张海荣，鱼 泳

3D打印技术在医学领域的应用

张海荣，鱼 泳

介绍了3D打印技术的概念、原理、特点以及3D打印的优势和局限性，阐述了3D打印技术在医学模型制造、组织器官再生、活体细胞培养等医学领域以及肢体修复、骨骼重建、治疗烧伤等军事医学领域中的应用现状，并对其在国内医学领域的发展进行了规划，对推动国内3D打印技术在医学领域的健康、快速发展具有重要意义。

3D打印；医学领域；应用

0 引言

3D打印技术诞生于20世纪90年代，最初应用于制造业、工程及航空航天模型设计等领域。随着3D打印材料和控制技术的发展，研究人员不再满足这种先进技术只局限在原型制造和模具生产等方面，开始向更广阔的领域拓展，特别是在医学领域的实践应用和发展前景引起了全球的广泛关注。

1 3D打印技术

1.1 3D打印技术概念

3D打印是一种快速成型技术，其核心是数字化、智能化制造与材料科学的结合[1]。其主要通过计算机控制，采用分层加工、叠加成型的方式来“制造”产品。3D打印不像传统的机械加工那样需要模具或原胚，而是通过打印一次成型。3D打印开创了制造业的崭新时代，被英国The Economist杂志誉为第三次工业革命的重要标志之一[2]。

1.2 3D打印技术原理

3D打印是快速成型装置利用纸层叠和光固化等技术，将设计产品分为若干薄层进行印刷，其工作原理类似喷墨打印机[3]。首先通过计算机三维建模软件绘制模型数据，然后将模型数据转化为3D打印能读的G代码文件，再导入专业打印机进行打印。打印以粉末状金属或塑料等可黏合材料为原料，在设定好的成型区域内先喷涂一层黏合剂，再喷涂一层成型材料，如金属或树脂粉末，二者黏合后迅速凝固成一个薄层，这样反复交替、层层叠加，最终把计算机设计好的模型“打印”成实物。

1.3 3D打印技术特点

任何一项新技术的问世，都有其明显的优势和不足，3D打印技术也不例外。

1.3.1 3D打印的优势

（1）打印精度高。目前上市的主流3D打印机精度基本控制在0.3 mm以下，个别精度较高的可实现600 dpi的分辨率，打印厚度只有0.01 mm。（2）生产周期短。3D打印可在数小时内快速精确地将计算机中的数字模型打印出来。（3）满足个性化需求。理论上讲，3D打印机能打印出计算机设计的任何形状的模型。（4）节省材料。3D打印因其增材制作的特性在生产中不会产生边角料，通过摒弃生产线降低了成本，提高了材料利用率。

1.3.2 3D打印的局限性

（1）打印精度受限。3D打印技术发展到现在，虽然有了很高的精度，但还不能实现一些特殊精密产品的打印，如照相机镜头等。（2）使用材料范围有限。基于目前3D打印机的成型原理，仅可使用金属粉末、无机粉料、光敏树脂、塑料等，像衣服纤维这样的特殊材料还显得无能为力。（3）打印尺寸受限。3D打印应用范围虽然广泛，但对军工、航空航天和航海等领域所需要的大尺寸零部件来说暂时还难以实现。

1.4 3D打印技术应用范例

随着3D打印技术的发展，一些具有划时代性质的3D产品已经在工业制造、文化艺术、航空航天和生物工程等领域相继问世。2010年11月，世界上第一辆3D打印汽车“Urbee”问世；2011年8月，世界上第一架3D打印飞机由南安普顿大学的工程师开发完成；2012年11月，苏格兰科学家利用人体细胞首次用3D打印机打印出人体肝脏组织[4]；2013年10月，全球首次拍卖一款名为“ONO”的3D打印艺术品，11月，美国德克萨斯州奥斯汀的3D打印公司“固体概念”（Slid Concepts）设计制造出一支3D打印金属手枪[5]。在我国，由北京航空航天大学和沈阳飞机设计研究所等单位研制生产的钛合金大型整体主承力构件荣获2012年度“国家技术发明一等奖”，使我国成为目前世界上唯一实现该构件成功装机工程应用的国家[6]。这些高科技产品推动了3D打印技术的发展，使其进入一个新的时代。

2 3D打印技术在医学领域的应用

随着3D打印技术的发展和成熟，这一新兴的科技成果开始进入医学领域，在医学模型制造、组织器官再生、临床修复治疗和药物研发试验等领域得到了广泛应用。

2.1 医学模型制造

医学模型在基础医学和临床实验教学中的用途十分广泛，用量也大，但是用传统方法制作医学模型程序复杂、周期长，同时由于部分模型的原材料多为石膏等，在使用过程中极易损坏。利用3D打印制作医学教学用具、医疗实验模型等用品不仅避免了上述问题的出现，同时还可以根据实际需要对一些特殊模型实现个性化制造。据报道，美国一家医院的医生们在给一对连体婴儿实施头颅分离手术前，为了确保安全，他们先用3D打印制作出这对婴儿的连体头颅模型，参考模型对手术方案进行优化，最后不仅手术获得成功，而且时间也由以往的72 h缩短至22 h[7]。由此可见，3D打印技术在医学模型制造方面给医患带来了福音。

