有專家認(rèn)為，在未來幾十年里，如果有什么東西可以殺掉上千萬人，那更可能是個(gè)有高度傳染性的病毒，而不是戰(zhàn)爭(zhēng)；不是導(dǎo)彈，而是微生物[1]。在當(dāng)前新冠肺炎爆發(fā)之際，更突顯了公共衛(wèi)生安全必須具有超前性，更希望人類能夠行動(dòng)起來，投入研發(fā)和系統(tǒng)應(yīng)對(duì)體系，來應(yīng)對(duì)現(xiàn)在和未來的突發(fā)傳染病。
作為3D打印行業(yè)的一員，我們需要思考的是，面對(duì)高度傳染性病毒，3D打印能做什么貢獻(xiàn)？
大家知道，傳統(tǒng)制造是量越大，每件制造成本越低，零件越復(fù)雜，每件制造成本越高。而3D打印無論批量大小、復(fù)雜程度如何，每件制造成本基本恒定。這就表明了3D打印的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)有兩個(gè)大的方面：一是小批量多品種快速制造/定制，另一個(gè)是制造復(fù)雜部件。從市場(chǎng)來看，就如計(jì)算機(jī)剛開始主要用于工業(yè)控制一樣，3D打印初始也是用于工業(yè)的，成為工程師、設(shè)計(jì)師等專業(yè)人士的模型設(shè)計(jì)工具；接下來就開始進(jìn)入教育市場(chǎng)，從培養(yǎng)3D打印的使用到設(shè)計(jì)、創(chuàng)造，最終培養(yǎng)出一批具有增材思維和創(chuàng)造力的人才。隨著3D打印技術(shù)和理念的普及和易用性的提升，它將進(jìn)入廣闊的規(guī)模化工業(yè)領(lǐng)域和廣大家庭。
在爆發(fā)疫情等特殊時(shí)期，對(duì)于護(hù)目鏡、口罩、測(cè)溫儀等必備的防護(hù)用具及醫(yī)療保障物資的制造，就可以發(fā)揮3D打印小批量、分布式、快速制造的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)本地生產(chǎn)，就近服務(wù)，滿足千人量級(jí)的日常使用需求。此外，還可共享數(shù)據(jù)模型，利用云制造平臺(tái)（如三帝云制造www.topktec.cn）實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同生產(chǎn)，提高并行生產(chǎn)效率，滿足更大量級(jí)的批量需求。3D打印技術(shù)可以通過康復(fù)醫(yī)療器械、醫(yī)學(xué)模型、手術(shù)導(dǎo)板、方艙醫(yī)院建造、生物/器官打印、納米機(jī)器人打印、藥物研發(fā)等諸多方面，在抗擊傳染性病毒中發(fā)揮作用。
1. 3D打印護(hù)目鏡
對(duì)于如新冠肺炎病毒這類具有飛沫傳播感染性的病毒，護(hù)目鏡成為戰(zhàn)“疫”一線的醫(yī)務(wù)人員及需與患者密切接觸人員的必備防護(hù)用具。市場(chǎng)上常見的護(hù)目鏡，開模時(shí)間長(zhǎng)達(dá)14天，而利用FDM 3D打印技術(shù)生產(chǎn)的醫(yī)用護(hù)目鏡，不僅密封度高，且重量只有普通護(hù)目鏡的3/4，還可根據(jù)個(gè)人面部數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)私人化定制[2]。
湖南云箭集團(tuán)增材制造研究應(yīng)用中心內(nèi)的50余臺(tái)FDM 3D打印機(jī)每日生產(chǎn)醫(yī)用護(hù)目鏡200余套。據(jù)了解，1月31日，這家公司利用原有成熟的3D打印技術(shù)，應(yīng)急研制生產(chǎn)醫(yī)用護(hù)目鏡；2月7日，首批醫(yī)用護(hù)目鏡通過長(zhǎng)沙市市場(chǎng)監(jiān)督管理局備案準(zhǔn)入；2月10日，這家公司生產(chǎn)的首批500套護(hù)目鏡已發(fā)往長(zhǎng)沙和懷化，馳援抗“疫”一線[3]。
