洞悉醫(yī)用3D打印的成長現(xiàn)狀、研究、戰(zhàn)斗、規(guī)范與臨床運(yùn)用及遠(yuǎn)景

醫(yī)用增材生產(chǎn)的原料與其余多個行業(yè)應(yīng)用的原料擁有全面通用性，這是產(chǎn)生三維（3D）打印行業(yè)的首要根基。在醫(yī)學(xué)行業(yè)，3D打印最初用來生產(chǎn)生物假體，現(xiàn)已擴(kuò)展至細(xì)胞、組織和器官打印，并用來生產(chǎn)醫(yī)用機(jī)械人。現(xiàn)在，各類別致的資料正在出現(xiàn)，并將供應(yīng)更多臨床運(yùn)用計劃以供醫(yī)師選取——特別是用來治愈棘手的重病。

華夏工程院邱貴興院士、丁文江院士等科研職員在華夏工程院院刊《Engineering》撰文指出，醫(yī)用增材生產(chǎn)使得咱們開發(fā)更好的資料、設(shè)計和生產(chǎn)新技巧，創(chuàng)建經(jīng)過驗證的臨床指標(biāo)和運(yùn)用計劃，以期通過提升醫(yī)療效能與安全性使患者受益。文章圍繞醫(yī)用增材生產(chǎn)原料的研究與戰(zhàn)斗，醫(yī)用增材生產(chǎn)前端技巧的研究與運(yùn)用，醫(yī)用增材生產(chǎn)產(chǎn)品的認(rèn)證規(guī)范、法規(guī)及評估系統(tǒng)，醫(yī)用增材生產(chǎn)產(chǎn)品的臨床運(yùn)用等方面進(jìn)行了全面的解析與預(yù)測。

面向?qū)淼馁Y料與增材生產(chǎn)運(yùn)用開發(fā)

一、醫(yī)用增材生產(chǎn)原料的研究和戰(zhàn)斗

醫(yī)用增材生產(chǎn)的原料與其余多個行業(yè)應(yīng)用的原料擁有全面通用性，這是產(chǎn)生三維（3D）打印行業(yè)的首要根基。這類行業(yè)的增材生產(chǎn)在資料型號、粉體特征、成型性和黏彈性等方面面對著相近的問題和戰(zhàn)斗。比如，航空行業(yè)采取了多種金屬資料，而生物醫(yī)學(xué)行業(yè)會應(yīng)用金屬、聚合物和無機(jī)資料。在生物醫(yī)學(xué)行業(yè)，運(yùn)用最全面的資料是生物相容性資料。3D打印還會用到各類均質(zhì)和非均質(zhì)復(fù)合資料，這為增材生產(chǎn)帶來了更多的戰(zhàn)斗；應(yīng)用異質(zhì)復(fù)合資料進(jìn)行3D打印特別富有戰(zhàn)斗性。

3D打印已變成支持粵港澳大灣區(qū)工業(yè)成長的首要分類之一。在醫(yī)學(xué)行業(yè)，3D打印最初用來生產(chǎn)生物假體；但現(xiàn)已擴(kuò)展至細(xì)胞、組織和器官打印，并用來生產(chǎn)醫(yī)用機(jī)械人。不少擁有特殊部件或特征的器械需通過可以搭配3D乃至四維（4D）打印技巧的專用資料制成（在4D打印中，產(chǎn)品會緊隨時間的推移而產(chǎn)生改變，進(jìn)而生成另一類維度）。在增材生產(chǎn)產(chǎn)品的梯度設(shè)計中，首先須要建立和打印產(chǎn)品。在產(chǎn)品研究之初，就能測驗生物降解性和生物相容性等根本特征。3D打印的由外形記憶合金產(chǎn)生的血管支架等自動器械也加入了研究（R&D）階段。由此因此，各類別致的資料正在出現(xiàn)，并將供應(yīng)更多臨床運(yùn)用計劃以供醫(yī)師選取——特別是用來治愈棘手的重病。

