3D打印让人“换脸重生” 或给医学带来重大变革

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　　听说北京有3d打印机的展览，6月2日，军事医学科学院卫生装备研究所的王研究员专程从天津赶到了北京。遗憾的是，他跑遍了北京大大小小的展览馆却没有找到，原来，展览在京交会上已经展出，并于前一天结束。虽然扑了个空，但王研究员仍然兴奋地告诉记者：“3D打印技术发展潜力巨大，很可能改变卫生装备未来的研究方向。”


　　3D打印让人“换脸重生”


　　英国一位60岁的男性埃里克•墨因，因患恶性肿瘤被切除了几乎整个左脸，一度连吃饭喝水都成问题。如今他又拥有了一张新的脸庞，正是医生利用3D打印技术帮其实现的。
　　3年前，埃里克•墨因被诊断患有癌症，左侧脸颊长出一个网球大小的恶性肿瘤。虽然肿瘤被成功切除，但埃里克不仅失去了左眼，就连左侧颧骨和大部分下颚骨也被切除，整个左脸上留下一个大洞，只能借助胃管进食。最近，埃里克被引荐给了英国伦敦皇家医院的牙医兼移植专家安德鲁•达乌德，达乌德医生利用 3D打印技术帮埃里克重塑了他的左脸。
　　手术的具体步骤如下：先通过X光断层扫描(即CT扫描和面部扫描技术)，对埃里克的右脸及头骨轮廓进行确认;然后利用镜像原理在电脑中构建出埃里克左侧面部;再利用3D打印技术打印出一个钛金属质地的支架，取代被切除的骨头植入埃里克的左脸;最后利用3D打印出来的尼龙塑料面部模型，制作和埃里克脸部完全贴合的硅胶面具，固定在其左脸最外层。现在埃里克看起来和正常人别无二致，并且可以正常喝水进食，说话也更清晰了。
　　这只是3D打印技术在医学领域应用的冰山一角。随着该技术的发展，我们能在电影里看到的神奇、科幻景象将有可能变为现实。


　　3D打印技术早已出现


　　谈及3D打印技术就不能不提及第三次工业革命。所谓的第三次工业革命即数字化革命，包括计算机辅助设计、互联网技术和数字化制造技术。其中数字化制造技术也就是快速原型技术，后被形象地称为3D打印技术。
　　“3D打印技术其实并不是什么新鲜事物，早在上世纪90年代中期便已出现。如今又被拿出来大肆宣传，可能是某种营销的需要。现在整形外科医院和上海第九医院都已经有了这种3D打印设备。”中国医学科学院整形外科医院院长、上海交通大学医学院附属第九人民医院副院长曹谊林谈到。
　　在人们生活的各个领域都涉及各种个体化的问题，我们需要一些个体化的设计，这些设计有时非常复杂和特殊，而需求量却很少。这种情况下，我们都可以通过快速原型技术(3D打印技术)来解决。中国工程院院士、上海交通大学医学院附属第九人民医院戴尅戎教授介绍说：“传统的车床、刨床等工业制造是在做减法，将一块工业原料，去掉不需要的部分，最后形成产品。而3D打印技术是通过一层一层打印制成产品，是一个加法的过程，这是制造业的一项重大革命。”
　　上文提到的王研究员告诉记者，“最初研究该技术时，普遍认为研究对象应是结构复杂、制造批量小、体量小、材料单一的东西。只有这样，3D打印技术才能得到充分应用。”但如今，3D打印技术已经可以做到打印塑料、金属、陶瓷甚至金属物品，直接打印出飞机零件、自行车、汽车也已成为可能。如此一来，在医学领域，人体所需要的骨骼、内置物等也可根据个体差异需求，打印出最适合个人的产品，这无疑将给患者带去福音。
　　被誉为中国“换脸”手术第一人的第四军医大学西京医院整形外科主任郭树忠告诉记者，近年来，3D打印技术确实很火，目前他们正在酝酿与国防科技大学医学院就3D打印技术方面展开合作。但就目前情况看，能立即应用3D打印技术的医学领域还只是一部分，获得广泛应用还有很多瓶颈需要突破。


