3D打印技術(shù)也稱之為“快速成型技術(shù)”或“增材制造技術(shù)”。它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。自20世紀(jì)90年代中期面世以來(lái)，3D打印在模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域被廣泛用于制造模型，其后逐漸用于產(chǎn)品的直接制造。
近年來(lái)，3D打印技術(shù)的發(fā)展在醫(yī)療領(lǐng)域做出了不小貢獻(xiàn)。例如，制作醫(yī)學(xué)模型、輔具、假肢、手術(shù)導(dǎo)引裝置、骨頭、軟骨，或用于血管、膽道、氣管、尿道內(nèi)的支撐物或替代品，以及多種組織和臟器。那么，3D打印是通過(guò)什么原理實(shí)現(xiàn)扁鵲之術(shù)?它的存在對(duì)于醫(yī)療產(chǎn)業(yè)而言有著怎樣的意義?其發(fā)展目前又面臨哪些問(wèn)題?
在大型紀(jì)錄片《大國(guó)之材·3D打印》中，中國(guó)工程院院士、上海交大醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院3D打印創(chuàng)新研究中心主任戴尅戎教授(以下簡(jiǎn)稱“戴院士”)對(duì)上述問(wèn)題作了較詳盡的解答。
用3D打印解決醫(yī)學(xué)界百年難題——“個(gè)性化”需求
“3D打印是一種手段，通過(guò)3D打印技術(shù)，可以創(chuàng)造出各式各樣獨(dú)具一格的產(chǎn)品，而促進(jìn)醫(yī)學(xué)與3D打印緊密聯(lián)系在一起的根本原因，就是醫(yī)學(xué)上自古以來(lái)面臨的極大需求——‘個(gè)性化’。”戴院士談及3D打印便打開(kāi)了話匣子，他的后半生，與3D打印有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系。
據(jù)戴院士回憶，37年前，他曾接觸到一位需要做全距骨切除的腫瘤病人，而當(dāng)時(shí)國(guó)際上根本沒(méi)有替換距骨的假體，主治醫(yī)師團(tuán)隊(duì)只能給患者定制一個(gè)人工距骨。這也是戴院士第一次接觸到足部骨骼需要“個(gè)性化”定制的病例。
“距骨是位于腳踝十幾塊骨頭里最重要的一塊，這個(gè)人工距骨還要附帶上面、下面和前面的關(guān)節(jié)面，同時(shí)還要有足夠的承載能力和穩(wěn)定性，而距骨大小和形態(tài)是人人不同的。”通過(guò)多次數(shù)據(jù)計(jì)算、修改，團(tuán)隊(duì)最終成功將定制的人工距骨替換下被切除的距骨，時(shí)至今日，這位患者仍能自如行動(dòng)，無(wú)跛行、能騎車，甚至還能做輕體力勞動(dòng)。
第一次圓滿完成“個(gè)性化”定制病例給了戴院士極大的鼓舞。1982年以后，戴院士帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)專門給一些患者陸續(xù)定做了膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)，甚至還定做了半個(gè)骨盆。
時(shí)光推進(jìn)到90年代，人工定制滿足患者的“個(gè)性化”需求逐漸成為常態(tài)，而此時(shí)戴院士遇到了一個(gè)棘手的病例。
一位首席會(huì)計(jì)師因自幼雙側(cè)髖關(guān)節(jié)先天性異常，兩側(cè)髖關(guān)節(jié)嚴(yán)重脫位導(dǎo)致雙側(cè)劇烈疼痛，嚴(yán)重影響工作生活，最終只能依靠輪椅才能出行。據(jù)戴院士回憶，這位患者的髖部解剖結(jié)構(gòu)和幾何形態(tài)與常人差異極大，并伴有嚴(yán)重的繼發(fā)性病變，各醫(yī)療器械公司均無(wú)法提供符合需求的關(guān)節(jié)假體，這讓他頭一次感到無(wú)從下手。
難以進(jìn)退之時(shí)，上海交通大學(xué)王成燾教授給戴院士帶來(lái)一個(gè)好消息。“王成燾教授第一次告訴我們，原來(lái)世界上有一種設(shè)備叫‘快速原型機(jī)’，可以輕而易舉地把病人的關(guān)節(jié)、骨腔的大小、位置和相關(guān)關(guān)系，用模型準(zhǔn)確‘復(fù)制’出來(lái)。”