2.2 组织器官再生

人体组织器官替代物一直是临床医学上的一个难题，很多患者为此而丧失生命。随着科学技术的发展，3D打印人体器官已经成为可能。2013年，美国军方资助的3D打印皮肤和肾脏研究取得突破[8]。德国研究人员也利用3D打印技术制作出柔韧的人造血管，这种血管可与人体组织融合，不但不会发生排异，而且还可以生长出类似肌肉的组织。这些成功案例表明，解决当前和今后人造器官短缺所面临的困难不再遥远。

2.3 活体细胞培养

3D打印实现安全稳定的细胞培养和器官移植尚有相当长的距离，但并非不可实现。利用3D打印技术，科学研究人员制造出能模仿生物细胞特性的水滴，他们把这些水滴通过3D打印组装成凝胶状物质，这种物质既能像神经细胞束一样传输电信号，又能像肌肉组织那样弯曲，给修复和缓解器官衰竭带来了新的希望[8]。令人惊喜的是，荷兰特温特大学的研究人员也利用纳米3D打印技术制造出了最小的用于培养细胞的金字塔[9]。

2.4 临床修复治疗

利用3D打印技术制作的医疗植入物能够更好地融入人体，改善对患者的治疗效果。2014年3月，解放军第四军医大学第一附属医院（西京医院）对3名骨肿瘤患者实施3D打印钛合金假体植入手术治疗，对他们不同部位的骨骼缺损进行修复，均取得良好疗效。其中，3D打印的钛合金肩胛骨假体和锁骨假体临床应用为全球首例，骨盆假体临床应用为亚洲首例[10]。同年8月，北京大学第三医院骨科完成世界首例应用3D打印技术人工定制的枢椎椎体，为一位12岁的小患者实施寰枢椎恶性肿瘤治疗，为肿瘤切除后颈椎结构重建技术开辟出一条崭新途径[11]。

2.5 药物测试研发

现阶段，大部分的药物测试主要是通过实验动物来完成，其药理作用难以得到准确反馈。利用3D技术打印的人体肝脏、肾脏和特定细胞组织用于新药测试后，不仅可以真实模拟人体对药物的反应，得到准确的测试效果，而且还能在很大程度上降低新药的研发成本。2012年，3D生物打印公司Organovo向一个专家实验室交付了第一个3D打印肝组织产品用于药物测试。弗吉尼亚州雷斯顿Parabon纳米实验室的研究人员也在使用纳米级3D打印技术逐分子地制造药物，以对抗致命的脑癌胶质母细胞瘤[12]。

3 3D打印技术在军事医学中的应用

现代战争是高技术条件下的局部战争，高新武器对人员造成的打击和创伤会更加严重，如何提高战伤救治水平、保持部队战斗力是军事医学研究的重点。3D打印技术可在战伤肢体修复、骨骼结构重建、烧伤治疗和间隔综合征救治等方面发挥重要作用[13]。

3.1 肢体修复

军队参加战争或非战争军事行动如军事演习、抗洪抢险、抗震救灾等，都会对广大指战员的身体造成损伤，特别严重的有可能致残。作为军事医学研究的一项重要内容，就是如何在战创伤救治中通过医学修复技术恢复伤员的肢体功能，而不是截肢。3D打印技术可用于外周神经管道与合成材料的研发、复合组织移植瓣的构建以及四肢与指趾的组织工程修复等，对伤病员恢复肢体功能有很大帮助。

3.2 骨骼重建

在战争、军事演习或训练中，由爆炸伤造成的骨骼和组织缺损历来是战场救治的难点。3D打印技术在医疗领域的发展应用给这一难题带来了曙光，它不仅可以打印出颅面合成骨、可植入性软组织，就连难度很大的工程骨组织植入、自体细胞软骨培育都可以通过3D打印来实现。

3.3 治疗烧伤

在执行任务中，烧伤不仅给参加军事行动或抢险救灾的指战员带来身体上的痛苦，也会给他们心理上造成难以愈合的创伤。通过3D打印技术制造用于活体皮肤扩增的计算机控制生物反应器系统和可促进伤口愈合并减少瘢痕形成的多功能生物支架、组织工程皮肤制品以及用于皮肤再生的人工蛋白生物材料等，都对治疗烧伤有着不可替代的作用。

3.4 综合征救治

战创伤对伤病员造成的危害很大，如果不能及时采取外科措施进行干预，很容易使他们患上间隔综合征，严重者可能会发生血管、肌肉和神经等器官永久性死亡，导致终身致残。通过3D打印技术制造的可降解弹性聚合支架和特异诱导性生物支架，对肌肉干细胞微创治疗和肌肉组织再生有很大帮助，可以促使血管、肌腱和神经功能尽快得到恢复。

