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盘点3D打印技术在医学上的应用

时间:2015-06-11 17:07 来源:南极熊 作者:中国3D打印机网 阅读:
     有关统计数据显示,我国每年150万器官衰竭患者中,仅有一万余人能得到器官移植,更多的人只能在等待配体的过程中病情恶化甚至离世。如果3D打印能够解决这项难题,无疑将成为最受市场关注的焦点。

3D打印在医学上的案例:

3D打印医学的某人某事!
上海首次用3D打印技术辅助分离联体婴儿

在最近的江西联体女婴的案例中,复旦大学附属儿科医院在全国首次使用3D打印技术,等比例地还原了患儿臀部联体的脊柱、皮肤融合的情况,直观地展现了患儿骨性连接和皮肤连接的部位和程度,可以虚拟地进行术前切割,皮瓣翻转,为手术方案的设计和改进提供了极大的帮助,这在我国儿童医院联体儿分离中属首次采用3D打印技术来精准地辅助手术操作。

3D打印医学的某人某事!
3D打印一个精准的人类心脏模型

儿科心脏病医生Arno Rust曾经在3D打印心脏模型的帮助下为只有百天大的患儿Jasmijn进行了手术,他在描述这种变化时说:“在过去,我们只能依靠超声波或着几张孤立的CT扫描图片进行评估,但3d模型使我们的工作变得容易多了。有时候,我们甚至只能够在手术台上做出判断,并因此失去了宝贵的时间,而3D打印模型使我们能够在手术前准确地预见到手术时可能会发生的情况。”

3D打印医学的某人某事!
德国完成首次3D打印钛脊柱融合植入手术

由于人口老龄化和技术进步等原因,美国脊柱融合手术在这数十年间增加了70%。但是这种手术面临的问题是,传统方法使用的骨移植和金属硬件往往会出现植入物迁移与破损的并发症,而这种并发症往往需要通过另一个手术来修复,从而加大了病人面临的风险。

使用3D打印制造出了骨小梁结构的精确复制品,该复制品具有纳米结构的特点,可促进病人骨头的愈合和融合。该植入物的生物力学特性使其可以实现与现有骨骼的内生长,从而可以防止出现再次进行骨移植治疗。德国神经外科医生Uwe Spetzger教授宣称,一位具有退行性颈椎问题的患者通过手术接受了3D打印的钛金属融合植入物。这还是历史上首次成功完成此类手术。

3D打印医学的某人某事!
19岁少年3D打印可用意念控制的机械假手

迄今为止,已出现各种各样的3D打印假手,从纯机械式的到肌电控制仿生假手一应尽有。但是,来自美国科罗拉多州州的19岁少年Easton LaChappelle却开发出了一种更为先进的装置——可通过脑电波控制的3D打印假手Anthromod。

“它能够读取大脑的大约10个信道,所以它的运行方式有点像肌肉传感器,它会读取从大脑从放出的一些小信号,然后将其转化成软件可以读取的东西,我们实际上会跟踪分析不同脑电波代表的意义,并尝试将其转化成某一特定动作。”Easton说。“所以,根据这一模式我能够通过脑电波来实现握手或张开手的动作。”

3D打印医学的某人某事!
少年利用3D打印开发眼控轮椅装置

14岁的Myrijam Stoetzer和15岁的Paul Foltin,这两位少年创客使用3D打印技术开发出了一种先进而实用的装置,该装置能够跟踪人的眼球活动并藉此控制轮椅的运动。这两位少年凭借这一发明已经入围欧洲最大的青年科学竞赛Jugend forscht决赛圈。这两位少年希望他们的发明能够帮助那些身患残疾,甚至是全身瘫痪的病人,使他们仅靠眼睛就能解决一些生活上的简单问题。

综上所述,当今已出现很多成功例子,然而,生物数据处理、合适的生物材料、打印设备研发以及打印后的活体组织存活等四大技术性问题,是当前科研工作者面临的“最难啃的骨头”。解决这一系列难题,尚需时日。

北京工业大学激光工程研究院教授陈继民向《每日经济新闻》记者表示,3D打印在生物医学的应用是一个由远到近的过程,“乐观估计还需5~10年才能获得突破。”

开启“私人订制”健康时代
中国工程院院士戴尅戎介绍了这样一个案例:医生通过提取一位患脂肪瘤女孩腿部的CT参数,将数据输入3d打印机,并打印出女孩腿部的3D下肢骨骼的3D模型,最终帮助女孩双脚直立。

从这项案例能一探3D打印在生物医学领域应用的端倪,那么3D生物医学打印的全貌是什么?