《自然》于2017年初次刊登的超納米雙相鎂合金是一類擁有極強(qiáng)顆粒崩解性且能生物降解的金屬；它的運(yùn)用不單推動了3D打印的成長，況且開始了4D打印的機(jī)會之門。固然身體是一套高難的機(jī)器體系，但3D和4D打印有也許超過身體力學(xué)的極限，通過技巧革新到達(dá)加強(qiáng)身體的目標(biāo)。傳統(tǒng)的3D打印技巧源自外國企業(yè)，并含蓋3D打印原料的研究，而這類原料往往會被這類企業(yè)所壟斷。這促使研究生物醫(yī)用的擁有主動常識產(chǎn)權(quán)的粉體或油墨原料以滿足海內(nèi)運(yùn)用需要擁有首要意思。因而，人們必需注重原料的革新和開發(fā)、品質(zhì)操控并制訂有關(guān)規(guī)范和法規(guī)——特別是對于臨床運(yùn)用研究的三種植入物。

臨床場景亟需耐藥抗生素，以及其首要性與日俱增。近年來，少量的研發(fā)將資料與抗菌醫(yī)藥相結(jié)合，并已刊登多篇有關(guān)的學(xué)術(shù)論文，如一維資料（金屬、銀離子、金離子和銅離子等）和二維（2D）資料（硫化鉬和石墨烯等）的結(jié)合。新資料與抗生素的結(jié)合并且與3D打印的進(jìn)一步交融不單是資料增加物的下一步研發(fā)方向，也須要進(jìn)一步的出資以實行臨床運(yùn)用。

3D打印和原資料研究之間從一開啟就須要創(chuàng)建協(xié)同聯(lián)系。從資料生產(chǎn)的角度而言，3D打印的成型、制備和固化流程有別于傳統(tǒng)加工流程。比如，鈦合金在臨床運(yùn)用中已然非常成熟，但不可直接用來3D打印。這類資料必需首先被霧化成粉體，并優(yōu)化其成份構(gòu)成，以應(yīng)用于3D打印。因而，要害的研發(fā)方向應(yīng)含蓋研究應(yīng)用于3D打印的原料并且傳統(tǒng)醫(yī)用金屬資料的定向設(shè)計，以及研發(fā)中須要展開多學(xué)科合作。

近年來，鎂和鎂合金在骨缺損恢復(fù)方面展現(xiàn)出較大的運(yùn)用后勁，以及特別應(yīng)用于組織再生后勁低的狀況。植物試驗和臨床實驗均標(biāo)明鎂合金擁有優(yōu)良的成骨功效和療效。但因為鎂和鎂合金極易氧化，因此怎樣減小純鎂粉末或鎂合金粉末的氧化是3D打印生產(chǎn)流程中需處理的要害問題。如產(chǎn)生氧化，則粉體易在3D打印固化流程中生成冷間壁，這將明顯減低資料的疲憊功能，造成器械過早失效。在純鎂或鎂合金粉末的制備流程中，氧含量的操控至關(guān)首要。因而，應(yīng)依據(jù)需應(yīng)用的有關(guān)資料的研究和選取設(shè)計3D打印設(shè)施。假設(shè)能通過協(xié)同方法處理上述問題，則有也許處理當(dāng)下的3D打印難題，并迎來3D打印技巧在醫(yī)療器械行業(yè)運(yùn)用的較大成長，特別是在具有巨大醫(yī)療需要的國度（如我國）。

從學(xué)科成長的角度而言，3D打印已從傳統(tǒng)的資料打?。ㄈ绱蛴碛斜幼o(hù)性能的器械）成長到用來組織恢復(fù)和器官再生的細(xì)胞—資料打印，其性能也從單一的恢復(fù)性能成長為治愈重病或組織再生的性能。比如，在骨腫瘤手術(shù)中，3D打印將傳統(tǒng)的生物陶瓷骨恢復(fù)性能與光動力療法相結(jié)合，以解決骨腫瘤手術(shù)后的初期腫瘤復(fù)發(fā)并強(qiáng)化對有關(guān)骨缺損的恢復(fù)。3D打印曾用來制造多孔支架資料，以實行骨缺損再生的性能；現(xiàn)在3D打印首要運(yùn)用于軟組織，如肌膚和肌肉恢復(fù)?？茖W(xué)家能通過3D打印生產(chǎn)構(gòu)造高難的心臟并且擁有呼吸性能的肺泡。

