3D列印技術如何在醫療領域大顯身手？

基於3D列印技術的再生醫學組織工程，已經成為繼人類基因大規模測序完成之後，生命科學中最活躍的發展領域之一及科技競爭的焦點。

（本圖由授權鈦媒體使用）

鈦媒體註：本文根據鈦媒體旗下的微信公開課「鈦坦白」第18期分享整理。本期我們請到了來自動脈網蛋殼研究院、領醫創造、阿里健康、艾科賽龍、華大基因、諾輝健康的鈦客，跟大家一起「探究醫療健康產業的新技術、新方案、新方向」。以下是深圳艾科賽龍科技創始人、再生醫學研究院研究員趙小文的分享：

鈦客：趙小文，深圳艾科賽龍科技創始人，再生醫學研究院研究員，中國康復醫學會修復與重建外科分會再生醫學轉化學組委員，SICOT國際矯形與創傷外科學會中國部數字骨科學會第一屆常務委員，中國生物材料學會骨修復材料與器械分會委員。專註醫學大數據架構，演算法及應用，專註再生醫學人體組織工程研究及臨床轉化。

分享主題：3D列印技術如何在醫療健康行業大顯身手？

下面是趙小文在鈦坦白分享的乾貨，由鈦媒體整理：

數字化醫療及精準醫療已經走過了從探索、研究、科學實踐的初級階段，到今天全球範圍內已經開始了醫學領域廣泛的、深層次的研究及臨床轉化的第二個階段。

巨大的臨床數據及海量的CT、MRI等影像數據為數字化精準醫療奠定了基礎。而3D列印技術正是基於此，從量化、可視、可控等方面進一步研發，獲得真實的病理模擬及模擬，從而輕鬆獲得了病理模型，籍此將傳統的兩維度平面的信息，轉化為三維實體，進一步幫助臨床醫生量化了其所掌握的經驗及技術。

人體替代部件的巨大需求，替代傳統非個體化的植入件的巨大需求以及巨大的市場商機，是這一技術發展的推動力，使得組織工程技術成為生命科學領域的前沿技術和投資界高度關注的重點行業。

3D列印技術在醫療領域的兩個革命性應用

3D列印的產品有兩類，第一類是無生命3D列印產品，第二類是生物3D列印產品，無論哪一類都需要給予數據的挖掘，要把有些具體的東西，比如說細胞與細胞之間、細胞與基質之間的相互作用，它形成了一個什麼樣的三維結構，等等，解析出來，使這個重建的三維組織能執行更高級的生理功能。那麼就必須做一些結構的解析、定量的分析、標識、組織構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。

無生命產品的3D列印其實在醫療行業的應用也是非常廣泛的，比如說大家比較熟悉的金屬3D列印，比如說鈦合金的，還有一些不鏽鋼的3D列印，他一般可以做成人體的標準的替代部件，比如說植入的螺釘，還有固定的鋼板，還有一些修復的一些組織，這些都是金屬的，它也是無生命的。

無生命產品是最早被認知、被應用起來的3D列印。比如說，在美國，2014年有一家新的公司上市，它有很多產品已經獲得了FDA的一些認證；也在2014年年底的時候，中國也開始有相關的政策出台；2015年8月份，中國有了一個標準器械的關於3D列印金屬列印的一個註冊證，這也是中國在3D列印金屬產品方面取得的一些成績和國家政策的一些認可。

無生命的3D列印產品，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，原來隱藏在背後的一些信息看不見，現在有了一個病理模型，就可以從各個角度對它進行觀察，方便醫患溝通；此外，無生命的3D列印產品做出來的病理模型，可以方便醫生將它進行量化，做手術前的模擬演練，比如說粉碎性骨折，創傷面、碎成多少小片、粉末等等，可以在這個模型上看得非常清楚，然後做一些手術的規劃，準備手術中要使用的器械。還可以提前進行方案優化，到時候帶進手術室的就不像以前要推好幾車，手術時間也可以大大縮短，同時可以有把握地手術。

無生命的3D列印有幾項革命性的成果：

基於三維的解剖結構，可以對將要做的手術做一些非常精準的小器械，我們把它叫做手術導航板。比如說要在患者的脊椎上面打孔，要置螺釘，我們根據患者的脊椎比如說椎弓根的解剖結構做一個精準的匹配的一個小的擋板，使得醫生在術前做了規劃以後，手術中使用這個導航板精準地將螺釘打入椎弓根，避免傷到脊椎上豐富的血管和神經。手術前做到心中有數，將醫生原來頭腦中的經驗進行量化，做了術前的演練，手術的成功率也會大大提高。

