醫(yī)療3D打印的三大革命性成果與五大生命階梯

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醫(yī)療3D打印可說是時代發(fā)展的必然產(chǎn)物，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使得數(shù)字化醫(yī)療及精準(zhǔn)醫(yī)療已經(jīng)走過了從探索、研究、科學(xué)實踐的初級階段，到今天全球范圍內(nèi)已經(jīng)開始了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域廣泛的、深層次的研究及臨床轉(zhuǎn)化的第二個階段。

巨大的臨床數(shù)據(jù)及海量的CT、MRI等影像數(shù)據(jù)為數(shù)字化精準(zhǔn)醫(yī)療奠定了基礎(chǔ)。而3D打印技術(shù)正是基于此，從量化、可視、可控等方面進一步研發(fā)，獲得真實的病理仿真及模擬，從而輕松獲得了病理模型，籍此將傳 統(tǒng)的兩維度平面的信息，轉(zhuǎn)化為三維實體，進一步幫助臨床醫(yī)生量化了其所掌握的經(jīng)驗及技術(shù)。

人體替代部件的巨大需求，替代傳統(tǒng)非個體化的植入件的巨大需求以及巨大的市場商機，是醫(yī)療3D打印技術(shù)發(fā)展的推動力，使得組織工程技術(shù)成為生命科學(xué)領(lǐng)域的前沿技術(shù)和投資界高度關(guān)注的重點行業(yè)。

3D打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的兩個革命性應(yīng)用

3D打印的產(chǎn)品有兩類，第一類是無生命3D打印產(chǎn)品，第二類是生物3D打印產(chǎn)品，無論哪一類都需要給予數(shù)據(jù)的挖掘，要把有些具體的東西，比如說細胞與細胞之間、細胞與基質(zhì)之間的相互作用，它形成了一個什 么樣的三維結(jié)構(gòu)，等等，解析出來，使這個重建的三維組織能執(zhí)行更高級的生理功能。那么就必須做一些結(jié)構(gòu)的解析、定量的分析、標(biāo)識、組織構(gòu)建等等一系列的工作，才能將人體的組織跟器官完整的還原。

無生命產(chǎn)品的3D打印其實在醫(yī)療行業(yè)的應(yīng)用也是非常廣泛的，比如說大家比較熟悉的金屬3D打印，比如說鈦合金的，還有一些不銹鋼的3D打印，他一般可以做成人體的標(biāo)準(zhǔn)的替代部件，比如說植入的螺釘，還有固定 的鋼板，還有一些修復(fù)的一些組織，這些都是金屬的，它也是無生命的。

無生命產(chǎn)品是最早被認(rèn)知、被應(yīng)用起來的3D打印。比如說，在美國，2014年有一家新的公司上市，它有很多產(chǎn)品已經(jīng)獲得了FDA的一些認(rèn)證；也在2014年年底的時候，中國也開始有相關(guān)的政策出臺；2015年8月份，中 國有了一個標(biāo)準(zhǔn)器械的關(guān)于3D打印金屬打印的一個注冊證，這也是中國在3D打印金屬產(chǎn)品方面取得的一些成績和國家政策的一些認(rèn)可。

無生命的3D打印產(chǎn)品，做出來的病理模型可以將原來的二維的信息變成三維的信息，原來隱藏在背后的一些信息看不見，現(xiàn)在有了一個病理模型，就可以從各個角度對它進行觀察，方便醫(yī)患溝通；此外，無生命的3D 打印產(chǎn)品做出來的病理模型，可以方便醫(yī)生將它進行量化，做手術(shù)前的模擬演練，比如說粉碎性骨折，創(chuàng)傷面、碎成多少小片、粉末等等，可以在這個模型上看得非常清楚，然后做一些手術(shù)的規(guī)劃，準(zhǔn)備手術(shù)中要使 用的器械。還可以提前進行方案優(yōu)化，到時候帶進手術(shù)室的就不像以前要推好幾車，手術(shù)時間也可以大大縮短，同時可以有把握地手術(shù)。

無生命的3D打印有幾項革命性的成果：

1、基于三維的解剖結(jié)構(gòu)，可以對將要做的手術(shù)做一些非常精準(zhǔn)的小器械，我們把它叫做手術(shù)導(dǎo)航板。比如說要在患者的脊椎上面打孔，要置螺釘，我們根據(jù)患者的脊椎比如說椎弓根的解剖結(jié)構(gòu)做一個精準(zhǔn)的匹配的一 個小的擋板，使得醫(yī)生在術(shù)前做了規(guī)劃以后，手術(shù)中使用這個導(dǎo)航板精準(zhǔn)地將螺釘打入椎弓根，避免傷到脊椎上豐富的血管和神經(jīng)。手術(shù)前做到心中有數(shù)，將醫(yī)生原來頭腦中的經(jīng)驗進行量化，做了術(shù)前的演練，手術(shù) 的成功率也會大大提高。