3D打印流程中需處理下列要害問題：

第一，怎樣調(diào)整身體的高難仿真構(gòu)造及性能；

第二，怎樣從空間和時間上散布擺列多個器官；

第三，可否依據(jù)重病本質(zhì)有效統(tǒng)一傳統(tǒng)的組織再生和器官性能恢復(fù)。

在仿真構(gòu)造行業(yè)，3D打印生物陶瓷蓮藕構(gòu)造可有效疏導(dǎo)細(xì)胞生長并督促顱骨再生。實際的組織或器官的構(gòu)造十分精致高難，它含蓋不同細(xì)胞的對應(yīng)空間散布。假設(shè)能通過3D打印確認(rèn)不同細(xì)胞的空間和時間擺列，則可處理體內(nèi)高難器官的再生問題。在骨腫瘤等重病治愈時，通過手術(shù)可切除大一些腫瘤，但切除并且術(shù)后修復(fù)性能也許不能殺死整個殘留的腫瘤細(xì)胞，而3D打印能為該問題供應(yīng)一類處理計劃。

固然過去數(shù)年來已有研發(fā)者刊登了多篇牽扯這類行業(yè)的學(xué)術(shù)論文，但離實行真實的常規(guī)化臨床醫(yī)療運(yùn)用仍舊有很長的距離。我國在借用3D打印實行骨組織再生方面作出了較大積極。雖然必需參考生物安全和倫理問題，但生物3D打印與組織工程學(xué)相結(jié)合有望處理擁有高難組織的資料細(xì)胞打印中面對的內(nèi)部構(gòu)造和內(nèi)部性能難題。

將來首要從四個方面參考3D打印原料的研究方向：

首先，3D打印需要應(yīng)用粉末資料，這就對資料研究提出了新需要；

其次，3D打印醫(yī)療與資料的相結(jié)合，對有關(guān)資料的辨別提出了新需要；

再次，當(dāng)3D打印運(yùn)用于醫(yī)療時，應(yīng)該參考資料的加工特征及可調(diào)控性；

最終，生物3D打印對不同資料和細(xì)胞的空間散布提出了更高的需要。

二、醫(yī)用增材生產(chǎn)前端技巧的研究與運(yùn)用

骨科植入物的外形、構(gòu)造、設(shè)計和設(shè)施的功能取決于打印原理和工藝。打印設(shè)施的可反復(fù)性在生產(chǎn)流程中也須要參考。

除了原料和3D打印設(shè)施外，還需看重增材生產(chǎn)中的下列要害工藝：加工擁有不同工藝特點的多元復(fù)合資料；調(diào)整不同資料的非均一性（也許須要應(yīng)用高難的加工技巧）；在多元資料加工中，不同資料的界面特征導(dǎo)致了資料之間的界面不安穩(wěn)，促使成品的完好性受損；高難多層構(gòu)造的精密成型并且梯度的擺列組合也是須要關(guān)心的首要難題；針對生物打印而言，活細(xì)胞被視為生物資料的一一些，因此供養(yǎng)打印后細(xì)胞的活性和性能也至關(guān)首要。

成為骨科資料的金屬醫(yī)用資料（如鈦合金）在臨床運(yùn)用中存在難以超越的問題。比如，這類資料的彈性模量很高，這也許引發(fā)應(yīng)力遮擋效應(yīng)和韌性不夠的問題。聚醚醚酮（PEEK）是新一代的醫(yī)用植入資料之一，其好處在于密度和模量靠近天然的皮質(zhì)骨，但毛病是熱導(dǎo)率過低，同時借用3D打印制造聚醚醚酮器械的生產(chǎn)流程也碰到了急需處理的難題。我國工程師發(fā)明了用來3D打印的冷沉積工藝，該工藝通過設(shè)置噴管冷卻率、冷卻前提和其余屬性來調(diào)操控備流程。該工藝可調(diào)控聚醚醚酮的結(jié)晶度并操控其結(jié)晶度的分子程度，以調(diào)控聚醚醚酮的機(jī)器功能。迄今為止，工程師們已應(yīng)用3D打印的聚醚醚酮器械治愈了70多例臨床病例，實行了從最開啟的滿足外形需要到滿足功能需要的成長。但人工假體與宿主組織的調(diào)整是一項須要在將來的資料設(shè)計和制備流程中處理的任務(wù)。在資料設(shè)計中準(zhǔn)則上應(yīng)滿足其預(yù)料性能，同時應(yīng)調(diào)整生產(chǎn)工藝，以滿足訂制假體的性能需要。