　　3D打印虚拟模型应用最广


　　一般情况下，医生只能通过放射科的二维影像了解患者的情况。而3D打印技术可以将患者的病灶通过扫描完整地打印出来，形成三维的、可以拿在手中的模型。如此一来，医生便能更为直观地了解患者情况，便于后续治疗的开展。
　　王研究员以CT成像为例解释了3D打印技术。CT实际是针对人体的计算机断层扫描系统，即人在检查时，将人体纵向不断地按一定厚度切割。这个机器把人身体或者头部断层扫描，然后到计算机里做三维重建，三维重建后计算机出来的头部或者身体是虚拟的头部或身体。而3D技术是将电脑里呈现的虚拟的头部或者身体打印出来，把虚拟的影像打印成实体。
　　曹谊林向记者介绍说：“在整形外科医院，我们经常运用3D打印技术治疗颅骨损伤的患者。通过扫描，得出颅骨损伤计算机辅助设计(CAD)模型图，然后通过3D打印设备打印出受伤颅骨的完整形态，我们就能对患者的情况一目了然。同时可根据模型上的细节设计手术，进而开展模拟手术，使真正手术时更加得心应手。这是当前3D打印技术在医学领域最为广泛的应用之一。”
　　3D打印技术在骨科应用也很广泛，主要集中在关节外科。可根据患者的个体差异，将已知的CAD数据输入电脑，便可打印出符合患者需求的个性化骨骼关节。戴尅戎谈到，要想使打印的再生骨更具仿生效果，就需要对骨骼每一个横断层的密度进行精确测量，而非同一密度。这便要求在制造时要有合适的材料、合适的数量、合适的时间、合适的位置以及正确的结构。而这些通过3D打印技术已经能够实现。


　　3D生物打印有待突破


　　不久前，美国维克•弗里斯特再生医学研究所所长、外科医生安东尼•阿塔拉在TED演讲时，当众捧出了一个通过3D打印而成的肾脏!这个粉红色的器官柔软圆润，甚至有点粘手……全场观众立即起立鼓掌。安东尼•阿塔拉医生展示的打印肾脏，虽然还不具备功能，无法用于移植，但已经比打印塑料耳朵模型进了一大步。
　　英国《经济学人》杂志提到，器官3D打印，有赖于生物材料、干细胞、组织培养等多学科的科技突破。有的技术路线，是先用生物材料打出“骨架”，再在它上面进行干细胞培养，诱导形成组织;有的则设想直接打印生成器官;更大胆的想法是用打印机直接在人体上打印，连植入都省了。
　　曹谊林对此表示，生物医学打印，还有很长的路要走。“当前，医学界也在尝试，看能否直接打印出一个肝脏、肾脏等。诚然，打印出某个器官的模型是不成问题的，但若是将细胞组织逐层打印，则还有很长的路要走。”以肝脏为例，肝脏中包含多种细胞，肝小叶细胞、胆管细胞等等，都需要附着在可降解的材料上。实际上，按照这种理论，打印出细胞材料的肝脏并不是很大的问题，关键在于打印出产品细胞的损伤、相容性等还不能达到理想状态。现在很多科学家都在研究这项技术，3D生物打印仍有许多问题需要突破。
　　郭树忠表示，将来我们可以在隆鼻、隆胸等项目上打印一个假体，用来满足临床治疗的需求。但目前虽然技术完美，材料却尚未能满足需求，因此这种技术尚在研究之中。3D技术是革命性的技术，但是它的突破不在于3D技术的突破，而在于材料的突破。因为人的组织不同，当所有细胞的材料都能输出时，技术上才有可能突破，最终满足打印需求。


　　3D打印终将带来变革


　　恩格斯曾经说过，社会一旦拥有技术上的需求，则这种需求把科学推向前进的能量将超过10所大学。3D打印技术或许正是社会的一种极大的需求。
　　“相比老鼠背后长出人耳，3D打印出人耳要更进一步、更精确。”曹谊林谈到，老鼠背后长人耳需要人工一点一点完成，而3D打印技术则是通过计算机进行数制，更为精确。但组织工程需要的是特定的材料，而3D打印技术却并非所有材料都能打印，在这方面还有待突破。“3D生物打印是3D打印的一个重要方向，是能够给医学带来重大变革的方向。”
　　由于器官来源严重短缺，我国的器官移植事业也走到了一个关键的十字路口。面对每年150万的巨大缺口，郭树忠在谈及未来发展时笑着说：“汽车坏了，有备用零件，如车后的备用轮胎。但是上帝造人的时候忘记了给我们造备用零件。所以我们的任务就是，把上帝忘记的事自己做一下。”
　　“革命性的新药需要10~15年的时间进入市场，投资成本更是一笔天文数字的开销。”武汉钢铁集团第二职工医院副主任医师纪光伟谈到，人体器官切片可以使研发周期减少至10年，关键是成本可减半。如果3D生物打印技术能够成功打印器官，不仅仅是亟待器官移植患者的福音，更重要的是，3D打印出的器官还能够帮助新药更快的实现试验，以替代临床试验，缩短新药上市周期。
　　关于未来生物医学工程，王研究员畅想，3D技术的应用范围可能会越来越广。目前，只要将一张平面图放到计算机里，通过软件即可生成三维图象，在设计上的技术已经很成熟。而通过3D技术将三维立体图象打印出实物，成为研究者手中直观的模型，从而帮助科研工作者不断地进行设计上的优化、结构上的优化，加速生物工程医疗领域中医疗设备、仪器、甚至是仪表的设计。“所见即所看，所看即所出，在各个领域都有实际意义。”王研究员最后评价。