在當(dāng)時(shí)看來(lái)，戴院士感覺(jué)“快速成型機(jī)”簡(jiǎn)直是為這個(gè)棘手病例量身定做的產(chǎn)物!為了一探究竟，主治團(tuán)隊(duì)將經(jīng)由快速成型機(jī)定制的關(guān)節(jié)假體安裝在假肢模型上進(jìn)行反復(fù)演練，確定無(wú)誤后才為患者安排手術(shù)。最終，患者在模型的幫助下獲得了真正量身定制的假體。
手術(shù)成功后，這位當(dāng)年無(wú)法行走的患者不僅重新恢復(fù)了首席會(huì)計(jì)師的工作，還親自游玩天安門廣場(chǎng)、攀登長(zhǎng)城，如今已經(jīng)成為周游世界的旅游愛(ài)好者。
經(jīng)由此事后，3D打印個(gè)性化定制逐漸發(fā)展為戴尅戎團(tuán)隊(duì)不可或缺的醫(yī)用技術(shù)。與此同時(shí)，經(jīng)手?jǐn)?shù)百個(gè)病例的戴院士深刻認(rèn)識(shí)到：在醫(yī)療產(chǎn)業(yè)中，“個(gè)性化”需求是一個(gè)擁有巨大市場(chǎng)的發(fā)展方向。
用他的話來(lái)說(shuō)：“固定骨折的接骨板和不同關(guān)節(jié)的人工假體每個(gè)部位只有5-7種尺寸，這僅有的這幾個(gè)尺寸每年要滿足幾十萬(wàn)人甚至于上百萬(wàn)人的需求，導(dǎo)致很多病例都是將就著用，因此滿足個(gè)性化需求將成為提高醫(yī)療質(zhì)量的重要努力方向。”
回顧整個(gè)醫(yī)學(xué)發(fā)展之路，“個(gè)性化”需求一直是該行業(yè)存在的最大難題之一，3D打印技術(shù)的進(jìn)步和推廣無(wú)異于為個(gè)性化醫(yī)療打開(kāi)了一扇充滿想象與希望的大門。時(shí)至今日，戴院士都時(shí)常感慨：“3D打印確實(shí)太神奇了，它深深吸引了我們，因?yàn)楹芏噌t(yī)生的夢(mèng)想都能夠借以實(shí)現(xiàn)。凡是放進(jìn)病人身上的東西，如果大多數(shù)都能定制，那是一個(gè)什么場(chǎng)面!”
3D打印的出現(xiàn)可以跟蒸汽機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)相提并論
2003年，上海九院的合作公司獲批我國(guó)國(guó)內(nèi)第一份、也是至今唯一一份定制式人工關(guān)節(jié)生產(chǎn)許可證。2013年，戴院士與上海交大的工科教授聯(lián)合組建了上海九院3D打印技術(shù)臨床轉(zhuǎn)化研發(fā)中心;2015年，建立了上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院3D打印技術(shù)臨床轉(zhuǎn)化協(xié)同創(chuàng)新中心;并于2016年又升格為上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)3D打印技術(shù)創(chuàng)新研究中心，并獲得三項(xiàng)“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目支持。
“在整個(gè)發(fā)展過(guò)程中，九院的骨科、口腔科、眼科、整形科，耳鼻喉科乃至神經(jīng)科，都與3D打印結(jié)下了不解之緣。3D打印是一項(xiàng)制造技術(shù)，但往深處去看，其醫(yī)學(xué)應(yīng)用的核心保證，應(yīng)該是‘醫(yī)工結(jié)合’或‘醫(yī)工產(chǎn)結(jié)合’。”將3D打印應(yīng)用于醫(yī)學(xué)20余載的戴院士說(shuō)出了心里話。
戴院士進(jìn)一步解釋道，“醫(yī)工結(jié)合”是唯一能夠把3D打印在醫(yī)療行業(yè)推行得更深更好的路徑。如果醫(yī)生不懂3D打印技術(shù)，何來(lái)快速原型?又假如工程師掌握了3D打印技術(shù)，卻不知在醫(yī)療上能夠發(fā)揮什么作用以及如何去發(fā)揮作用，何來(lái)“個(gè)性化”定制?