3D打印定制個(gè)性化的防護(hù)用品，能提升防護(hù)效果。三帝科技采用原有成熟的FDM 3D打印技術(shù)，應(yīng)急研制生產(chǎn)3D醫(yī)用隔離防護(hù)鏡，用于醫(yī)療機(jī)構(gòu)中檢查治療時(shí)起防護(hù)作用，阻隔體液、血液飛濺或潑濺。規(guī)格型號(hào)齊全：YP-EM-S、YP-EM-M、YP-EM-L、YP-EM-C（定制）等。采用先進(jìn)的EVA面部掃描系統(tǒng)，結(jié)合逆向工程軟件設(shè)計(jì)出定制化的3D醫(yī)用隔離防護(hù)鏡，選取有良好生物相融性的材料進(jìn)行3D打印，制造出來的3D醫(yī)用隔離防護(hù)鏡具有防霧化、舒適、完美貼合部位等特點(diǎn)。
2. 3D打印口罩
口罩作為疫情防護(hù)中人體的“第一道防線”，其重要性不言而喻。而口罩的適配性、功能性、舒適性等因素，都會(huì)對(duì)其防護(hù)效果產(chǎn)生影響。
根據(jù)佩戴者的頭部、面部掃描數(shù)據(jù)，進(jìn)行三維建模，再3D打印的個(gè)性化定制口罩，可保證口罩與佩戴者面部的充分貼合，極大提升口罩的適配性和相對(duì)密閉性。
運(yùn)用3D打印個(gè)性化定制的特點(diǎn)，可制作針對(duì)不同人群的專用口罩。2018年，波蘭設(shè)計(jì)師巴特羅米奇·加克左雷科便聯(lián)合一家3D打印服務(wù)商專門設(shè)計(jì)和制作了兒童專用的抗污染口罩，以保護(hù)兒童免受污染侵害。這款3D打印口罩的內(nèi)置物可替換為活性炭、過濾棉等介質(zhì)，輕量化設(shè)計(jì)令其佩戴起來輕巧舒適，可在一定程度上減少兒童對(duì)佩戴口罩的抵抗情緒[4]。
據(jù)了解，該款口罩采用的原料是PA12尼龍（用于硬質(zhì)部件）和TPU（用于柔性部件），通過選擇性激光粉末燒結(jié)（SLS）工藝打印而成[5]。
三帝科技結(jié)合3D打印技術(shù)優(yōu)化口罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提升口罩的功能性。例如可更換式呼吸閥濾芯的設(shè)計(jì)，不僅利于口罩的清潔，也可延長(zhǎng)口罩的使用壽命，降低使用成本。三帝科技醫(yī)療團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)急研發(fā)設(shè)計(jì)了分離式口罩固定裝置，客戶可將口罩分離裝置與自己的口罩相結(jié)合，把一次性醫(yī)用口罩夾在分離裝置中使用。規(guī)格型號(hào)齊全：YFD-DM-MEN、YFD-DM-WOMEN、YFD-DM-CHILDREN、YFD-DM-CUSTOMIZE（定制）等。目前市面上可以看到可更換濾芯的口罩，材質(zhì)為食品級(jí)硅膠和ABS、PLA塑料件，濾芯采用HEPA結(jié)構(gòu)。如果選用適合的材料，采用3D打印技術(shù)來制作，將會(huì)是一種可以實(shí)現(xiàn)低成本、快速個(gè)性化定制的方式。
在防疫防護(hù)中，需要超長(zhǎng)時(shí)間佩戴口罩，三帝科技旗下的七號(hào)科技通過3D打印的口罩輔助配件來提升佩戴的舒適性，緩解佩戴口罩造成的耳部疼痛，可調(diào)式卡扣設(shè)計(jì)可以根據(jù)個(gè)人頭型調(diào)節(jié)佩戴的松緊度，讓口罩更貼合，防護(hù)更到位，且不易滑落。
日本設(shè)計(jì)師野崎靖采用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)了一款Maskal口罩架，其由柔軟的硅膠制成，主要原理是較普通口罩增大了施力面，像戴眼鏡一樣的方式讓口罩的摘戴更方便。口罩架中央貼住鼻子的部分撐出了額外的呼吸空間，令呼吸更順暢，整體佩戴感更舒適[6]。
3. 3D打印手持式紅外線測(cè)溫儀
手持式紅外線測(cè)溫儀（俗稱“額溫槍”）是防疫一線的醫(yī)療保障物資，如果開模具生產(chǎn)，開模時(shí)間最少要20天，在這段空檔期內(nèi)，3D打印免開模具小批量快速生產(chǎn)就發(fā)揮出了巨大的優(yōu)勢(shì)作用。重慶領(lǐng)航新智誠(chéng)科技利用SLA 3D打印技術(shù)快速設(shè)計(jì)、迭代、試產(chǎn)、批產(chǎn)，10天內(nèi)完成了2200套手持式紅外線測(cè)溫儀的外殼制造[7]。
