3D打印医疗技术掀起新医学产业革命

体外医疗器械
3D打印技术在医学领域的应用正变得越来越普遍。 几乎每一天，我们都会在杂志、报刊上看到利用3D打印机修 复受损心脏、四肢、手指、神
经的报道。 3D打印技术的倡导者认为，这项技术能让人类享受更多 民主，因为可打印的东西越来越个人和私密。不管你相 信与否，我们正在用3D打印技术，“克隆”自己
保持气管畅通。 这“夹板”坚固且柔软，能够随着男婴的成长而变大。 研究人员称，“夹板”要在男婴胸腔内呆三年，直到破 损的气管痊愈。因为“夹板”使用一种对人体无
害的可溶性材料制成，男婴的气管痊愈后，“夹板”便 会在其体内溶解掉。 将“夹板”植入男婴体内的三周后，戴着呼吸器的男婴 被送回了家中。2013年5月，据《新英
并不适合。 OrenTepper博士为杰拉做了头部扫描，用3D打印机打印 出理想的下颚模型。OrenTepper博士打算改变杰拉的下颚 形状，使其与模型匹配。
然后，OrenTepper博士打印出适合杰拉下巴的三维模具。 模具上有狭缝和空洞，让他能在不损害杰拉面部神经的 前提下植入东西。最后，他给杰拉的下巴装了个棘
。 最初，他们用加热时会融化的蜡基“油墨”作为打印材 料。2011，路易斯开始开发普朗尼克（聚丙二醇与环氧 乙烷的加聚物）“油墨”。普朗尼克在室温下是凝胶状，
结构图，然后打印出假体，并植入鲍尔的头部脸上。
最近，蒙特斐奥医院的OrenTepper博士将3D打印的医学应用 提升到了新水平。
20年，OrenT
epper博士接手了一个名叫杰拉的女婴。这个女婴先天下 巴残缺，经常性呼吸困难。通常来说，医院可为这种患 者进行颌骨重建，但这种骨移植手术风险太大，以杰拉 当时的年龄
2个女孩间进行了测试，他希望未来这种产品能得到更广 泛的应用。 在阿彭斯思想节当天，斯科特· 萨米特还将46岁的阿曼达 带上了舞台。1992年的一场滑雪事故让阿
曼达失去了她的双腿。现在，她是一家帮助瘫痪人士的 基金会的主管。 2013年，3DSystems的研究人员找上了阿曼达。研究人员 先用仪器扫描了她的下半身，然
盒，甚至是“星球大战”模型、建筑物模型及来自百度文库栋房屋， 都能通过3D打印机被制作出来。 3D打印技术引发了美国人的热议，其中一项争论的焦点 是，是否该允许公民用3
D打打印机打印枪械。 现在3D打印机可使用的打印材料包括塑料、金、银、其 它金属、陶瓷、蜡等。有兴趣的人只要支付一小笔费用， 就能3D打印出自己的头像玩偶。
部也同样管用。 3DSystems将自己的技术提供给制作定制膝关节植入体的 Conformis公司。今年早些时候，威尔士的一名外科医生， 利用该技术为29岁男
子史蒂芬· 鲍尔重塑了面部骨骼。 鲍尔在一起摩托车事故中伤及头骨，左脸颊、眼窝、上 颚多部位脱落。通过扫描鲍尔“幸存”的骨骼，医疗小 组制作出了他整个面部的3D
3D
System的3D打印金属矫正牙套Invisalign颇受欢迎。 Invisalign牙套使用透明材料制成，为病患量身定做。 3DSystem会根据病患牙齿的恢复情
况定期对牙套进行调整，直到病患的牙齿问题被彻底解 决。 如今，3DSystem正稳步进军医疗市场。几个月前，该公 司和奥克兰儿童医院的研究人员进行了一项测试，
格兰医学杂志》报道，男婴已在如常人般长大。
什么是3D打印 顾名思义，3D打印机不是用油墨在平坦的纸张上打印内容， 而是在三维空间内逐层打印出立体的东
西，塑料、金属等可粘合材料是3D打印机的“油墨”。 上世纪80年代，世界上首款3D打印机诞生，发明者是美 国工程师查尔斯· 赫尔（CharlesHull），该
这个男婴在阿克伦儿童医院的主治医生，然后很快做出 了用3D打印气管换掉故障气管的决定。 密歇根大学医疗队层处理过类似的病例，但这一次他们 面临更严峻的挑战。
医疗队的研究人员先用CT扫描了男婴的胸腔部位，然后 制作出该部位的三维图像模型。基于这模型，医疗队制 作和打印出了一块小“夹板”，用来加固男婴脆弱的气 管，同时