生物組織的3D打印技巧也被稱為生物打印，該技巧已用來將胚胎干細(xì)胞拆卸成球體，調(diào)節(jié)球體大小，并使干細(xì)胞分化生成胚胎。比如，生物打印可使干細(xì)胞沉積成球體，并誘導(dǎo)其變成肝細(xì)胞，以供醫(yī)藥測驗。與傳統(tǒng)模型相比，由生物打印技巧建立的體外3D模型更靠近身體，以及應(yīng)用這類模型獲取的結(jié)果能更真正地反映實際狀況。在醫(yī)藥研究流程中，依據(jù)2D模型展開的試驗通常不太確切且順利率過低，造成少量資源被耗費(fèi)。生物打印可用來制造更靠近身體的仿真模型，進(jìn)而為生物成長、癌癥研發(fā)和新藥研究供應(yīng)了出色的工具。

生物打印必需含蓋下列方法：

第一，需設(shè)計3D打印的生物資料特征。細(xì)胞可成為生物資料，如打印含細(xì)胞的生物資料，需參考在打印完結(jié)后供養(yǎng)細(xì)胞性能。機(jī)械設(shè)備和3D打印資料的研究也須要反映這類進(jìn)展。

第二，需確認(rèn)生物打印的組織怎樣闡揚(yáng)功效。在生物打印成長之初通常能直接打印擁有形式類似的器官或組織，如心臟和血管?？墒牵@類生物器官或組織不單可實行3D打印，還需生成特有的性能，因而資料設(shè)計和生產(chǎn)面對著更艱難的戰(zhàn)斗。

第三，在細(xì)胞打印流程中，需在特定位子打印不同細(xì)胞，以持續(xù)三維構(gòu)造，并保證打印的細(xì)胞擁有很高的存活率，須要根據(jù)特定的空間散布，以闡揚(yáng)對應(yīng)的性能。

打印不同種細(xì)胞時，需特別注重細(xì)胞與細(xì)胞之間的界面。但就現(xiàn)在的生物打印工藝而言，在打印流程中難以實行精確擺放細(xì)胞并以免活細(xì)胞傷害。在實際操控流程中細(xì)胞傷害頻繁顯現(xiàn)，因此難以進(jìn)行運(yùn)用。微流體技巧中高難微流道可用來細(xì)胞打印的生物打印噴頭。生物打印現(xiàn)在可用來制造器官芯片，進(jìn)而實行體外器官的一些性能，以便展開新藥評價、醫(yī)藥檢驗等工作。綜上所述，①生物打印應(yīng)該用來建立超前的仿真生物模型；②從技巧角度看，打印的器官芯片必定能實行體內(nèi)仿真；③生物需要應(yīng)與人工自動、大信息和深度學(xué)習(xí)相結(jié)合，在臨床運(yùn)用遠(yuǎn)景變成現(xiàn)實此前，需盡早關(guān)心到這一點。生物科學(xué)家和臨床醫(yī)生從一開啟就應(yīng)該展開緊密協(xié)作，含蓋對詳細(xì)臨床順應(yīng)癥或運(yùn)用展開對于性研發(fā)，以便未來能更迅速且有效地將研發(fā)成果轉(zhuǎn)變?yōu)榕R床運(yùn)用。

針對生物生產(chǎn)和臨床運(yùn)用行業(yè)的顧問和學(xué)者而言，解讀怎樣將3D打印從形式類似改變?yōu)樾阅茴愃剖质滓?D打印的革新觀念是指緊隨熱度和電磁場等屬性的改變，3D打印的資料外形產(chǎn)生改變。但當(dāng)3D打印資料用來身體時，這類資料可緊隨植入時間的延續(xù)而長入生物體，這也是一類維度。身體醫(yī)用植入物需歷經(jīng)體系的生產(chǎn)流程，含蓋設(shè)計、資料、3D打印、后解決（含蓋熱解決和外表解決）、質(zhì)檢、包裝、手術(shù)和痊愈。為保證臨床運(yùn)用獲取順利，以上方法均不得有誤。另外，需放慢國度藥品監(jiān)督治理局（NMPA）檢查，以實行工業(yè)沖破。因醫(yī)用植入物是訂制品，因此難以根據(jù)國度藥品監(jiān)督治理局的倡議（偏重于體系驗證）對其進(jìn)行檢查。當(dāng)通過3D打印打印器官或組織時，僅打印出相似外形遠(yuǎn)不夠以滿足需要；打印出的產(chǎn)品還必需具有對應(yīng)的性能，這是醫(yī)療3D打印的成長方向。

