現(xiàn)在3D打印早已不是什么新鮮事。從機(jī)械零部件到汽車、飛機(jī)，從迪拜推出全球首座3D打印辦公室到北京驚現(xiàn)雙層豪華3D打印別墅，3D打印的成果越來越多。近些年，還有一些科學(xué)家另辟蹊徑，把目光轉(zhuǎn)移到了醫(yī)療領(lǐng)域。如今每天有超過19，000件牙冠和牙橋通過3D打印技術(shù)制造；美國90%的定制型助聽器通過3D打印制造……據(jù)統(tǒng)計，2014年全球3D打印康復(fù)醫(yī)療市場總額為5.79億美元，而到2020年這個數(shù)字更將增長到23.638億美元。那么，以3D打印為基礎(chǔ)的新療法距離我們有多遠(yuǎn)？請看本期特別策劃——

如今在新聞中，我們幾乎每天都能看到3D打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的發(fā)展。例如，中國一家醫(yī)院為一位在工作中受傷的男性完成3D打印肘關(guān)節(jié)移植；威爾士外科醫(yī)生使用3D打印機(jī)修復(fù)了一位患者的面部骨骼；美國一家醫(yī)院利用3D打印技術(shù)制造支架，撐開嬰兒堵塞的呼吸道……隨著3D打印技術(shù)的加速發(fā)展，其在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多，越來越成熟。那么，3D打印與醫(yī)療究竟會擦出什么樣的火花？會為患者帶來什么福音呢？

3D打印到底是什么

由成龍主演的《十二生肖》，向人們真實地展現(xiàn)了3D打印的神奇應(yīng)用?？戳穗娪暗娜?，想必對這個場景印象非常深刻：那就是盜寶人JC（成龍飾演）戴了一個手套，手套上有很多傳感器，把獸首摸一遍后，另一頭的盜寶團(tuán)隊成員就立即打出一個一模一樣的獸首模型來。這個能瞬間打印出十二生肖的機(jī)器，就是 3D打印機(jī)。

其實，3D打印技術(shù)與3D電影一樣，早在上世紀(jì)90年代中期就有，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黏合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。早期常用在模具制造、工業(yè)設(shè)計等領(lǐng)域，現(xiàn)逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造，特別是一些特殊物品（比如人體的髖關(guān)節(jié)或牙齒，或鐘表與飛機(jī)零部件等）。

具體說來，3D打印過程分為兩步，在需要成型的區(qū)域噴灑一層特殊膠水，膠水液滴本身很小，且不易擴(kuò)散；然后是噴灑一層均勻的粉末，粉末遇到膠水會迅速固化黏結(jié)，而沒有膠水的區(qū)域仍保持松散狀態(tài)。這樣在一層膠水一層粉末的交替重疊的作用下，實體模型將會被“打印”成型。就像蓋房子一樣，磚塊是一層一層的，但累積起來后，就成一個立體的房子了。

3D打印耗材由傳統(tǒng)的墨水、紙張轉(zhuǎn)變?yōu)槟z水、粉末，當(dāng)然膠水和粉末都是經(jīng)過處理的特殊材料，不僅對固化反應(yīng)速度有要求，對于模型強(qiáng)度以及“打印”分辨率都有直接影響。3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)600DPI（DPI是指每英寸所打印的點(diǎn)數(shù)）分辨率，每層厚度只有0.01毫米，即使模型表面有文字或圖片也能夠清晰打印。而且可以利用有色膠水實現(xiàn)彩色打印。

3D打印技術(shù)的魅力在于它無需機(jī)械加工或任何模具，不需要在工廠操作，桌面打印機(jī)可以打印出你需要的小物品，假設(shè)一個茶杯，在打印完成后，可以馬上用來盛水。放在辦公室一角使用的稱為桌面機(jī)。而自行車車架、汽車方向盤甚至飛機(jī)零件等大件物品，則需要用工業(yè)打印機(jī)來完成。同時，3D打印還能夠打印出一些傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)無法制造出的外型，簡化整個生產(chǎn)流程，具有快速有效的特點(diǎn)。