刘易斯生长于伊利诺斯帕拉蒂尼，毕业于伊利诺斯大学 香槟分校。大一的时候刘易斯被招募到一个陶瓷工程项 目小组，她一直是该项目小组的成员，直到获得麻省理 工陶瓷科学博士学
会。刘易斯喜欢陶瓷的特殊属性，陶瓷是很多高科技电 子产品的关键材料。 1990年，刘易斯回到香槟分校任教，并开始从事3D打印 的研究。她认为，3D打印技术是按
轮。
每天，OrenTepper博士会将杰拉的下巴向前“拖拽”一毫米，以促 进其骨细胞生长。几周后，杰拉的下巴已经长得和普通孩子无异了。
现在，Ore
nTepper博士每年都要治疗两至三个有类似残疾的孩子。 OrenTepper博士说：“如果没有3D打印技术，复杂的重 建手术风险会很大，失败的几率也大得多
打印机使用的“油墨”是暴露在空气中便会凝为固体的 丙烯酸溶液。 3D打印机诞生后，汽车、飞机制造商便可在计算机上画 出复杂的零件设计图，然后打印出来。现在，这
种应用已经十分普遍了。 随着技术的进步，3D打印机变得廉价和无处不在。 Staples和亚马逊都提供3D打印服务，螺母、螺栓、耳机、 眼镜、运动鞋、珠宝、骨灰
养可降解支架人类膀胱细胞。他培养的细胞呈袋状，后 来被成功植入7名膀胱功能较差的孩子体内。 安东尼· 阿达拉的这一成就引起了轩然大波，被认为是再 造人体器官史上
首次真正的胜利。在他之前，科学家也许能用3D技术打 印出聚合物支架上的气管细胞、心肌细胞、肾细胞，但 始终未能使其成长为成熟器官。 当越来越多的科学家努力在实
变基因突变引起。正常蛋白质的基因代码称为“球蛋 白”，球蛋白帮助红血球将氧气输送到人体组织中。当 基因发生突变，球蛋白崩溃堵塞血管。 直到现在，阿兹海默症（老
年痴呆症）的研究人员也未发现脑细胞如何自发使淀粉 样蛋白质异常，从而引起老年痴呆症的真相。神经元在 培养皿中的表现和在人类大脑中完全不同。 莱斯大学的生物工程
们提到，通过专门的3D打印机，他们能打印出类似人体 内的蛋白矩阵和活细胞类型。重要的是，他们设法为这 些细胞组织建立了血管网络，就像真正的血管一样，这 些血管网络可以
为细胞提供维持生命的营养。 刘易斯指出，他们还没有实现3D打印器官，但却是迈进 了一大步。她说：“我们称这为3D生物打印，是生物历 史上的重要一步”。
”。 3D打印细胞和器官
未来3D打印技术还会给医疗带来更大飞跃。 多年来，研究人员一直致力于再造肾脏、肝脏、器官、躯体。但在实验室里进行 细胞
组织培养已经十分困难，而3D打印让我们看见了新的希 望。 上世纪90年代，维克森林再生研究所所长安东尼· 阿达拉 （AnthonyAtala），开始在实验室里培
研究人员也知道，3D打印器官需要解决的问题还有很多。就像刘易斯说的：“3D 打印器官是人类另一个登月项目，很难，但绝对值得一试”。 16
治疗
罕见疾病患儿 20年2月，密歇根大学附属C.S.莫特儿童医院的医疗队， 组织进行了一次不寻常的手术。手术对象是一名出生刚 三个月，患有罕见先天“气管支气管软化
师乔丹· 米勒（JordanMiller）指出，成功的再造器官至少 由数十亿、不同类型的活细胞构成。 生物学家希望都希望能解决这一问题，在塑料或环氧支 架上培养
不同类型的细胞。然而这种前仆后继的尝试却鲜有成功， 就算外部细胞能不断增殖，内部细胞也会因缺乏营养物 质和氧气而死亡。 生物学家也许能培养出数十亿肾细胞，并最
验室里再造人体器官，问题的关键已不再是他们能否成 功，而是如何成功。 世界上首款显微镜诞生于16世纪，和望远镜差不多的时 间。望远镜和显微镜带来宏观和微观领域
的新发现。然而让天文学家从三维角度理解宇宙很容易， 让细胞学家从三维角度理解微观世界却很难。 长久以来，人类对微观世界的理解一直停留在二维水平。 其中一个主要
用3D打印机打印出“脊椎”，以便帮助那些在成长过程 中脊椎弯曲的年轻人。 不过要想修复弯曲的脊椎，佩戴者必须无时无刻不佩戴 着3DSystem的产品，多数孩子