三、創(chuàng)建醫(yī)用增材生產(chǎn)產(chǎn)品的認(rèn)證規(guī)范、法規(guī)及評估系統(tǒng)

為實行3D打印產(chǎn)品的后續(xù)工業(yè)運(yùn)用，各有關(guān)機(jī)構(gòu)應(yīng)通力協(xié)作，以及上層建筑需闡揚(yáng)要害的主導(dǎo)功效。

醫(yī)用增材生產(chǎn)技巧的首個沖破產(chǎn)生在骨科和牙科行業(yè)，并在這類行業(yè)正漸漸成熟。因而，早在2010年就對于骨科和牙科產(chǎn)品提出了3D打印醫(yī)用植入物法規(guī)?，F(xiàn)在，國度藥品監(jiān)督治理局對于臨床運(yùn)用已核準(zhǔn)四種3D打印規(guī)范產(chǎn)品。國度藥品監(jiān)督治理局率先參考將其用來成熟或已然驗證過的行業(yè)，如骨科和牙科行業(yè)，并由不同省份生產(chǎn)訂制產(chǎn)品的部件。因增材生產(chǎn)產(chǎn)品含蓋訂制產(chǎn)品，因此國度藥品監(jiān)督治理局策劃創(chuàng)建一套完好的評價體系?，F(xiàn)在，國度藥品監(jiān)督治理局已制訂了40項對于獲取醫(yī)療器械申請證的引導(dǎo)準(zhǔn)則，此中7項準(zhǔn)則與增材生產(chǎn)相關(guān)。將來將創(chuàng)建有關(guān)的規(guī)范系統(tǒng)、監(jiān)管系統(tǒng)、引導(dǎo)準(zhǔn)則、申請技巧文件和信標(biāo)系統(tǒng)，以重點成長臨床運(yùn)用并獲得沖破。骨科行業(yè)的某類方面比其余方面更易施行增材生產(chǎn)。華夏工程院（CAE）應(yīng)鞭策對應(yīng)的專業(yè)研發(fā)項目，以結(jié)合醫(yī)學(xué)和資料行業(yè)并創(chuàng)建高效、科學(xué)和確切的驗證系統(tǒng)。

我國《醫(yī)療器械制造監(jiān)督治理方法》將醫(yī)療器械的安全性和有效性列為主要的需要?，F(xiàn)在，美國食品藥品監(jiān)督治理局（FDA）首要根據(jù)合理裁定和有效的科學(xué)根據(jù)操控危害并保證醫(yī)療產(chǎn)品能安全有效運(yùn)用，進(jìn)而改進(jìn)公眾健康。針對增材生產(chǎn)行業(yè)的新式醫(yī)療器械，須要創(chuàng)建對應(yīng)的監(jiān)管科學(xué)來驗證申請產(chǎn)品的功能。申請前須要完結(jié)的首要任務(wù)含蓋展開多核心臨床實驗和醫(yī)學(xué)研發(fā)，并且制造經(jīng)過總結(jié)和同行評審并通過科學(xué)類出版物刊登的產(chǎn)品，進(jìn)而為臨床實踐供應(yīng)首要根據(jù)。這種研發(fā)和制造將有助于革新產(chǎn)品的研究，以及便于在產(chǎn)品的臨床運(yùn)用時期對全部應(yīng)用流程進(jìn)行監(jiān)測。四川大學(xué)醫(yī)療器械監(jiān)管科學(xué)研發(fā)院是世界首個解決醫(yī)療器械有關(guān)監(jiān)管事務(wù)的學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)，其任務(wù)是通過預(yù)驗證微風(fēng)險操控創(chuàng)建醫(yī)療器械的監(jiān)管科學(xué)。這項監(jiān)管科學(xué)應(yīng)依據(jù)客戶、產(chǎn)品研究職員和公司危害操控等布景數(shù)據(jù)涵蓋醫(yī)療產(chǎn)品的全部生命周期。