個性化的植入、個性化的定製。比如說有個患者得了結核性的骨病，骨結構受到了一定的損傷，他已經失去了原來的一些骨質，在影像當中就顯得那塊有一個很大的缺損。他要在手術中使用一些標準的植入物，比如說做一個關節，這種關節在使用過程當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列印就可以做一個精準的適合這個患者的完整的解剖結構，這個解剖結構完美地與他剩餘的組織匹配，從而給下一步的手術做鋪墊。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現在有機會了。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，由於骨腫瘤侵蝕了她肩胛骨的15%的骨質，讓醫生處理起來非常為難。她當時有兩個選擇，第一保守治療，她的骨質會繼續流失，到時候可能會造成殘廢甚至危及生命。第二是採用3D列印的技術，將她骨腫瘤的那塊切掉，不需要完全截肢，再給她製作一個與她周圍組織相匹配的肩胛骨，之後手術就有可能做了。

在國外無生命的3D列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列印產品，相對來說比較陌生。目前生物3D列印產品在國際上的趨勢有幾種：

做一些3D列印的生物材料，然後用這些生物材料覆蓋細胞讓它長一些細胞。種植一些細胞，然後把它進行培養，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，複合上細胞，同時列印。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，是直接在人體裡面進行一些修復和構建，這就是完全基於細胞的3D列印。

對於生物3D列印，國內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列印跟國外幾乎同步，個別的領域可能還要超過他們，但是有一個問題，中國的這種3D列印的技術由於基礎的研究比較薄弱，包括在這個上面的相關的知識產權比較少，在目前看來好像沒什麼問題，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列印可能要有很多準備過程：首先，是對生物材料的選擇；其次，目前市場上現有的印表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構；還要非常清楚和把握對於組織的構建。我們所接觸的整個行業，大家都在從醫學的角度去了解它，從細胞的角度去了解它，而忽視了這種交叉學科的應用。在生物材料以及用數據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列印的發展。

在構建一個組織的時候，首先要知道這種組織所使用的材料是什麼，或者是有什麼樣生物可降解的材料，植入人體以後，它能夠保證骨的生長，同時能在身體裡面保證這種相容性，與其他的組織之間的相互關係能保持得非常融洽，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構其實是不一樣的，有些是防止外界的撞擊，起到對內部組織的保護，有些需要承重，有些需要平衡，有些需要產生血細胞、紅細胞等等。由於它的功能不一樣，骨從頭到腳的結構也是不一樣的，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，證實了人的顱骨骨幹細胞來自不同的幹細胞群，與人體的其他骨骼的幹細胞群是截然不同的。

了解了人體的從頭到腳骨骼的結構以後，就要想辦法把它構建出來，仿生出來，為細胞在裡面的生長創造一個良好的條件，這樣細胞才能在裡面進行擴增、代謝、遷移，然後生成相關的組織。然後做出來的東西，植入人體以後，細胞繼續生長，這種結構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於手術切除以後缺損的組織就會得到修復。

細胞、基因測序、基因編輯、生物的3D列印，這些其實都是息息相關的。為什麼這麼說呢？如果要構建一個完整的骨骼，然後讓細胞在上面去擴增，把它發育成完整的骨骼結構，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，把相關的東西摘除掉在體外進行培養，這種種子細胞液就是健康的。

同時由於細胞在體外的培養和體內還是截然不同的，體內的環境更複雜，除了人體本身的基質以外，還受到你飲食、環境、甚至情緒的影響，隨時讓細胞的生長環境產生一些變化，使得基質的濃度，或者其他的代謝物、生長因子等等發生相關的變化。而在體外進行的細胞培養其實相對來說比較可控，它有標準的基質，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、擴增的時候，能得到一個非常良好的環境。

但是體外的細胞培養完以後，我們把它種植在用3D列印的這種組織結構上，比如說骨頭上，這種從體外移植到體內的骨骼組織會不會產生變化呢？其實變化是有的，大量的實驗證明這是有的，跟培養的技術有關係，與構建的技術也有關係，幹細胞尤其是多能幹細胞定向又變成骨骼細胞的時候，有些就會產生癌變，在基質上進行培養以後，把它植入到人體以後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，種植培養移植。