4 3D打印技术在我国医学领域的发展规划

虽然3D打印技术已经在医疗领域获得成功应用，但直到目前仍受限于造价高、速度慢、精准度不高等因素，临床应用还比较少。为了促进这一科技成果在医学领域的快速发展，2014年9月，由中国电子信息产业发展研究院等3家单位联合召开了“3D打印与生物医疗器械产业化推进会”，陕西渭南被确定为全国医学3D打印技术创新产业基地[14]，为3D打印的产业化、集群化发展奠定了基础。与此同时，我国编制的第一部关于3D打印技术的产业发展规划《国家增材制造产业发展推进计划（2014—2016年）》，也对3D打印技术在医学领域的发展从医用3D打印材料的研发生产、医用3D打印装备的研制、医用3D打印装备应用进程和加强医用3D打印人才培养4个方面作出了规划。该发展规划提出在未来2 a内要充分依托科研机构和高校进行医用3D打印材料研究，扶持优势企业进行3D打印材料研发生产，研制具有自主知识产权的3D打印装备，完善医用3D打印装备市场准入等方面的政策法规，支持医疗机构建立医用3D打印技术临床应用研究中心进行学术交流，以推动我国3D打印技术在医疗领域的健康快速发展。

5 结语

作为一项新兴科技产业，3D打印技术在医疗领域产生了深远影响，推动了医疗卫生事业的快速发展。随着3D打印技术的进步和完善，其在医学领域的应用范围会越来越广泛，打印精准度和材质适应性也会越来越高，适合个性化的3D医疗康复产品也将应需而生，使人们真正享受到科技发展带来的高品质生活。

[1]魅力的春天.3D打印技术[EB/OL].（2013-06-09）[2014-02-10]. http：//blog.sina.com.cn/s/blog_692343020102e5rc.html.

[2]吕东旭.3D打印的特点及应用简析[J].才智，2013（20）：247.

[3]孙晓林.3D打印技术的应用[J].机电产品开发与创新，2013，26（4）：108-109.

[4]郭振华，王清君，郭应焕.3D打印技术与社会制造[J].宝鸡文理学院学报：自然科学版，2013，33（4）：64-70.

[5]佚名.3D打印技术是什么[EB/OL].[2014-08-01].http：//www.0746 news.com/2014/08/01/612198.html.

[6]王华明.高性能金属构件增材制造技术开启国防制造新篇章[J]国防制造技术，2013（3）：5-7.

[7]陈坚伟，张迪.3D打印技术医学应用综述与展望[J].电脑知识与技术，2013，9（15）：3 632-3 633.

[8]楼铁柱，刘术，李鹏.2013年度军事医学相关生命科学技术重大进展[J].军事医学，2014，38（1）：1-4.

[9]管吉，杨树欣，管叶，等.3D打印技术在医疗领域的研究进展[J].中国医疗设备，2014，29（7）：71-72.

[10]丁海涛.西安：3D打印钛合金骨头假体成功应用临床[EB/OL]. [2014-05-29].http：//news.xinhuanet.com/health/2014-05/29/c_12 6560804.htm.

[11]仰东萍.北医三院刘忠军教授完成世界首例应用3D打印技术人工定制枢椎椎体治疗寰枢椎恶性肿瘤[EB/OL].[2014-08-26]. http：//www.bjmu.edu.cn/xxdt/131340.htm.

[12]佚名.3D打印在癌症治疗方面10个应用案例[EB/OL].[2014-02-05].http：//maker8.com/article-680-1.html.

[13]郝云菲.渭南举行3D打印与生物医疗器械产业化推进会[EB/OL].（2014-09-27）[2014-10-01].http：//www.sn.xinhuanet.com/ 2014-09/27/c-1112650788.htm.

[14]王尔德.首部3D打印产业规划年内有望出台[EB/OL].（2014-09-30）[2014-10-01].http：//business.sohu.com/20140930/n404776 099.shtml.

（收稿：2014-04-10 修回：2014-10-20）

Application of 3D printing technology in medicine

ZHANG Hai-rong,YU Yong
(Educational Technology Center,the Fourth Military Medical University,Xi'an 710032,China)

3D printing technology is introduced for its concept,principle,characteristics,advantages and disadvantages, which also has its application described in the fields of medicine and military medicine,involving medical model manufacturing,tissue and organ regeneration,living cell cultivation,limb prosthetics,bone reconstruction and burning treatment.The prospects of 3D printing technology are explored in the medicine of China.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（3）：118-120]

3D printing;medical field;application

R318；TP751

A

1003-8868（2015）03-0118-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.03.118

张海荣（1973—），男，讲师，主要从事教育技术理论和媒介应用方面的研究工作，E-mail：347910111@qq.com。

710032西安，第四军医大学教育技术中心（张海荣，鱼 泳）

鱼 泳，E-mail：fishswimming@189.cn