對于訂制產(chǎn)品制訂的海內(nèi)法規(guī)和國際法規(guī)之間存在差別。在英國，對于訂制設(shè)施的中心治理觀念如下：除與資料有關(guān)的事項外，增材生產(chǎn)的全部制造流程均由內(nèi)科醫(yī)師負(fù)責(zé)，含蓋對臨床患者的計算機(jī)體層成像（CT）或磁共振成像（MRI）圖片信息收集、生產(chǎn)、臨床醫(yī)生確定并且隨后的臨床運(yùn)用。我國公司關(guān)心的焦點是在上市前獲取國度藥品監(jiān)督治理局頒布的申請證書。英國的現(xiàn)狀標(biāo)明，我國應(yīng)盡量對于訂制的醫(yī)療器械公布明確的申請指南，并放慢臨床轉(zhuǎn)變。有關(guān)申請指南應(yīng)兼?zhèn)浼记煽尚行圆⑶覟楦鞣骄喸鞂嶋H利益——特別是患者。醫(yī)用增材生產(chǎn)的可反復(fù)性并且生產(chǎn)成品（不管用來人類、植物模型還是細(xì)胞模型）的特點均須根據(jù)規(guī)范化方法實行。在將來的研究和臨床運(yùn)用中，這項課題值得進(jìn)一步思索和討論。

一切新技巧和新式資料——特別是3D打印的三種醫(yī)療產(chǎn)品——在臨床運(yùn)用前均需施行體系性評價，并通過監(jiān)管機(jī)構(gòu)審批。醫(yī)用增材生產(chǎn)技巧仍處于開拓起步階段?，F(xiàn)在，3D打印技巧在骨科和牙科行業(yè)的臨床運(yùn)用中仍需戰(zhàn)勝幾大難題：危害擔(dān)責(zé)界定不明，臨床申請和審批時間過長。這是由于難以評價此類產(chǎn)品的預(yù)料臨床成效，3D打印生產(chǎn)的產(chǎn)品特別這樣。另外，產(chǎn)質(zhì)量量操控系統(tǒng)尚未完美。固然臨床前科學(xué)家發(fā)動的臨床研發(fā)目標(biāo)并不臨床申請，但有關(guān)治理過程和品質(zhì)操控系統(tǒng)必需滿足對應(yīng)的內(nèi)科醫(yī)療需要。

四、醫(yī)用增材生產(chǎn)產(chǎn)品的臨床運(yùn)用

3D打印是用來骨科髖關(guān)節(jié)重建行業(yè)的首要技巧之一。除了已在骨腫瘤和髖關(guān)節(jié)重建手術(shù)中采取的3D打印鈦合金外，人們還研究了擁有優(yōu)良生物相容性的3D打印多孔鉭金屬。資料行業(yè)學(xué)者并且骨科醫(yī)師現(xiàn)在已對3D打印多孔醫(yī)用鉭金屬進(jìn)行了評價；實際上，已有部分臨床病例應(yīng)用了這類資料。3D打印多孔鉭金屬已在脊柱、髖關(guān)節(jié)和肢體靜脈曲張手術(shù)中進(jìn)行了臨床運(yùn)用，并獲得了優(yōu)良的臨床療效。3D打印多孔鉭金屬不但能實行仿真骨小梁構(gòu)造的設(shè)計和生產(chǎn)，還擁有優(yōu)良的細(xì)胞黏附性和生物相容性。同時，這類資料的彈性模量和強(qiáng)度合適局部場景。臨床試驗結(jié)果標(biāo)明，3D打印多孔鉭金屬能與骨骼慎密結(jié)合，術(shù)后性能修復(fù)的成效令人滿意。試驗結(jié)果和臨床結(jié)果均證明3D打印能準(zhǔn)確操控尺寸，并擁有優(yōu)良的療效。3D打印還能用來近程醫(yī)學(xué)行業(yè)。華夏云南軍區(qū)總醫(yī)院骨腫瘤患者的醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)通過近程傳輸至醫(yī)院3D醫(yī)學(xué)試驗室，進(jìn)而進(jìn)行仿生設(shè)計和打印制造；制造出的產(chǎn)品將送至云南當(dāng)?shù)蒯t(yī)院，并在消毒后運(yùn)用于手術(shù)之中。

緊隨人口漸漸老齡化，我國到2020年將有近4.5億年紀(jì)超越60歲的老人。依據(jù)現(xiàn)在上報的脊柱骨折率（30%），估計2020年后將有超越1億例脊柱骨折的病例。在骨科的運(yùn)用當(dāng)中，用3D打印技巧治愈這種富有戰(zhàn)斗性的重病時需要相當(dāng)刻薄。緊隨金屬資料打印在骨科運(yùn)用行業(yè)的逐漸成熟，可應(yīng)用3D打印生產(chǎn)個人化的仿生和仿真構(gòu)造?？墒?，現(xiàn)有的打印技巧均為體外打印或離體打印，不可直接在體內(nèi)實行（即“體內(nèi)打印”）。3D打印技巧大概能處理骨缺損臨床恢復(fù)填充問題，假設(shè)能實行體內(nèi)打印，則有望在骨科行業(yè)展開更多醫(yī)療和產(chǎn)業(yè)協(xié)同研發(fā)，進(jìn)而使患者進(jìn)一步受益。