4.3D打印隔離屋
在抗擊疫情中，專用隔離病房是疫情防控救治的必備硬件設(shè)施，3D打印可以發(fā)揮數(shù)字化建造的優(yōu)勢(shì)快速建造應(yīng)急隔離屋，緩解抗疫一線的燃眉之急。2020年2月13日，盈創(chuàng)新材料捐贈(zèng)的首批15套3D打印隔離屋運(yùn)抵湖北咸寧中心醫(yī)院，這批隔離屋可以用于新冠肺炎患者的入住。該建筑運(yùn)用3D打印技術(shù)一體化成型，墻體與鏤空的柵格成一體，面積約10平方米，高度為2.8米，采用殼體結(jié)構(gòu)，整體受力均勻，具有快速制造、抗風(fēng)抗震、保溫隔熱的效果，通電后即可使用，符合隔離需求[7]。
3D打印隔離屋是一種健康、環(huán)保、可持續(xù)性的建造方式。材料利用率高，采用廢棄物再生材料建造，增材制造的建造方式也大大減少了材料浪費(fèi)；快速交付，平均打印一間隔離屋約需要2個(gè)小時(shí)，一天24小時(shí)可打印十幾間。加上室內(nèi)裝修、水電、衛(wèi)浴設(shè)施配備的時(shí)間，一個(gè)房屋從打印到交付大約需要兩到三天時(shí)間；因地制宜，靈活安裝，房屋可卡車運(yùn)輸、吊裝且無需地基，不需要大規(guī)模施工，可滿足病患人數(shù)較少的地區(qū)使用需求[8]。
5. 3D打印醫(yī)學(xué)類模型
疫情爆發(fā)后，病毒研究和疫苗研制工作刻不容緩。通過CT(Computed Tomography，電子計(jì)算機(jī)斷層掃描)或MRI(Magnetic Resonance Imaging，磁共振成像)等醫(yī)學(xué)影像學(xué)數(shù)據(jù)，創(chuàng)建三維數(shù)字模型，并將模型3D打印成具體的實(shí)物，對(duì)于醫(yī)學(xué)研究、病理分析、手術(shù)方案設(shè)計(jì)和預(yù)演、教學(xué)培訓(xùn)等，具有很強(qiáng)的臨床實(shí)用價(jià)值。
在新冠肺炎疫情爆發(fā)后，3D打印技術(shù)也迅速被應(yīng)用到國(guó)內(nèi)的病毒研究和疫苗研制的工作中。廣州形優(yōu)科技依照感染者確診5天時(shí)的肺部病灶CT數(shù)據(jù)進(jìn)行3D重建，采用PolyJet材料打印出了新冠病毒肺部感染病例的彩色模型，新冠病毒的毛玻璃狀影像特征得以清晰呈現(xiàn)，幫助醫(yī)學(xué)專家更直觀地進(jìn)行病例實(shí)體分析和演繹[9]。
同時(shí)，上?？萍即髮W(xué)免疫化學(xué)研究所和中國(guó)科學(xué)院上海藥物研究所抗新型冠狀病毒感染聯(lián)合應(yīng)急攻關(guān)團(tuán)隊(duì)也公布了2019-nCoV冠狀病毒3CL水解酶（Mpro）的高分率晶體結(jié)構(gòu)，供更多科技工作者，特別是藥物研發(fā)人員使用[9]。早在2017年，中國(guó)科學(xué)院武漢病毒研究所便運(yùn)用3D打印技術(shù)，利用病毒結(jié)構(gòu)生物學(xué)的科研成果，制作了幾種代表性的病毒模型，通過復(fù)原病毒結(jié)構(gòu)的真實(shí)形貌，幫助大家更直觀、生動(dòng)地了解病毒[10]。
6. 3D打印藥物制劑
自20世紀(jì)90年代初期以來，很多研究機(jī)構(gòu)一直在進(jìn)行對(duì)3D打印藥物遞送裝置（drug delivery device，DDD）在藥物制劑中應(yīng)用的研究，直到2015年7月，全球首款由3D打印技術(shù)研發(fā)制備的左乙拉西坦速溶片（商品名：Spritam）獲得美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）批準(zhǔn)上市，從而使3D打印技術(shù)在藥物制劑領(lǐng)域獲得了極大的關(guān)注。在藥物制劑領(lǐng)域，3D打印技術(shù)具有空間分布精確、釋放精準(zhǔn)、藥物劑量可控等優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)制藥技術(shù)的不足，發(fā)展前景廣闊。目前，應(yīng)用在藥物制劑領(lǐng)域的3D打印技術(shù)主要有黏結(jié)劑噴射技術(shù)（BJ）、材料擠壓技術(shù)（FDM）、SLA。