目前，3D打印已經(jīng)廣泛用于傳統(tǒng)制造業(yè)、醫(yī)療行業(yè)、文物保護(hù)行業(yè)、建筑設(shè)計行業(yè)和配件飾品行業(yè)。人們已經(jīng)用 3D 打印技術(shù)打印出了很多東西，比如心臟瓣膜、下顎骨、電路板、汽車、房子、自動步槍，甚至還有鞋子、內(nèi)衣或生肉。

3D打印與醫(yī)療行業(yè)天然匹配

近年來，隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展和精準(zhǔn)化，以及個性化醫(yī)療需求的增長，3D打印技術(shù)與醫(yī)療行業(yè)的結(jié)合，在廣度和深度方面都得到了顯著發(fā)展。在應(yīng)用的廣度方面，從最初的醫(yī)療模型快速制造，逐漸發(fā)展到3D打印直接制造助聽器外殼、植入物、復(fù)雜手術(shù)器械和3D打印藥品。在深度方面，由3D打印沒有生命的醫(yī)療器械向打印具有生物活性的人工組織、器官的方向發(fā)展。那么，3D打印為何能在醫(yī)療領(lǐng)域大放異彩呢？

首先，很多疾病和傷痛都源于生物力學(xué)問題，比如骨折、關(guān)節(jié)老化以及脊椎錯位變形等。過去這類問題很難治愈，原因在于每個人的生理構(gòu)造都獨(dú)一無二，標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的外部裝置無法解決每個人的問題。3D打印出來的產(chǎn)品則完美解決了這個問題，它完全符合每個人的身體構(gòu)造，此外它還大大降低了定制化的成本，讓大規(guī)模定制化這一看似矛盾的概念成為可能。比如，2014年9 月，北京大學(xué)的研究團(tuán)隊成功地為一名 12 歲男孩植入 3D 打印脊椎，這屬全球首例。這位小男孩的脊椎在一次足球比賽受傷之后長出了一顆惡性腫瘤，醫(yī)生不得不選擇移除掉腫瘤所在的脊椎。這次，醫(yī)生并未采用傳統(tǒng)的脊椎移植手術(shù)，而是用3D 打印打出了一塊鈦合金骨骼。這種植入的3D脊椎可以跟現(xiàn)有骨骼非常好地結(jié)合起來，而且還能縮短患者的康復(fù)時間。此外，研究人員還在植入的3D脊椎上面設(shè)立了微孔洞，它能幫助骨骼在合金之間生長，換言之，植入進(jìn)去的3D打印脊椎將跟原脊柱牢牢地生長在一起，這也意味著未來不會發(fā)生松動的情況。

其次，一些結(jié)構(gòu)靈活、半固定或可被人體吸收的人工構(gòu)造，比如關(guān)鍵器官的瓣膜、血管等，難以通過傳統(tǒng)的方法制造出來。而3D打印技術(shù)則可以解決這個問題。比如，2015年2月，復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院心外科課題組，采集了一位77歲高齡的主動脈瓣重度狹窄合并關(guān)閉不全患者的高分辨率CT及心超影像，借助3D打印處理軟件，為其打印出完整的心臟及主動脈3D模型，僅耗時1小時就為患者順利完成了經(jīng)導(dǎo)管主動脈瓣置換手術(shù)?；颊遆線暴露時間比既往縮短一半，造影劑用量減少1/3，術(shù)中、術(shù)后生命體征非常平穩(wěn)，復(fù)查顯示人工瓣膜定位準(zhǔn)確、工作正常。

