了在組織工程應用中的可能性。

7 3D列印與製藥

通過3D列印成形技術製備藥物緩釋裝置，與傳統壓片方法相比具有獨特的優勢。3D列印可以實現多種材料精確成形和局部微細控制，得到具有複雜內部結構的裝置；釋藥特徵與所設想的複雜釋藥行為一致。通過3D列印成形技術，將粉末材料粘結成形，可以方便的實現醫學應用中常需要的具有複雜型腔的多孔結構，對於藥物釋放有著重要意義。

通過調整列印液流速、噴頭移動速度、列印液液滴直徑、粉末鋪層厚度、噴塗次數、噴塗角度、噴塗位置等工藝參數，可以改變藥劑中含量、輔料成分和組成，從而改變藥物釋放速率和釋放量，使得具體的生產過程靈活而簡單，通過CAD（計算機輔助設計）為單個患者設計製造理想化的治療方式成為可能。

3D列印協助科學家研習開發可探測病毒的醫用傳感器

3D列印原型探測器，其中包含一個採用了機器學習技術來不斷進行自我調整的傳感器。一種新的、更有效的微小物質檢測方法由此誕生，該方法可檢測癌症生物標誌物、病毒、蛋白質等。這可以改善嚴重感染和疾病的診斷和治療。讀取器包括四種不同顏色的LED、一個相機和一個3D列印塑料外殼。由於採用了3D列印技術，原型的造價很便宜，但同時也很耐用，可根據不同的情況進行定製化設計。

UCLA推出新型生物墨水，可3D列印成藥物

加州大學洛杉磯分校（UCLA）開發出了一種全新的生物墨水，而這種墨水能夠通過噴射3D列印技術被製成藥物。 UCLA此次開發的新型生物墨水主要成分是透明質酸（一種天然生物分子，廣泛存在於皮膚、結締組織、神經系統中），至於其3D列印過程則大致如下： 1）與光引發劑混合，從而在受到光線照射時固化； 2）與鹽酸羅匹尼羅（用於治療帕金森氏症）混合，組成藥物原材料—這裡說明一下，之所以會選鹽酸羅匹尼； 作為API主要是因為它具有良好的親水性，很容易溶解—這不但有利於人體吸收，而且有利於測算藥物溶解速率。 3）將上述混合物通過壓電噴嘴沉積成型。UCLA團隊對其在模擬胃部酸性環境中的溶解速率進行了測量。結果顯示其溶解率在15分鐘內就超過了60%，到30分鐘時更是超過了80%。但是，這種藥物也有不足之處，就是在1小時的溶解後，會失去一小部分（約4%）。

原標題：輕乾貨！2017年醫用3D列印技術的七個領域應用進展