導語:試想一下,你身上的某個器官或者組織出現了狀況,你正擔心能否找到稀缺的捐獻器官。這時候,醫院用3D生物打印機打印出一個全新的器官移植到你體內,就像換掉一個機器上的老舊零件一樣簡單……3D 生物打印時代距離我們越來越近。
本期週末講壇邀請北京大學第三醫院骨科主任劉忠軍和第四軍醫大學西京醫院心外科醫生顧春虎和韓躍虎一起為大家揭開3D打印和4D打印的神祕面紗。
3D打印能否打印未來
在世界範圍內,尤其在發達國家和地區,3D 打印技術在醫學領域的應用受到高度關注,相關骨科內植物的開發和應用更是異軍突起。在我國也不例外,新制定的國家科技發展規劃中,已經把包括骨科在內的3D打印內植物研發列為重點專項。根據目前科技規劃所設定的方向和近年來3D打印內植物的相關研究動態,未來3D 打印骨科內植物的研究和發展重點可能會涉及以下幾個方面:
一、更多種類能發揮3D 打印技術優勢的新型內植物的開發與應用。
目前已經研發成熟併成為上市產品的幾種3D 打印內植物,如髖關節臼杯、椎間融合器及人工椎體等在臨床實踐中得到檢驗並被普遍認可,在此基礎上,更多用於關節和脊柱外科的內植物正在研發過程中,已知在研的品種包括膝關節假體、關節修補墊塊及自穩型人工椎體等,這些內植物在未來逐漸成熟上市,恐怕已經成為一種難以阻擋的趨勢。但應當清醒意識到,3D打印內植物不可能僅憑“新”而大行其道,只有在功能和療效上超越傳統產品,才會被臨床最終接受。
二、個體定製化3D打印骨科內植物的系統性研發。
3D打印技術快速一次成型的工藝特點非常適合個體定製化骨科內植物的製作,國內已經報道過的個別成功案例即可作為佐證。但如果要實現常規化個體定製骨科內植物的生產,則需要進行系統性的深入研究。一個定製化內植物的製作需要醫生根據具體病例的治療目的提出內植物設計方案,然後通過“醫-工交互”使其頭腦中的構圖準確傳遞給工程師,工程師再根據醫生的想法,並利用患者影像學檢查數據(如CT 掃描數據)的轉換,形成所需內植物的數字模型文件,以供輸入設備進行打印。內植物打印成型後還需經過一系列檢驗和技術處理才能提供給手術應用。若要在有限時間內完成上述個體定製化3D 打印內植物製作的全過程,軟件開發、流程優化、質量控制等都將是不可或缺的研究內容。
三、圍繞3D 打印內植物微孔結構的進一步深入研究。
內植物的微孔設計是骨科3D 打印內植物最顯著,也是最重要的特徵之一。金屬微孔可供骨組織長入的現象在金屬3D 打印內植物問世之前就已經被觀察到,故有人形象地稱之為“金屬骨小樑”。而3D打印技術的優勢在於微孔設計的可控性非常強,幾乎可以按照設計者的需要打印任何形狀和大小的微孔,利用這一優勢可進行優化,因為不同大小或形態的微孔可能會對骨長入的數量和速度產生影響。除此而外,如果對微孔表面進行一定處理,比如在其表面上覆蓋磷酸鈣或某些稀有金屬,則會對骨長入的結果產生更大影響。還可以將3D打印內植物的微孔結構當成理想的載體空間,將藥物或某些活性因子載入其中進行緩釋,使其發揮特殊功能,由此實現將3D擴展為所謂“4D”的夢想。鑑於近幾年圍繞3D打印內植物金屬微孔的研究已經取得一些引人關注的成果,我們應當高度重視相關探索並在此領域有更多的投入。
只聽過打印 那你OUT了
3D打印是一種以數字模型文件為基礎,運用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料,通過逐層打印的方式來構造物體的技術。3D打印通常是採用數字技術材料打印機來實現的。常在模具製造、工業設計等領域被用於製造模型,後逐漸用於一些產品的直接製造,已經有使用這種技術打印而成的零部件。
如今,3D打印技術在醫療領域已取得驚人進展。藉助3D打印技術高級定製的氣管支架,第四軍醫大學第一附屬醫院心血管外科成功救治了一名肺動脈吊帶支氣管嚴重狹窄的嬰幼兒患者。除此之外,3D打印技術在醫療衛生的各個領域都開始發揮重要作用。
3D打印還有很長的路要走
3D打印技術可以改進傳統醫學技術上的缺陷,帶來新的治療方法,降低手術的複雜度以及成本。例如膝關節置換,如果切割面與植入物假體不能吻合就會導致手術失敗,而3D打印的植入物是根據病患的具體情況定製後製作出來的,並且醫生可以在電腦上進行手術的模擬及手術的整個過程安排,較大程度降低了手術的風險。此外,通過3D打印技術,可以用不同的材料定製出不同物理特性的植入物。例如可以使用鈦合金材料打造出金屬空隙狀的人工假體,人體骨細胞可以在其中生長,這樣更符合生物力學結構的功能重建。這也是3D打印技術的優勢,是其他技術手段或材料無法比擬的。
目前3D打印在骨科植入物方面一般使用鈦合金、鈷鉻鉬合金、生物陶瓷和高分子聚合物等材料。這些材料的理化性質各不相同,但是其共同的缺點是不能很好解決與機體組織的生物相容性問題。目前3D打印研究的熱點和方向之一就是3D生物打印技術,它利用幹細胞為材料,按3D成型技術進行製造,一旦細胞正確著位,便可以生長成器官,這對於心血管組織的修復和再造,以及其他很多器官的治療都有革命性的意義。除此之外,還可以將細胞和材料混合之後,利用3D打印技術製作出相應的假體,儘可能地滿足治療的需要。
4D打印技術應用前景廣闊
很多人只聽過3D打印技術,對4D打印技術知之甚少。該技術創造出一種被打印出來之後發生改變的物體,而且它們能夠隨著時間或者其他條件的改變進行自我調整。
目前普遍認為,4D打印=3D打印+時間。所謂的4D打印,比3D打印多了一個“D”,也就是時間緯度,人們可以通過軟件設定模型和時間,變形材料會在設定的時間內變形為所需的形狀。
與3D打印的預先建模、掃描,然後使用物料成形不同,4D打印直接將設計內置到物料當中,簡化了從設計理念到實物的造物過程。讓物體如機器般“自動”創造,不需要連接任何複雜的機電設備。例如,你想打印一把椅子,就可以將塑料分子材料在3D打印機裡放好,然後打印成成品,但是4D技術不是這樣的。4D打印機裡的材料知道自己是一把椅子,但自我組裝並不是憑空出現的,每一個小分子之間到底怎麼彎曲、摺疊或伸展成我們需要的物體形態,需要事先進行相應的模型設計,椅子材料最終可能會在水或者溫度等條件下把自己做成椅子。這一技術相對於普通的3D打印來說,應用範圍和方式大大地擴展,在應用過程中更加智能和靈活。
第四軍醫大學西京醫院心外科 顧春虎、韓躍虎