2、個性化的植入、個性化的定制。比如說有個患者得了結(jié)核性的骨病，骨結(jié)構(gòu)受到了一定的損傷，他已經(jīng)失去了原來的一些骨質(zhì)，在影像當(dāng)中就顯得那塊有一個很大的缺損。他要在手術(shù)中使用一些標(biāo)準(zhǔn)的植入物，比 如說做一個關(guān)節(jié)，這種關(guān)節(jié)在使用過程當(dāng)中找不到依靠的地方，找不到固定的地方，找不到位置，通過3D打印就可以做一個精準(zhǔn)的適合這個患者的完整的解剖結(jié)構(gòu)，這個解剖結(jié)構(gòu)完美地與他剩余的組織匹配，從而給 下一步的手術(shù)做鋪墊。這種針對組織性缺損的個性化器械的植入，使得有一些無法做的手術(shù)現(xiàn)在有機會了。有一例非常典型的案例，就是深圳的“鐵肩女”，她是一個骨腫瘤的患者，由于骨腫瘤侵蝕了她肩胛骨的15% 的骨質(zhì)，讓醫(yī)生處理起來非常為難。她當(dāng)時有兩個選擇，第一保守治療，她的骨質(zhì)會繼續(xù)流失，到時候可能會造成殘廢甚至危及生命。第二是采用3D打印的技術(shù)，將她骨腫瘤的那塊切掉，不需要完全截肢，再給她制 作一個與她周圍組織相匹配的肩胛骨，之后手術(shù)就有可能做了。

3、在國外無生命的3D打印也會用在比如說人造器官，在中國，北大三院做過脊椎、骶骨，這些都非常有革命性。

生物3D打印產(chǎn)品，相對來說比較陌生。目前生物3D打印產(chǎn)品在國際上的趨勢有幾種：

做一些3D打印的生物材料，然后用這些生物材料覆蓋細胞讓它長一些細胞。種植一些細胞，然后把它進行培養(yǎng)，做成一種活性組織；

生物相容性的材料，還包括生物可降解的材料，復(fù)合上細胞，同時打印。比如說可以做一個血管，可以做一個脂肪組織等等；

還有一種，是直接在人體里面進行一些修復(fù)和構(gòu)建，這就是完全基于細胞的3D打印。

對于生物3D打印，國內(nèi)其實也有很多的院校相繼投入了大量的資金、人力、物力在做研究，也取得了一些成績。從國際上來看，中國的生物3D打印跟國外幾乎同步，個別的領(lǐng)域可能還要超過他們，但是有一個問題， 中國的這種3D打印的技術(shù)由于基礎(chǔ)的研究比較薄弱，包括在這個上面的相關(guān)的知識產(chǎn)權(quán)比較少，在目前看來好像沒什么問題，可能隨著時間的推遲，隨著時間可能會國外的專利可能會引起一些問題。

生物3D打印可能要有很多準(zhǔn)備過程：首先，是對生物材料的選擇；其次，目前市場上現(xiàn)有的打印機可能還不足以滿足你的要求，可能要對它進行底層的改造，甚至自己要重新來做；要非常熟悉組織的結(jié)構(gòu)；還要非常 清楚和把握對于組織的構(gòu)建。我們所接觸的整個行業(yè)，大家都在從醫(yī)學(xué)的角度去了解它，從細胞的角度去了解它，而忽視了這種交叉學(xué)科的應(yīng)用。在生物材料以及用數(shù)據(jù)解析人體組織相對來說比較弱，恰恰是這兩點 ，阻礙了生物3D打印的發(fā)展。

在構(gòu)建一個組織的時候，首先要知道這種組織所使用的材料是什么，或者是有什么樣生物可降解的材料，植入人體以后，它能夠保證骨的生長，同時能在身體里面保證這種相容性，與其他的組織之間的相互關(guān)系能保 持得非常融洽，同時它又能降解，比如說降解成水被人體充分吸收。

接下來就可以構(gòu)建，如果你要去解析一個組織，比如說要做一個骨骼，人體從頭到腳的骨骼結(jié)構(gòu)其實是不一樣的，有些是防止外界的撞擊，起到對內(nèi)部組織的保護，有些需要承重，有些需要平衡，有些需要產(chǎn)生血細 胞、紅細胞等等。由于它的功能不一樣，骨從頭到腳的結(jié)構(gòu)也是不一樣的，尤其它的細胞組織是不一樣的。2015年12月，劍橋、美國的哈佛相繼有革命性的一些研究出來，證實了人的顱骨骨干細胞來自不同的干細胞 群，與人體的其他骨骼的干細胞群是截然不同的。