最后，3D打印繞開了復(fù)雜的基礎(chǔ)設(shè)施和物流問題，只要將設(shè)計好的圖樣發(fā)送到打印終端，3D打印機(jī)就能在離醫(yī)院較近的距離內(nèi)進(jìn)行生產(chǎn)。比如，2014年第二軍醫(yī)大學(xué)暑期醫(yī)療服務(wù)博士團(tuán)深入湘江戰(zhàn)役發(fā)生地廣西興安縣送醫(yī)送藥、開展健康宣教，適逢一患者因車禍導(dǎo)致右髖臼嚴(yán)重骨折。如果用常規(guī)手術(shù)治療這種骨折，時間長、出血量多、復(fù)位固定失敗率高、極易造成術(shù)后并發(fā)癥。博士團(tuán)成員、骨科博士楊鵬決定將3D打印術(shù)引入治療：對患者骨折部位進(jìn)行三維重塑，并打印好1∶1的骨折模型，連夜運(yùn)送到興安縣醫(yī)院。隨后設(shè)計手術(shù)方案，并在3D骨盆上做了手術(shù)預(yù)演。術(shù)后影像學(xué)檢測表明：患者骨折復(fù)位狀況良好，內(nèi)固定堅實。

醫(yī)學(xué)領(lǐng)域10大3D打印革新案例

3D打印現(xiàn)在已經(jīng)被用在打印藥品、醫(yī)療設(shè)備，還有針對患者的解剖學(xué)模型以及生物組織等多個方向。醫(yī)學(xué)專家們也都陸續(xù)開始將這門高效且極具個性化的新科技應(yīng)用于醫(yī)學(xué)實踐當(dāng)中，以提高醫(yī)療服務(wù)的水平。在此，我們列出10大3D打印醫(yī)學(xué)革新的案例，用以展現(xiàn)當(dāng)今醫(yī)學(xué)領(lǐng)域3D打印水平。

1.骨骼模型

過去，醫(yī)學(xué)專家們都是通過制作平面解剖圖和掃描圖來診斷患者的健康狀況。如今，通過3D打印，專家們能夠通過分析患者獨(dú)特的MRI和CT掃描圖來打印骨骼的三維模型。而在整形外科中，醫(yī)生可以通過打印復(fù)雜的三維骨骼模型來進(jìn)行術(shù)前實踐，同時也可以利用該模型讓患者對手術(shù)有更為清晰的認(rèn)識。

2.腎臟模型

美國杜蘭大學(xué)泌尿外科的一個醫(yī)學(xué)研究小組曾經(jīng)在一個高難度的腫瘤切除手術(shù)中，利用3D打印技術(shù)制作出高精度的腎臟模型。這些模型以樹脂作為材料，清晰地展示出腫瘤的生長位置。其用途主要是讓患者清晰地了解到自己的病癥，以便于雙方能夠更好地合作來完成手術(shù)。

3.未出生的嬰兒

雖然這并不是嚴(yán)格意義上的醫(yī)學(xué)應(yīng)用，但3D打印確實可以從很大程度上幫助未來的父母親們，讓他們能夠在嬰兒出世前更清晰地看到嬰兒的各項特征。通過超聲波掃描獲得嬰兒的特征數(shù)據(jù)模型，然后將其轉(zhuǎn)換為3D打印格式模型文件，打印出嬰兒的精細(xì)模型，讓父母能夠提早看到自己的孩子。

4.藥片

首個通過FDA（美國食品藥品監(jiān)督管理局）檢測的3D打印藥片叫做Spritam，在2016年5月正式上市。這種藥片是由位于美國賓夕法尼亞州蘭霍恩的Aprecia Pharmaceuticals公司使用改進(jìn)型3D打印技術(shù)開發(fā)的，設(shè)計目的是制造速溶型產(chǎn)品。藥片由藥物粉末結(jié)合水溶性黏合劑制成，在該公司的測試中在僅僅4秒多的時間內(nèi)就完全溶解。這種Levetiracetem（左乙拉西坦）是一種口服藥物，可作為各種癲癇疾病的兒童和成人處方治療的一部分。未來還將會有更多的藥片通過3D打印技術(shù)進(jìn)行研發(fā)制造。而且醫(yī)藥學(xué)研究者還會通過分析各種患者的病征，并利用算法和軟件來開發(fā)新的藥物成分，針對體重、性別、肝功能以及其他各項指標(biāo)來3D打印特效藥物。

