3D打印大有可为！剖析生物3D打印在医疗行业的5大技术阶段

一、3D打印产业背景

增材制造（简称3D打印）是以数字模型为基础，将材料逐层堆积制造出实体物品的新兴制造技术，在个性化定制、复杂结构部件制备等方面具有显著优势，正在对传统制造工艺流程、工厂生产加工模式及整个制造业产业链产生重要影响，是制造业典型的颠覆性技术。

全球范围内新一轮科技革命与产业革命正在萌发，3D打印产业将迎来巨大的发展机遇。

我国高度重视3D打印产业，将其作为《中国制造2025》的发展重点。

2017年，国家发改委、工信部、教育部等12部门联合发布《增材制造产业发展行动计划（2017-2020）》，确定了四大领域成为3D打印应用重点：重点制造（航空、航天、汽车等）、医疗、文化以及教育。

2019年中国3D打印市场规模已接近30亿元，而医疗3D打印应用所占市场份额已达到12.3%，仅次于航空航天、汽车和机械行业，位居第四。

图表 1 我国3D打印重点领域分布

数据来源：众成医械研究院整理

二、3D打印在医疗行业的发展

近期，《Biofabrication》主编孙伟教授等发表“The Bioprinting Roadmap”（生物3D打印路线图），从生物3D打印的各个层面提出目前现状、存在的问题与未来的可能路径，从构造单元层面上提出了生物3D打印的五个阶段：

图表 2 生物3D打印各阶段技术内容及应用

资料来源：众成医械研究院整理

生物3D打印领域涉及各个分支研究方向，包括细胞增殖、生物墨水开发、干细胞打印、类器官生产、血管构建、体外模型、器官芯片、多细胞工程生命系统、太空生物打印与生物3D打印工艺。随着这几年各领域人才的通力合作，生物3D打印已经在各个应用领域都有深度的发展和演变。

三、3D打印在医疗行业的应用

众成医械研究院依据上述生物3D打印的五个技术阶段，整理了3D打印在医疗行业中的应用情况：

阶段一：手术模型及规划

3D打印术前模型采用3D打印计算机辅助手术“个性化”治疗方案是利用CT图像、计算机三维重建、快速成型构建患病部位模型和三维手术设计模拟技术，在术前能多视角观察，使患病器官能更完整、直观、立体地展现出来，准确评估病症。

心脏模型：在心脏瓣膜置换手术方面，2019年空军军医大学西京医院心血管外科成功实施亚洲首例3D打印指导下的经导管二尖瓣瓣中瓣置换术。

在术前，治疗团队通过CT技术获取数据，利用3D打印技术制作心脏3D模型，结合预设模型，精准解剖风险评估和手术模拟，进一步明确手术指征和方案。

图表 3 心脏模型3D打印

资料来源：众成医械研究院整理

颅骨内血管模型：此外在颅骨损伤修复方面，基于CT扫描重建后的颅骨三维体数据，利用骨骼化算法提取颅骨内血管，并通过形态学区分主血管与毛细血管的关系，统计分析颅骨中血管的详细数据，可为后续3D打印颅骨支架提供良好的理论依据。

图表 4 颅骨内血管3D打印

资料来源：众成医械研究院整理

口腔修复模型：口腔修复模型是用口腔扫描仪或其他3D扫描仪得到的牙齿数据所打印的修复模型以及牙龈模型，将术前虚拟设计的种植体方案精确转移至患者口内的个性化手术辅助工具。

它可以帮助在手术中精确地控制种植体植入的位置、方向、角度甚至深度，辅助医生的种植体植入，使最终的种植修复与术前的理想设计方案实现统一，有效降低手术风险、缩短治疗时间。

图表 5 口腔修复模型3D打印

资料来源：众成医械研究院整理

阶段二：义肢与骨科植入物

义肢：当前3D打印的义肢已完成商业化，不仅能依据肢体形状大小量身定制，甚至能定制个性化图案及功能。美国纽约的人造义肢公司Unlimited   Tomorrow在2019年的国际消费电子展(CES)上展出了一套配备了肌肉传感器和一套人工智能控制系统，二者相互协同合作，可协助截肢儿童重新恢复抓取物体的能力。

图表 6 义肢3D打印

资料来源：众成医械研究院整理

骨科植入物：此外，在2016年，陆军军医大学附属一院创伤关节外科团队攻克了个性化多孔钽设计、钽粉制备、3D打印设备及工艺等一系列具有自主知识产权的关键技术。

2017年完成全球首例个性化3D打印多孔钽假体植入人工全膝关节置换翻修术，目前已完成27例3D打印多孔钽临床试验研究。

同时，通过团队攻关，制造出了全球第一个电子束3D打印金属钽3D打印机，实现了对钽粉末的3D打印。

图表 7 全球第一例个体化3D打印钽金属垫块

资料来源：众成医械研究院整理

阶段三：脑（脊）脊膜补片与人造皮肤修复体

脑（脊）脊膜补片：当脑膜受损时，通过3D打印技术快速打印成型对应的脑膜，贴在大脑的受损处，令脑细胞自动生长延伸，连接受损部位形成新生组织。

广州迈普公司开发的“睿膜”，成为了世界上第一个生物3D打印的生物可吸收硬脑（脊）膜，并成功实现产业化和商品化。它被誉为世界上最接近自体、修复效果最理想的生物可吸收硬脑（脊）膜。