研究人員最早使用黏結(jié)劑噴射技術(shù)（BJ）進(jìn)行3D打印片劑的開發(fā)工作，Katstra等使用黏結(jié)劑噴射技術(shù)，通過調(diào)節(jié)黏結(jié)劑或聚合物濃度，獲得了與傳統(tǒng)制造工藝硬度和脆碎度相當(dāng)?shù)钠瑒?。Aprecia公司在收購(gòu)麻省理工學(xué)院3D藥物打印技術(shù)后，開發(fā)了名為 ZipDose的技術(shù)平臺(tái)，并以3D打印的模式層層制備Spritam片劑，讓兒童、老人或有精神障礙等吞咽困難的患者能夠更好地服藥。張惠檄等使用擠壓式3D打印技術(shù)打印了不同形狀的阿司匹林雙層片，實(shí)驗(yàn)表明其較傳統(tǒng)壓制的阿司匹林雙層片的緩釋效果更好。Lu等采用 SLA 3D打印技術(shù)，以治療皮膚癌的達(dá)卡巴嗪為模型藥物，打印了由25根聚富馬酸二羥丙酯微針組成的載藥微陣列，以實(shí)現(xiàn)化療藥物的透皮給藥[11]。
與傳統(tǒng)藥物制備工藝相比， 3D打印技術(shù)具有極高的可控性和靈活性，非常適合個(gè)性化制劑及創(chuàng)新型制劑的制造。雖然3D打印技術(shù)仍存在諸多技術(shù)及監(jiān)管方面的挑戰(zhàn)，但相信通過進(jìn)一步的發(fā)展，目前存在的問題終會(huì)得以解決，3D打印將為醫(yī)藥發(fā)展帶來新的機(jī)遇和希望，加速個(gè)性化、智能化給藥時(shí)代的到來[11]。
7. 納米機(jī)器人3D打印
當(dāng)人體遇到病毒或細(xì)菌侵害時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生免疫反應(yīng)，比如發(fā)燒。如果遇到持續(xù)發(fā)燒，人們通常都會(huì)通過吃藥、打針來進(jìn)行治療。如果可以往血液里植入一個(gè)納米機(jī)器人，由它們來探測(cè)到發(fā)燒的原因，并可以直接對(duì)感染部位進(jìn)行治療，患者不就不用再忍受藥片的苦味和扎針的疼痛了嗎？
2019年，美國(guó)科學(xué)家宣布一項(xiàng)納米機(jī)器人實(shí)驗(yàn)的重大突破：借助光聲斷層成像技術(shù)，實(shí)時(shí)控制納米機(jī)器人，讓它們準(zhǔn)確抵達(dá)人體某個(gè)部位（比如腸癌病人的腸道腫瘤處），實(shí)現(xiàn)藥物遞送，或?qū)Π┳兗?xì)胞進(jìn)行智能微手術(shù)。
納米機(jī)器人是一種借助最先進(jìn)的芯片和納米技術(shù)，在原子水平上精確地建造和操縱物體的機(jī)器人。而3D打印大批量個(gè)性化制造的優(yōu)勢(shì)，在微結(jié)構(gòu)領(lǐng)域?yàn)榇笠?guī)模個(gè)性化制造提供了可能性。據(jù)悉，現(xiàn)在已經(jīng)可以通過3D打印，一次制造出幾十萬個(gè)納米機(jī)器人，在人類無法進(jìn)行操作的分子層面上對(duì)原子和細(xì)胞結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)一系列操作[12]。
意大利Istituto Italiano di Tecnologia的研究人員利用納米級(jí)3D打印開發(fā)了一種混合納米技術(shù)設(shè)備，可以用來更好地了解藥物如何穿透血腦屏障向中樞神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)發(fā)，幫助開發(fā)腦部疾病和腫瘤（腦癌，老年癡呆癥，多發(fā)性硬化癥等）的治療方法[13]。