杭州电子科技大学教授徐铭恩对此解释到,3D生物打印是以三维设计模型为基础,通过软件分离分层离散和数控成型的方法,用3D打印的方法成型生物材料,特别是细胞等材料。此项技术可用来制造人工的组织,人工的器官、各种假肢、手术导板等一系列材料。

简言之,3D打印在临床医学的应用,一方面是通过患者病变部位扫描成像,利用3D打印机将二维图像打印成3D模型,让病人和医生更为直观地观察与沟通,并根据模型反应的实际情况量身定做手术方案,保证手术精度;另一方面,通过3D模型,用特殊的生物“墨汁”打印活体细胞,在体外培育仿生器官及活体组织,再植入人体内。

戴尅戎告诉《每日经济新闻》记者,“由于一般常规的假体都是标准型号,3D打印不仅能制定出最适合病人的手术方案,也能为病人安装上最合适的假体。”

在个性化消费的浪潮中,个体化健康方案无疑是一个大趋势。美国毒理研究院院士、蓝光3D生物打印研究院院长康裕建认为,临床医学引入3D打印技术,开启了“精准医学”、“订制健康”的时代。

3D打印医学的某人某事!

尽管3D打印在生物医学的应用属于起步阶段,但短短数年发展至今已有不少令人叹为观止的成果。除了义肢、假牙、骨骼支架等没有生命特征的产品,科学家们已开始着手研究具有活性的人体细胞组织和器官,抑或在将来大面积填补器官移植的缺口。
陈继民表示,3D打印在医学领域的应用,是一个由远到近的过程,“离人体越远的,如义肢、骨骼关节,已经比较普及了。反之,离人体越近的应用,如组织修复和体内器官移植,乐观估计还需5~10年才能获得突破。”

尚存多项难题待解
3D生物医学打印,吸引的不只是科学家及狂热者,更博得了各路资本的青睐。据了解,国内一些公司如先临三维、蓝光发展和光韵达等,均先后开始涉足3D生物医学打印这一蓝海。市场研究机构LuxResearch预测,3D打印技术在医疗市场将于2025年达到19亿美元的规模。

不过,业内人士认为,3D生物领域真正发展成为产业化还为时尚早。康裕建认为,生物信息处理、生物墨汁研发、高精度打印机以及打印后处理是目前3D生物打印面临的最大瓶颈。在康裕建看来,在打印一个生物假体之前,要了解它的全部信息,并根据掌握的信息进行二维到三维的转化。一些复杂的器官,如心脏、肝脏等,由于血管、细胞等组织分布密集,在没有完全获得此类脏器的信息打印出来的仿生品,发挥不出功效。

同时,打印所需的材料——“生物墨水”的研发难度仍较高。主要表现在细胞间如何作用,怎么排列,如何控制其所处的微环境。
除了上述提到的技术性难题,3D生物打印还面临政策空挡和伦理问题。

加大投入基础研究
虽然3D打印在生物医学领域,的确能把许多不可能变成可能,但令人遗憾的是,国内外尚无有效手段破解前述提及的若干瓶颈。且人体组织的复杂性也让3D生物医学打印在短期内还无法进行大规模应用。

陈继民表示,现有的医学水平尚不能完全将人体器官分析透彻,“科研工作者应投入更多精力到基础研究,掌握丰富的生物信息后,才能使3D打印更进一步发展。”

康裕建则建议,从事3D生物打印的公司应建立相关的IT部门,专注于对生物信息、数据的采集、分析和转化。

(责任编辑:中国3D打印机网)