了解了人體的從頭到腳骨骼的結(jié)構(gòu)以后，就要想辦法把它構(gòu)建出來，仿生出來，為細胞在里面的生長創(chuàng)造一個良好的條件，這樣細胞才能在里面進行擴增、代謝、遷移，然后生成相關(guān)的組織。然后做出來的東西，植 入人體以后，細胞繼續(xù)生長，這種結(jié)構(gòu)在滿足細胞生長的前提下，會一步一步地降解，人體中壞死的或者由于手術(shù)切除以后缺損的組織就會得到修復(fù)。

細胞、基因測序、基因編輯、生物的3D打印，這些其實都是息息相關(guān)的。為什么這么說呢？如果要構(gòu)建一個完整的骨骼，然后讓細胞在上面去擴增，把它發(fā)育成完整的骨骼結(jié)構(gòu)，這種細胞首先要比較健康，也就是種 子細胞要比較健康。如何才能做一個完整的健康的種子細胞呢？你要進行測序，對細胞進行編輯，去除掉一些病毒性、影響到免疫的、排異性的東西，對它進行編輯，把相關(guān)的東西摘除掉在體外進行培養(yǎng)，這種種子 細胞液就是健康的。

同時由于細胞在體外的培養(yǎng)和體內(nèi)還是截然不同的，體內(nèi)的環(huán)境更復(fù)雜，除了人體本身的基質(zhì)以外，還受到你飲食、環(huán)境、甚至情緒的影響，隨時讓細胞的生長環(huán)境產(chǎn)生一些變化，使得基質(zhì)的濃度，或者其他的代謝 物、生長因子等等發(fā)生相關(guān)的變化。而在體外進行的細胞培養(yǎng)其實相對來說比較可控，它有標(biāo)準(zhǔn)的基質(zhì)，它可以實時受到控制，對它進行添加，對它的排泄物進行清除等等，使得細胞在體外培養(yǎng)、擴增的時候，能得 到一個非常良好的環(huán)境。

但是體外的細胞培養(yǎng)完以后，我們把它種植在用3D打印的這種組織結(jié)構(gòu)上，比如說骨頭上，這種從體外移植到體內(nèi)的骨骼組織會不會產(chǎn)生變化呢？其實變化是有的，大量的實驗證明這是有的，跟培養(yǎng)的技術(shù)有關(guān)系， 與構(gòu)建的技術(shù)也有關(guān)系，干細胞尤其是多能干細胞定向又變成骨骼細胞的時候，有些就會產(chǎn)生癌變，在基質(zhì)上進行培養(yǎng)以后，把它植入到人體以后這種癌變隨著就會進入人體了。所以要用到基因編輯和基因測序，將體外進行培養(yǎng)的細胞進行測序，看它是否有癌變，如果沒有癌變就是一個完整的健康的細胞，種植培養(yǎng)移植。

這個技術(shù)現(xiàn)在在國內(nèi)外都在同步研究，目前來說，大家都亟需解決的一個問題，就是干細胞的種類足夠多，大家都知道其實在國內(nèi)外做干細胞的現(xiàn)在比較多，能完整的控制它的定向誘變的條件也是非常苛刻的，它有 優(yōu)勢，其實也有缺陷，但無論如何，它結(jié)合3D打印技術(shù)已經(jīng)在健康領(lǐng)域大顯身手。

3D打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域演進的五個生命階梯

這里要重復(fù)一下“再生”的概念，其實這種再生就是生物醫(yī)學(xué)的工程，生物醫(yī)學(xué)加工程學(xué)的概念，它將人體，將人體被損害的組織器官，失去功能的組織器官，使它重新具備原來的生理功能，這個過程就叫再生技術(shù)。

說到再生技術(shù)，離不開干細胞，干細胞其實是在體外對它進行定向的誘變，然后將它進行擴增，把它定向誘變成定向的比如說骨細胞，就是我們說的種子細胞，結(jié)合這種組織器官的構(gòu)建，把它進行活性培養(yǎng)，然后進 行臨床的治療，最后可能得到一個臨床的檢驗，然后反反復(fù)復(fù)地提高質(zhì)量。再生醫(yī)學(xué)，尤其是干細胞，是最關(guān)鍵的技術(shù)，也是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

3D打印在醫(yī)療健康行業(yè)革命性的五個生命階梯，分為：

無生命體

簡單生命特征

活性組織

復(fù)雜組織器官

完整生命體

無生命體，前面有講，比如病理模型的構(gòu)建，個性化器械的應(yīng)用，個性化的植入的應(yīng)用，還有一些手術(shù)的導(dǎo)航板的應(yīng)用；有簡單生命特征，就是基于生物材料構(gòu)建的一個簡單的組織，對它進行了簡單的細胞培養(yǎng)，使 它具有了一些非常簡單的生命特征，比如說生長、相容；活性組織前面也講了，比如說骨骼是一個活性組織，比如說顱骨、股骨、脛骨等等，這是硬組織，也屬于活性骨骼?；钚越M織還有什么呢？目前能做得到的還 有血管、靜脈血管；復(fù)雜的組織器官有肝臟、心臟、腎臟等等；第五個是完整的生命體，其實復(fù)雜的組織器官能做了，也許有一天就能組合，對不對，這些都是有可能的。