如上所述，3D打印能為骨科醫(yī)師供應(yīng)確切有效的治愈方式，擁有廣大的臨床運(yùn)用遠(yuǎn)景。醫(yī)療和產(chǎn)業(yè)部門在增材生產(chǎn)和臨床運(yùn)用方面的協(xié)作擁有首要意思，但指定機(jī)構(gòu)應(yīng)該監(jiān)管到位，以便經(jīng)歷充足的醫(yī)師和工程師能展開高效協(xié)作，并完結(jié)這一艱難任務(wù)。通過研發(fā)創(chuàng)建更多規(guī)范并且規(guī)范化過程，進(jìn)而優(yōu)化全部流程，并順?biāo)焱杲Y(jié)對這類資料的體系性評價。

現(xiàn)在，3D打印在術(shù)前計劃模型的運(yùn)用和成長相對成熟，但3D打印生產(chǎn)的器械過于粗拙，外表并非平滑。假設(shè)可在這一方面作出改善，將為骨科醫(yī)師施行當(dāng)下的臨床運(yùn)用供應(yīng)較大輔助。

現(xiàn)在，醫(yī)用3D打印采取了已到達(dá)成熟運(yùn)用程度的導(dǎo)航機(jī)械人技巧，但骨科和牙科的3D打印內(nèi)科手術(shù)導(dǎo)板及附件在將來的成長后勁仍有待通過骨科手術(shù)進(jìn)行驗證。雖然打印導(dǎo)板和附件的價錢相對昂貴，但這類器械在手術(shù)流程中存在不能以免的毛病。比如，假設(shè)期望通過寬切口切削骨骼并除去一切軟組織時，因為導(dǎo)板實際上只可扣在骨骼外表，因此在臨床上不可完全切削軟組織。

另外，3D打印在缺少獨(dú)到構(gòu)造特點的骨外表的運(yùn)用遠(yuǎn)景有限，如平滑曲面。在手術(shù)時期，這類曲面難以根據(jù)術(shù)前仿生位子施行切除、置換和貼附。在研究訂制假體和內(nèi)部支持構(gòu)造的流程中，3D打印不可處理持久植入構(gòu)成的問題，如假體斷裂、松動或掉落。

在未來，人們在注重個性化設(shè)計的同時須要關(guān)心3D打印個性化植入物的安全性。用訂制植入物代替大范圍規(guī)范化產(chǎn)品時，3D打印產(chǎn)品的本錢遠(yuǎn)超傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝制造產(chǎn)品的本錢，這向臨床醫(yī)學(xué)變革提出了較大戰(zhàn)斗。

因而，對3D打印的研發(fā)應(yīng)偏重于處理傳統(tǒng)方式（如傳統(tǒng)減材生產(chǎn)）不能處理的問題。這種問題含蓋：怎樣準(zhǔn)確地打印出與骨小梁構(gòu)造完全一致的構(gòu)造，以及在其外表建立有利于骨骼生長的涂層。針對置換存在缺點的大段骨手術(shù)中，打印構(gòu)造尺寸適中是施行手術(shù)的先決前提，這也是3D打印需參考的問題。

通過優(yōu)化性能構(gòu)造來誘導(dǎo)軟組織再生針對關(guān)節(jié)手術(shù)十分首要。在我國，對于軟組織的再生研發(fā)已然變成一項擁有明顯臨床意思的重要國度策略，在發(fā)達(dá)國度也是如此。運(yùn)動體系的組織（含蓋軟骨、韌帶和肌腱）是關(guān)節(jié)的首要構(gòu)成一些。