似乎不愿承受这“痛楚”。 斯科特· 萨米特指出，现在的青少年不爱外出和运动，他 们更愿意在电脑前呆一整天，这对成长中的脊椎非常不 利。但他同时也表示，对孩子们不
后用柔软的尼龙纤维打印出残缺的躯干、小腿和大腿。 随后，研究人员将3D打印四肢装到了EksoBionics公司的 电动护腿上。就这样，一套定制的人类“下半身”诞生 了
。阿曼达穿上了它，并开始练习慢慢行走。
3D打印植入体 在此之前，3D打印技术多被用来打印假肢。但最近，越来越 多的例子证明，3D打印物体被用在人体内
愿意戴着3D打印脊椎的心情可以理解。他说：“几年前 我做过脊柱手术，术后几个月我一直使用类似的支架， 那东西很不舒服”。 但斯科特· 萨米特强调，3DSyste
m的3D打印脊椎由精细研磨的尼龙粉末制成，既轻便又 透气，加上是为佩戴者量身定制，就像穿衣服一样不会 有任何不舒服的感觉。 斯科特· 萨米特表示，该公司已经在2
终形成外形似肾的东西。但是如果没有持续生长的血管来滋 养整个肾器官，这肾脏仍形同虚设。
新型3D打印细胞材料
哈佛材料学家珍妮佛· 刘易斯（Jennif
erLewis）称：“之前我看TED演讲，有个人说他们成功打 印出了肾脏，然后展示了一个外形似肾脏的东西。我觉 得这番话很有误导性，形状像肾不一定就是肾，科学家 不该
体素构造材料的完美工具。她说：“三十年前如果你想 3D打印某个东西，会用紫外线固化树脂或热塑性塑料， 做出来的基本上就是原型或模具，这不是我想要的”。 200
1年，刘易斯开始与材料工程师斯科特· 怀特（ScottWhite） 合作。 在此之前，怀特和同事南茜用3D打印机创建出一种充满 微胶囊的新材料，新材料的微胶囊里
”疾病的男婴。 这个男婴的部分气管组织脆弱无比，很小的一件事例如 换个尿布都会让他的气管崩溃。这时候，他会呼吸困难， 并引起附近血管（包括主动脉）阻塞，从而引
发心肺骤停。
在莫特儿童医院里的男婴一直戴着呼吸器，他脆弱的气管组织需要被修 复或替换，但手术风险太大，更何况对象还是这么小的一个孩子。 医疗队联系了
原因是，显微镜下的标本必须被放在薄玻璃片上。如果 说让生物学家从三维立体角度理解组织和器官已经非常 难，那就更别说将它们重建出来了。 例如，生物学家会在实验室
里研究排列在人类静脉、动脉和毛细血管内的内皮细胞。 一旦这些细胞被排出体外，就会迅速死亡。实验室里必 须有特殊的设备，才能维持内皮细胞的存活和生长。 首先，研
究人员将内皮细胞放在涂有凝胶混合胶原蛋白和其他蛋 白质的塑料盘上，然后将塑料盘放在孵化器内。孵化器 需要维持一定温度，还得输入适量的氮、二氧化碳和水 蒸气。在这样的环
境条件下，内皮细胞能存活数周。但即便是最资深的研 究人员，也无法控制内皮细胞自组胶原基质。 结构对生物系统正常运行十分重要，镰形细胞性贫血就 是由单一的形状改
给人错误的期望”。 今年50岁的刘易斯留着短发，戴无框眼镜，是一位友好 而有礼貌的人。尽管对3D打印组织、器官持谨慎态度， 但她的研究也在向这一新技术领域偏移
。
今年2月，刘易斯和研究生大卫（DavidKolesky）发表了一篇论文， 论文描述了一种用先进材料保证打印出的细胞能大量增殖的新方法。
在论文中他
充满特殊的愈合剂，当材料受到磨损时，微胶囊就会打 开并释放愈合剂量。微胶囊中的愈合及是单体，当被释 放及遇到材料中的其它化学物质时，就会发生化学反应 并修复潜在裂缝。
刘易斯加入怀特的团队后，研究人员开始意识到，这种 新型材料应当有自己的微通道，方便愈合剂达到裂缝， 就像体内的凝血蛋白和血小板通过毛细血管到达和治愈 伤口那样
。 去年六月的阿彭斯思想节上，医疗健康领域的创新技术 引发了一番热议。首先发言的是3DSystems公司的工业设 计师斯科特· 萨米特（ScottSummit）
。
3DSystems的创始人是3D技术发明家查尔斯· 赫尔（CharlesHull）， 如今该公司已成长为全球领先的3D打印机和3D服务供应商。