5.牙科

在牙科植入手術(shù)當(dāng)中，醫(yī)生通常需要針對牙鉆的具體位置做出準(zhǔn)確的判斷?，F(xiàn)在，F(xiàn)DA批準(zhǔn)的一種新型的牙科部件，叫做Dental SG，能夠讓牙科醫(yī)生在植入手術(shù)中針對牙鉆的位置作出最精準(zhǔn)的決策。這款新部件是利用撓性樹脂，通過3D打印技術(shù)制作，能夠完美地嵌合于患者的牙齒3D打印模型之上。這種方法不僅提高了手術(shù)精準(zhǔn)度和效率，而且加快了患者的恢復(fù)期，可謂兩全其美。

6.自動縫合設(shè)備

Suture是一款正在實驗當(dāng)中的新型手持式自動縫合設(shè)備。由英國皇家波普頓醫(yī)院的專家AlexBerry與他的同事們共同設(shè)計，這款設(shè)備配備了3D打印的樹脂部件，能夠被用于多種需要醫(yī)學(xué)縫合技術(shù)的場合。

7.假肢

對于機(jī)器人領(lǐng)域來說，3D打印的假肢是一個非常激動人心的發(fā)展方向。OpenBionics公司最初創(chuàng)造了開源的3D打印假肢，而且在眾多公益醫(yī)療項目中投入應(yīng)用。另一個組織你或許也聽過，叫做e-Nabling the Future，他們允許3D打印機(jī)的使用者們能夠下載開源的3D打印假肢模型，并打印出各個部件用來幫助殘疾人士。

8.腫瘤模型

如今，3D生物打印已成為整個3D打印產(chǎn)業(yè)當(dāng)中發(fā)展最快的領(lǐng)域之一，很多機(jī)構(gòu)曾預(yù)測其市場將在2024年突破60億美元?，F(xiàn)在，來自愛丁堡的赫瑞瓦特大學(xué)一個研究小組正通過3D打印來制作具有生物活性的腦補(bǔ)腫瘤。該團(tuán)隊將使用患者腫瘤中的干細(xì)胞為材料來進(jìn)行打印，以此來持續(xù)研究腫瘤的生長過程。他們希望利用3D打印的腫瘤來測試各種新型藥物的療效，以便研究出新的腫瘤治療方法。

9.甲狀腺

Vladimir Mironov博士來自于一家剛剛起步的3D生物打印公司，他之前順利通過3D打印技術(shù)制作出了具有生物活性的甲狀腺并成功植入了小鼠的體內(nèi)。這項研究成果為生物器官3D打印領(lǐng)域的開辟了一條新的道路，這之前僅僅在科幻小說中提到過。

10.耳植入

最近，由普林斯頓大學(xué)和約翰霍普金斯大學(xué)的研究團(tuán)隊成功3D打印出了具有“超能力”的人耳，這只耳朵可以“聽”到超越人類聽力范圍的無線頻率。這項技術(shù)是通過將摻有牛細(xì)胞的凝膠狀液體以及微小的銀粒送入打印機(jī)，打印機(jī)經(jīng)過特殊程序設(shè)計，將這些材料塑造為仿生耳朵，并將銀粒做成螺旋狀天線的形狀。這只人造耳具備了人耳所擁有的軟骨結(jié)構(gòu)，而安置在耳朵內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)天線則可以組成耳蝸螺旋。這樣，它就幫助聽覺神經(jīng)末梢有問題的患者重新恢復(fù)或提高聽力能力。

以上10大案例僅僅是快速發(fā)展的醫(yī)學(xué)3D打印中的冰山一角，還有更多令人驚訝的3D打印醫(yī)學(xué)應(yīng)用正在處于低調(diào)的研究階段。無論如何，3D打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的初步應(yīng)用，已經(jīng)顛覆了人們對現(xiàn)有醫(yī)療的認(rèn)知，眾多發(fā)達(dá)國家都投入了足夠的人力及資金，以期將此作為人類健康的全球戰(zhàn)略。