3D打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及局限

我們以骨骼為主，當(dāng)然主要是用在骨科，延伸還有口腔頜面科學(xué)、神經(jīng)外科、心胸外科還有其他的普通外科，應(yīng)用領(lǐng)域是極其廣泛的。

前面講了病理模型的構(gòu)建、導(dǎo)航板的應(yīng)用，這在神經(jīng)外科應(yīng)用也是非常典型的。比如說人的腦袋里面有神經(jīng)損傷，對它進行修復(fù)，首先要對病理的神經(jīng)進行數(shù)據(jù)還原，得到病理模型，這種病理模型的數(shù)據(jù)其實極其復(fù) 雜，對他進行解析以后，對它植入的修復(fù)材料進行導(dǎo)航，把材料或者相關(guān)的藥物送達到缺損的部位，這就是導(dǎo)航板的使用。然后損壞的神經(jīng)在藥物或者是其他物理的干預(yù)下，要生長，進行修復(fù)，那么這種手術(shù)中的導(dǎo) 航板又可以引導(dǎo)它向另外一端發(fā)展，然后把它結(jié)合起來。

不管是有生命的還是無生命的3D打印產(chǎn)品，其實當(dāng)中的任何一個東西的產(chǎn)生，需要的數(shù)據(jù)或者是過程相當(dāng)復(fù)雜，可能還牽扯到其他的學(xué)科，比如說生物力學(xué)、運動力學(xué)等等，相關(guān)的數(shù)據(jù)融合，最后才能做成一個完整 的科學(xué)的東西出來。

其實任何一個學(xué)科，尤其是一個新興的學(xué)科，一個創(chuàng)新的東西，它都不是完整的。

首先是技術(shù)的儲備不足?？赡芸鐚W(xué)科到了化學(xué)、物理、計算機、自動化等等學(xué)科，基礎(chǔ)研究到目前來說做得不是很充分，需要充分地融合。

第二個是知識產(chǎn)權(quán)的嚴(yán)重不足。起步比較晚，尤其是基礎(chǔ)行業(yè)的研究知識產(chǎn)權(quán)比較少，如果是自己不做知識產(chǎn)權(quán)保護的話，在以后的產(chǎn)業(yè)化當(dāng)中可能會遇到問題。所以在做這個東西的時候，我們的經(jīng)驗，就是要做大 量的發(fā)明專利來保護相關(guān)的東西，甚至要做一些PC機的審批，同步申請國際的一些保護。知識產(chǎn)權(quán)要相當(dāng)?shù)刂匾暎麄€行業(yè)對知識產(chǎn)權(quán)的重視嚴(yán)重不足。

還有法規(guī)問題。美國從2014年開始極力地支持3D打印技術(shù)在臨床的應(yīng)用，中國積極跟進，包括歐洲、澳大利亞都積極跟進。中國相繼出來三個政策，2015年年底第一個，2016年連續(xù)出了兩個，尤其是最近已經(jīng)支持到 只要有相關(guān)知識產(chǎn)權(quán)的可以申請綠色通道。

最后我簡單總結(jié)一下，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?；?D打印技術(shù)的再生醫(yī)學(xué) 組織工程，已經(jīng)成為繼人類基因大規(guī)模測序完成之后，生命科學(xué)中最活躍的發(fā)展領(lǐng)域之一及科技競爭的焦點，在國際性的產(chǎn)業(yè)競爭熱潮來臨之前，掌握關(guān)鍵技術(shù)就獲得了生命科學(xué)前沿技術(shù)的制高點。

醫(yī)療其實是綜合學(xué)科，是跨學(xué)科的，需要眾多的跨界的交叉的研究，交叉的臨床實驗，才能做出一個完整的創(chuàng)新的東西。來自各種學(xué)科的數(shù)據(jù)需要融合，需要合作。3D打印本身目前來說有它的局限性，比如說人們無 法對復(fù)雜的臟器進行全面的認(rèn)知，需要大量的時間去做，但無論如何這都是可以預(yù)期的。包括我們在內(nèi)，能做到現(xiàn)在的程度，都是站在巨人的肩膀上，實踐并創(chuàng)新。

醫(yī)療3D打印也必將改變我們對疾病的控制，面臨以前不能治療的疾病時，我們又多了一項新選擇。

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