微納米3D打印是目前全球最前沿的先進(jìn)制造領(lǐng)域之一，目前主流的微納米3D打印技術(shù)分為雙光子聚合TPP技術(shù)和面投影立體光刻技術(shù)（Projection Micro Litho Stereo Exposure）。該技術(shù)在復(fù)雜三維微納結(jié)構(gòu)、高深寬比微納結(jié)構(gòu)和復(fù)合(多材料)材料微納結(jié)構(gòu)制造方面具有很高的潛能和突出優(yōu)勢(shì)，而且還具有設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低、效率高、可使用材料種類廣、無需掩模或模具、直接成形等優(yōu)點(diǎn)。
8. 器官3D打印
生物3D打印是指將細(xì)胞及生物水凝膠及生長(zhǎng)因子等混合成生物墨水，通過3D打印的方式實(shí)現(xiàn)組織/器官的體外再造。該技術(shù)工藝可有效模擬組織/器官結(jié)構(gòu)，在器官發(fā)育機(jī)制、病變機(jī)理、藥物評(píng)價(jià)、再生修復(fù)等領(lǐng)域有眾多應(yīng)用[14]。
雖然生物3D打?。ㄝd細(xì)胞打印）暫時(shí)還未真正進(jìn)入臨床應(yīng)用，也仍有很多問題待深入研究，但我們依然可以看到其正處于一個(gè)高速發(fā)展的過程中。
以色列特拉維夫大學(xué)研究人員利用患者細(xì)胞和生物材料首次成功設(shè)計(jì)和打印出了充滿細(xì)胞、血管并有心室和心房的完整心臟。該3D打印人工心臟是以人體細(xì)胞和具患者特異性的生物材料作為生物打印原料制成。研究顯示這種方法在未來的個(gè)性化組織和器官置換中具有潛力[15]。
英國(guó)紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)（Newcastle University）組織工程學(xué)的研究員們利用人體細(xì)胞3D打印出了人造角膜。他們將一種由藻酸鹽和膠原蛋白組成的“生物墨水”與人類的角膜干細(xì)胞混合在一起，然后進(jìn)行3D打印，干細(xì)胞就會(huì)在生物墨水周圍開始生長(zhǎng)。這項(xiàng)研究為將來的大范圍人造眼角膜移植提供了一種新思路[17]。
據(jù)2019年《科學(xué)》雜志封面報(bào)道，美國(guó)萊斯大學(xué)與華盛頓大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)帶來一項(xiàng)具有里程碑意義的發(fā)明——一個(gè)由水凝膠3D打印而成的肺模型，它具有與人體血管、氣管結(jié)構(gòu)相同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能夠像肺部一樣朝周圍的血管輸送氧氣，完成“呼吸”過程。從外形來看，這個(gè)人造器官還沒有一枚硬幣大。研究人員表示，這一領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)是制造較大的活組織塊，并且保證它有可存活的、運(yùn)轉(zhuǎn)正常的細(xì)胞，制造這種活組織塊非常容易，但確保這種活組織內(nèi)細(xì)胞的可存活性以及功能性是個(gè)挑戰(zhàn)[18]。
如果說通過組織工程再生器官實(shí)現(xiàn)“哪里壞了換哪里”是人類在醫(yī)學(xué)上的一個(gè)理想，那么3D打印技術(shù)則為這個(gè)理想的實(shí)現(xiàn)打開了一扇大門。以肺部器官為例，據(jù)統(tǒng)計(jì)，肺部疾病是全球發(fā)病率都較高的一類疾病，尤其對(duì)于慢性阻塞性肺疾病（COPD）、特發(fā)性肺纖維化（IPF）、肺囊性纖維化、ɑ-1抗胰蛋白酶缺乏，特發(fā)性肺動(dòng)脈高壓等肺部疾病來說，在條件允許的情況下通常都需要通過肺移植的方式來進(jìn)行治療。但適合的病人往往難有合適的肺源。隨著科技的發(fā)展，如果有一天能夠借助3D打印技術(shù)，快速制造出符合人體植入要求的肺部器官，就可以彌補(bǔ)捐獻(xiàn)器官的短缺，更快速、精準(zhǔn)地滿足患者需求。
結(jié)語