图表 8 “睿膜”的应用过程

资料来源：迈普官网

人造皮肤修复体：多伦多大学（UOT）的一个研究小组在《LabonaChip》（芯片实验室）期刊上，发表了一篇题为“手持式皮肤打印机：原位形成平面生物材料和组织”的文章，介绍一种新的3D生物打印设备，手持式生物笔能够在深度伤口上，两分钟内完成打印皮肤组织，并加速愈合过程。

便携式3D皮肤打印机可以在原位形成组织，将其放置到位，它能在两分钟以内完成打印。

图表 9 人造皮肤修复3D打印

资料来源：LabonaChip 期刊

该手持式3D生物打印机该技术有望为大面积烧伤患者实现皮肤修复与治愈。它使用薄纸和特殊的生物墨水，可以改善组织的再生。

将组织片放置在伤口区域的特定部位，形成有效再生受损皮肤的基部，最后生物墨水材料沿着每张薄页纸的内部以垂直条纹运行，为皮肤伤口的愈合提供便宜实用的手持式治疗设备。

阶段四：器官芯片

中国科学院院刊将器官芯片定义为一种在芯片上构建的器官生理微系统，以微流控芯片为核心，通过与细胞生物学、生物材料和工程学等多种方法相结合，在体外模拟构建包含有多种活体细胞、功能组织界面、生物流体和机械力刺激等复杂因素的组织器官微环境，反映人体组织器官的主要结构和功能体征。

目前科学家们已经为所有器官创建了工作模型，包括肝脏、肺，甚至是女性生殖系统。

大连理工大学的研究团队研发出了一种芯片系统，该芯片系统由多种模块自上而下依次叠加构成，集成了肠、血管、肝、肿瘤、心、肺、肌肉和肾等细胞或组织，并有“消化液”，“血液”和“尿液”贯穿其中。

图表 10 人体器官芯片3D打印

资料来源：众成医械研究院整理

阶段五：器官打印

2019年4月，以色列特拉维夫大学对外宣布：他们使用3D生物打印技术打印出世界第一个可移植心脏！这是人类史上第一次成功地设计并打印出完整的心脏，包括细胞、血管、心室和心房。

整个打印过程包括了提取患者脂肪细胞，分离细胞材料，将细胞重新编程为有效多功能干细胞和分化心脏细胞或血管内皮细胞，细胞外基质，以及一个三维的外大分子网络，例如胶原蛋白和糖蛋白。

所有材料再被加工成一个个体化的水凝胶，作为打印机的生物墨水来使用，用于打印病人特有的，与其血管相容的心脏补片，或者是一个完整的心脏。预计今年将通过该技术完成对动物的心脏移植。

图表 11 人工心脏3D打印

资料来源：众成医械研究院整理

四、发展趋势

当前3D生物打印已跨过第一、第二阶段，在医疗模型、诊疗器械、康复辅具、假肢、牙齿及人工关节等方面催生出了一个产业链雏形。

北美市场已有超过10万个3D打印髋关节植入物的术后测评结果，已实现为每例患者进行量体裁衣，制定个体化治疗方案，将使患者获得最大的益处。

然而3D生物打印在技术层面上仍然有几大限制：

1、需要更多功能性、细胞友好型的生物墨水用于打印；

2、需要更好的工艺与打印机，制造高存活率和高精度兼顾的模型；

3、需要更快、更强的交联剂，保证打印体的完整性与稳定性；

4、需要借助微流控技术来制造更长期的生理模拟系统。

我国政府也正加快解决3D生物打印技术应用面临的标准化问题，2020年3月5日，国家标准委等6部门联合印发了《增材制造标准领航行动计划（2020-2022年）》，将行动目标确定为到2022年，基本建立3D打印新型标准体系：

1、3D打印专用材料、工艺、设备、软件、测试方法、服务等领域“领航”标准数量达到80-100项，形成一大批具有竞争性、引领性的团体标准，充分发挥对3D打印技术创新和产业发展的引领作用。

2、推动2-3项我国优势3D打印技术和标准制定为国际标准，3D打印国际标准转化率达到90%，3D打印标准国际竟争力不断提升。

结语：

我们相信未来中国3D生物打印技术难题的攻克以及新型标准体系的建立，将全力推动国内医疗行业的加速发展