這個技術現在在國內外都在同步研究，目前來說，大家都亟需解決的一個問題，就是幹細胞的種類足夠多，大家都知道其實在國內外做幹細胞的現在比較多，能完整的控制它的定向誘變的條件也是非常苛刻的，它有優勢，其實也有缺陷，但無論如何，它結合3D列印技術已經在健康領域大顯身手。

3D列印技術在醫療領域演進的五個生命階梯

這裡要重複一下「再生」的概念，其實這種再生就是生物醫學的工程，生物醫學加工程學的概念，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。

說到再生技術，離不開幹細胞，幹細胞其實是在體外對它進行定向的誘變，然後將它進行擴增，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，結合這種組織器官的構建，把它進行活性培養，然後進行臨床的治療，最後可能得到一個臨床的檢驗，然後反反覆復地提高質量。再生醫學，尤其是幹細胞，是最關鍵的技術，也是最關鍵的環節。

3D列印在醫療健康行業革命性的五個生命階梯，分為：

無生命體

簡單生命特徵

活性組織

複雜組織器官

完整生命體

無生命體，前面有講，比如病理模型的構建，個性化器械的應用，個性化的植入的應用，還有一些手術的導航板的應用；有簡單生命特徵，就是基於生物材料構建的一個簡單的組織，對它進行了簡單的細胞培養，使它具有了一些非常簡單的生命特徵，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，也屬於活性骨骼。活性組織還有什麼呢？目前能做得到的還有血管、靜脈血管；複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，其實複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列印技術在醫療領域的應用現狀及局限

我們以骨骼為主，當然主要是用在骨科，延伸還有口腔頜面科學、神經外科、心胸外科還有其他的普通外科，應用領域是極其廣泛的。

前面講了病理模型的構建、導航板的應用，這在神經外科應用也是非常典型的。比如說人的腦袋裡面有神經損傷，對它進行修復，首先要對病理的神經進行數據還原，得到病理模型，這種病理模型的數據其實極其複雜，對他進行解析以後，對它植入的修復材料進行導航，把材料或者相關的藥物送達到缺損的部位，這就是導航板的使用。然後損壞的神經在藥物或者是其他物理的干預下，要生長，進行修復，那麼這種手術中的導航板又可以引導它向另外一端發展，然後把它結合起來。

不管是有生命的還是無生命的3D列印產品，其實當中的任何一個東西的產生，需要的數據或者是過程相當複雜，可能還牽扯到其他的學科，比如說生物力學、運動力學等等，相關的數據融合，最後才能做成一個完整的科學的東西出來。

其實任何一個學科，尤其是一個新興的學科，一個創新的東西，它都不是完整的。

首先是技術的儲備不足。可能跨學科到了化學、物理、計算機、自動化等等學科，基礎研究到目前來說做得不是很充分，需要充分地融合。

第二個是知識產權的嚴重不足。起步比較晚，尤其是基礎行業的研究知識產權比較少，如果是自己不做知識產權保護的話，在以後的產業化當中可能會遇到問題。所以在做這個東西的時候，我們的經驗，就是要做大量的發明專利來保護相關的東西，甚至要做一些PC機的審批，同步申請國際的一些保護。知識產權要相當地重視，而整個行業對知識產權的重視嚴重不足。

還有法規問題。美國從2014年開始極力地支持3D列印技術在臨床的應用，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年連續出了兩個，尤其是最近已經支持到只要有相關知識產權的可以申請綠色通道。

最後我簡單總結一下，無論如何，3D列印技術在醫療領域的初步應用，已經顛覆了人們對現有醫療的認知，眾多發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略。基於3D列印技術的再生醫學組織工程，已經成為繼人類基因大規模測序完成之後，生命科學中最活躍的發展領域之一及科技競爭的焦點，在國際性的產業競爭熱潮來臨之前，掌握關鍵技術就獲得了生命科學前沿技術的制高點。

醫療其實是綜合學科，是跨學科的，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新的東西。來自各種學科的數據需要融合，需要合作。3D列印本身目前來說有它的局限性，比如說人們無法對複雜的臟器進行全面的認知，需要大量的時間去做，但無論如何這都是可以預期的。包括我們在內，能做到現在的程度，都是站在巨人的肩膀上，實踐並創新。

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