在過去長(zhǎng)達(dá)一個(gè)世紀(jì)的時(shí)間里，人類在減少甚至消除生物疾病方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，例如青霉素的出現(xiàn)以及 CRISPR 基因編輯技術(shù)等?，F(xiàn)在，隨著如3D打印、人工智能等各類前沿科技在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的不斷發(fā)展，人類的醫(yī)療進(jìn)程可能會(huì)發(fā)生巨大的變化。3D打印技術(shù)如今已被廣泛應(yīng)用于康復(fù)醫(yī)療器械、醫(yī)學(xué)模型、手術(shù)導(dǎo)板、生物打印、藥物研發(fā)等諸多方面。而在這次抗擊新冠肺炎疫情中，3D打印也發(fā)揮了小批量、分布式、快速制造、無人化生產(chǎn)的靈活優(yōu)勢(shì)，為疫情防控貢獻(xiàn)了自身的力量。這讓我們有理由相信，科技的進(jìn)步將會(huì)帶來一個(gè)更美好的世界，人類也必將可以更加從容無畏地面對(duì)疾病和未來。
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作為3D打印行業(yè)的一員，我們需要思考的是，面對(duì)高度傳染性病毒，3D打印能做什么貢獻(xiàn)？
大家知道，傳統(tǒng)制造是量越大，每件制造成本越低，零件越復(fù)雜，每件制造成本越高。而3D打印無論批量大小、復(fù)雜程度如何，每件制造成本基本恒定。這就表明了3D打印的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)有兩個(gè)大的方面：一是小批量多品種快速制造/定制，另一個(gè)是制造復(fù)雜部件。從市場(chǎng)來看，就如計(jì)算機(jī)剛開始主要用于工業(yè)控制一樣，3D打印初始也是用于工業(yè)的，成為工程師、設(shè)計(jì)師等專業(yè)人士的模型設(shè)計(jì)工具；接下來就開始進(jìn)入教育市場(chǎng)，從培養(yǎng)3D打印的使用到設(shè)計(jì)、創(chuàng)造，最終培養(yǎng)出一批具有增材思維和創(chuàng)造力的人才。隨著3D打印技術(shù)和理念的普及和易用性的提升，它將進(jìn)入廣闊的規(guī)模化工業(yè)領(lǐng)域和廣大家庭。
在爆發(fā)疫情等特殊時(shí)期，對(duì)于護(hù)目鏡、口罩、測(cè)溫儀等必備的防護(hù)用具及醫(yī)療保障物資的制造，就可以發(fā)揮3D打印小批量、分布式、快速制造的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)本地生產(chǎn)，就近服務(wù)，滿足千人量級(jí)的日常使用需求。此外，還可共享數(shù)據(jù)模型，利用云制造平臺(tái)（如三帝云制造www.topktec.cn）實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同生產(chǎn)，提高并行生產(chǎn)效率，滿足更大量級(jí)的批量需求。3D打印技術(shù)可以通過康復(fù)醫(yī)療器械、醫(yī)學(xué)模型、手術(shù)導(dǎo)板、方艙醫(yī)院建造、生物/器官打印、納米機(jī)器人打印、藥物研發(fā)等諸多方面，在抗擊傳染性病毒中發(fā)揮作用。
1. 3D打印護(hù)目鏡
對(duì)于如新冠肺炎病毒這類具有飛沫傳播感染性的病毒，護(hù)目鏡成為戰(zhàn)“疫”一線的醫(yī)務(wù)人員及需與患者密切接觸人員的必備防護(hù)用具。市場(chǎng)上常見的護(hù)目鏡，開模時(shí)間長(zhǎng)達(dá)14天，而利用FDM 3D打印技術(shù)生產(chǎn)的醫(yī)用護(hù)目鏡，不僅密封度高，且重量只有普通護(hù)目鏡的3/4，還可根據(jù)個(gè)人面部數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)私人化定制[2]。