人們已研發(fā)了多種資料在軟組織恢復(fù)中的運(yùn)用，含蓋傳統(tǒng)金屬資料、鉭、鈦并且其余可吸收金屬。但這類資料不可直接用作生物資料，這標(biāo)志著全部軟組織的更換在面對較大需要的同時也須要面對重要戰(zhàn)斗。依據(jù)舉薦的資料，當(dāng)下的臨床試驗中已采取多種構(gòu)造精致且生物微場景合適的天然生物資料進(jìn)行軟組織恢復(fù)或更換，如膠原蛋白、優(yōu)化絲心蛋白、膠原凝膠和細(xì)胞外基質(zhì)，并在體內(nèi)試驗中獲得了優(yōu)良療效。

研發(fā)證明，細(xì)胞外基質(zhì)可用作3D打印原資料，并在軟骨再生方面獲得了首要成果。3D生物打印在恢復(fù)軟組織傷害方面有較大的后勁。在組織恢復(fù)流程中，生物3D打印建立的微場景將明顯牽連干細(xì)胞向組織傷害部位的遷移。為便于調(diào)控組織再生和細(xì)胞恢復(fù)，必需從構(gòu)造和性能兩方面優(yōu)化3D打印生物資料。與不能降解金屬資料相比，細(xì)胞外基質(zhì)資料在身體內(nèi)將產(chǎn)生降解，進(jìn)而與組織再生生成優(yōu)良的交互性和平衡性。增材生產(chǎn)已實行對生物資料的構(gòu)造設(shè)計和精致生產(chǎn)，并在應(yīng)用兩性生物資料制備外形高難的多級微孔構(gòu)造方面獲得了沖破。這類構(gòu)造能誘導(dǎo)干細(xì)胞分化，以實行總體組織恢復(fù)。

總之，醫(yī)用增材生產(chǎn)行業(yè)已快速成長，并已處理了多項臨床難題。多種骨科產(chǎn)品的形式和性能漸漸被人們所接受，而應(yīng)用3D技巧進(jìn)行骨科手術(shù)的需要也與日俱增。但臨床場景中仍然存在不少懸而未決且充斥戰(zhàn)斗性的狀況，含蓋原資料的選取等。3D打印正歷經(jīng)著一場當(dāng)代產(chǎn)業(yè)反動，該技巧行業(yè)有優(yōu)良的運(yùn)用遠(yuǎn)景，以及其研究和運(yùn)用范疇廣大。但3D打印技巧現(xiàn)在僅把握在個別幾個首要產(chǎn)業(yè)國手中，與之對應(yīng)的原資料也被這類國度壟斷。因而，咱們需參考研究擁有主動常識產(chǎn)權(quán)的原料，并且沖破技巧瓶頸。

另外，與傳統(tǒng)或常規(guī)加工工藝相比，含蓋選取性激光燒結(jié)（SLS）和選取性激光融化（SLM）在內(nèi)的多項3D打印技巧既有優(yōu)勢，也存在不夠。此外，有必須展開十足的臨床運(yùn)用研發(fā)。除了使資料闡揚(yáng)對應(yīng)性能外，還需從器官程度使3D生物打印在生物學(xué)性能方面獲得沖破。運(yùn)動體系相對較易到達(dá)所需的機(jī)器功能，但這仍然不能完全代替骨骼缺失一些。假設(shè)能器具有生物性能的植入物代替缺失的一些，則能能獲得更好的成效。咱們等待著創(chuàng)建有關(guān)平臺，以實行聯(lián)合研發(fā)、革新和開發(fā)，這明顯須要在醫(yī)師和產(chǎn)業(yè)之間創(chuàng)建協(xié)作聯(lián)系。但針對3D打印企業(yè)而言，仍然有一一些增材生產(chǎn)產(chǎn)品須要通過傳統(tǒng)的加工方式進(jìn)行加工。臨床運(yùn)用研發(fā)需謹(jǐn)嚴(yán)地展開，同時根基研發(fā)須要革新，也須要謹(jǐn)嚴(yán)。

本文選自華夏工程院院刊《Engineering》2020年第11期

作家：邱貴興，丁文江，田偉，秦嶺，趙宇，張聯(lián)盟，呂堅，陳代杰，袁廣銀，吳成鐵，盧秉恒，杜如虛，陳繼明，Mo Elbestawi，顧忠偉，李滌塵，孫偉，趙遠(yuǎn)錦，赫捷，金大地，劉斌，張凱，李鑒墨，Kam W. Leong，趙德偉，郝定均，敖英芳，鄧旭亮，楊惠林，徐少克，陳英奇，李龍，樊建平，聶國輝，陳蕓，曾暉，陳瑋，賴毓霄