眾所周知，3D打印技術(shù)誕生之初主要被應(yīng)用于制造業(yè)中的模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等工序。當(dāng)時(shí)，這一技術(shù)被視為“有可能是扭轉(zhuǎn)美國(guó)制造業(yè)持續(xù)走下坡路的衰敗之象的一個(gè)轉(zhuǎn)機(jī)”。美國(guó)前總統(tǒng)奧巴馬也曾在國(guó)情咨文中談到，“3D打印有可能使我們制造幾乎所有產(chǎn)品的方式革命化”。
對(duì)此，戴院士同樣深以為然，“從古到今，我們所做的制造加工都屬于‘減材制造’或‘等材制造’，一塊大木頭用斧頭砍、用刀子雕，最后制出一個(gè)我們需要的產(chǎn)品，浪費(fèi)了很多材料。做一個(gè)金屬的碗，需要在一塊立體的金屬方塊上，用車床、銑床、磨床削出一個(gè)碗來(lái)，這個(gè)碗可能只占了整塊材料的20%左右，這造成大量的材料浪費(fèi)，大量的多余加工。”
而3D打印技術(shù)則相對(duì)更快速、簡(jiǎn)化，也更加環(huán)保。3D打印只需在一個(gè)一無(wú)所有的平臺(tái)上鋪上第一層材料粉末，通過(guò)加溫或粘接劑固定后，再鋪第二層、第三層、第四層材料粉并逐層粘結(jié)。全部完成后，再把多余的材料粉收集起來(lái)進(jìn)行二次利用。所有采用的材料粉可能90%以上都能被利用。
因此，3D打印在醫(yī)療領(lǐng)域和制造業(yè)的創(chuàng)新應(yīng)用，被認(rèn)為是一種革命性顛覆。不少3D打印的支持者認(rèn)為：“3D打印是對(duì)舊有加工技術(shù)的顛覆，是制造業(yè)前所未有的革命，它的出現(xiàn)可以跟蒸汽機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)相提并論。”
3D打印發(fā)展之路亟待“開(kāi)綠燈”
與3D打印技術(shù)發(fā)展得如火如荼相對(duì)應(yīng)的，是國(guó)內(nèi)所面臨的3D打印設(shè)備和材料的大量進(jìn)口、科技成果轉(zhuǎn)化率低的尷尬局面。“不管這個(gè)技術(shù)是多么的高端，它要真正成為大家心目當(dāng)中優(yōu)秀的科技成果的話，就必須實(shí)現(xiàn)落地。只有實(shí)現(xiàn)了臨床轉(zhuǎn)化才能體現(xiàn)科學(xué)的偉大，將科學(xué)用于為廣大人民謀福利，才是我們最終的目的。”戴院士表示，臨床轉(zhuǎn)化始終是3D打印發(fā)展的核心主題，也是國(guó)家目前正在積極推動(dòng)的方向。
讓戴院士既遺憾又著急的問(wèn)題則是3D打印設(shè)備和材料進(jìn)口比例偏高，雖然國(guó)內(nèi)有不少國(guó)產(chǎn)3D打印機(jī)，但直接用于生產(chǎn)置入體內(nèi)的醫(yī)療器械時(shí)，往往還是采用國(guó)外設(shè)備。值得欣喜的是，國(guó)產(chǎn)設(shè)備與材料的應(yīng)用率正在不斷上升。
“如今國(guó)家高度重視3D打印的發(fā)展，在該行業(yè)傾注了大量的關(guān)注和財(cái)力，希望我國(guó)的3D打印行業(yè)能夠走在世界的最前列。應(yīng)該要為新技術(shù)、新設(shè)備、新產(chǎn)品‘開(kāi)綠燈’，但這個(gè)‘綠燈’必須開(kāi)得有科學(xué)性、嚴(yán)肅性，因?yàn)楫a(chǎn)品的使用對(duì)象是病人。”戴院士表示，任何科學(xué)技術(shù)的改革創(chuàng)新都應(yīng)一桿子走到底，‘開(kāi)綠燈’鼓勵(lì)國(guó)內(nèi)3D打印行業(yè)健康快速發(fā)展是必經(jīng)之路。
據(jù)報(bào)道，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，3D打印目前已發(fā)展至4D、5D打印。5D打印增加了時(shí)間和組織形成兩個(gè)變量，活性細(xì)胞經(jīng)過(guò)打印后，逐步形成一塊皮膚、一段氣管或者一個(gè)臟器。戴院士認(rèn)為，生物打印是再生醫(yī)學(xué)發(fā)展中解決組織、臟器來(lái)源最為可能的途徑，用于再生醫(yī)學(xué)的前景十分誘人。
戴尅戎院士早年間在研究制作形狀記憶醫(yī)療產(chǎn)品
人物介紹
戴尅戎，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院終身教授，中國(guó)工程院院士，法國(guó)國(guó)家醫(yī)學(xué)科學(xué)院外籍通信院士。目前擔(dān)任上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)3D打印創(chuàng)新研究中心主任、數(shù)字醫(yī)學(xué)臨床轉(zhuǎn)化教育部工程研究中心主任、上海交通大學(xué)轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究院干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)轉(zhuǎn)化基地主任。
先后擔(dān)任華裔骨科學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)、亞太人工關(guān)節(jié)學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)、世界多學(xué)科生物材料學(xué)會(huì)副會(huì)長(zhǎng)、世界內(nèi)固定(AO)基金會(huì)理事等。先后當(dāng)選美國(guó)骨科學(xué)會(huì)通訊會(huì)員，國(guó)際髖關(guān)節(jié)學(xué)會(huì)正式會(huì)員。戴尅戎院士通過(guò)醫(yī)學(xué)與工程學(xué)、生物學(xué)、材料學(xué)的交叉合作，研發(fā)新型骨科植入物和新技術(shù)，并積極推動(dòng)3D打印的醫(yī)學(xué)應(yīng)用、人工關(guān)節(jié)與骨再生等基礎(chǔ)研究與臨床技術(shù)。
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