圖1 運(yùn)用3D打印技術(shù)生產(chǎn)的醫(yī)用護(hù)目鏡[3]
湖南云箭集團(tuán)增材制造研究應(yīng)用中心內(nèi)的50余臺(tái)FDM 3D打印機(jī)每日生產(chǎn)醫(yī)用護(hù)目鏡200余套。據(jù)了解，1月31日，這家公司利用原有成熟的3D打印技術(shù)，應(yīng)急研制生產(chǎn)醫(yī)用護(hù)目鏡；2月7日，首批醫(yī)用護(hù)目鏡通過長(zhǎng)沙市市場(chǎng)監(jiān)督管理局備案準(zhǔn)入；2月10日，這家公司生產(chǎn)的首批500套護(hù)目鏡已發(fā)往長(zhǎng)沙和懷化，馳援抗“疫”一線[3]。
圖2 三帝科技3D打印車間一角
3D打印定制個(gè)性化的防護(hù)用品，能提升防護(hù)效果。三帝科技采用原有成熟的FDM 3D打印技術(shù)，應(yīng)急研制生產(chǎn)3D醫(yī)用隔離防護(hù)鏡，用于醫(yī)療機(jī)構(gòu)中檢查治療時(shí)起防護(hù)作用，阻隔體液、血液飛濺或潑濺。規(guī)格型號(hào)齊全：YP-EM-S、YP-EM-M、YP-EM-L、YP-EM-C（定制）等。采用先進(jìn)的EVA面部掃描系統(tǒng)，結(jié)合逆向工程軟件設(shè)計(jì)出定制化的3D醫(yī)用隔離防護(hù)鏡，選取有良好生物相融性的材料進(jìn)行3D打印，制造出來的3D醫(yī)用隔離防護(hù)鏡具有防霧化、舒適、完美貼合部位等特點(diǎn)。
圖3 三帝科技3D醫(yī)用隔離防護(hù)鏡設(shè)計(jì)示意圖及打印樣
2. 3D打印口罩
口罩作為疫情防護(hù)中人體的“第一道防線”，其重要性不言而喻。而口罩的適配性、功能性、舒適性等因素，都會(huì)對(duì)其防護(hù)效果產(chǎn)生影響。
根據(jù)佩戴者的頭部、面部掃描數(shù)據(jù)，進(jìn)行三維建模，再3D打印的個(gè)性化定制口罩，可保證口罩與佩戴者面部的充分貼合，極大提升口罩的適配性和相對(duì)密閉性。
運(yùn)用3D打印個(gè)性化定制的特點(diǎn)，可制作針對(duì)不同人群的專用口罩。2018年，波蘭設(shè)計(jì)師巴特羅米奇·加克左雷科便聯(lián)合一家3D打印服務(wù)商專門設(shè)計(jì)和制作了兒童專用的抗污染口罩，以保護(hù)兒童免受污染侵害。這款3D打印口罩的內(nèi)置物可替換為活性炭、過濾棉等介質(zhì)，輕量化設(shè)計(jì)令其佩戴起來輕巧舒適，可在一定程度上減少兒童對(duì)佩戴口罩的抵抗情緒[4]。
圖4 3D打印兒童專用防護(hù)口罩[4]
據(jù)了解，該款口罩采用的原料是PA12尼龍（用于硬質(zhì)部件）和TPU（用于柔性部件），通過選擇性激光粉末燒結(jié)（SLS）工藝打印而成[5]。
圖5 3D打印口罩，外觀神似《蝙蝠俠：黑暗騎士崛起》中的口罩[5]
三帝科技結(jié)合3D打印技術(shù)優(yōu)化口罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提升口罩的功能性。例如可更換式呼吸閥濾芯的設(shè)計(jì)，不僅利于口罩的清潔，也可延長(zhǎng)口罩的使用壽命，降低使用成本。三帝科技醫(yī)療團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)急研發(fā)設(shè)計(jì)了分離式口罩固定裝置，客戶可將口罩分離裝置與自己的口罩相結(jié)合，把一次性醫(yī)用口罩夾在分離裝置中使用。規(guī)格型號(hào)齊全：YFD-DM-MEN、YFD-DM-WOMEN、YFD-DM-CHILDREN、YFD-DM-CUSTOMIZE（定制）等。目前市面上可以看到可更換濾芯的口罩，材質(zhì)為食品級(jí)硅膠和ABS、PLA塑料件，濾芯采用HEPA結(jié)構(gòu)。如果選用適合的材料，采用3D打印技術(shù)來制作，將會(huì)是一種可以實(shí)現(xiàn)低成本、快速個(gè)性化定制的方式。
圖6 可更換濾芯的口罩
在防疫防護(hù)中，需要超長(zhǎng)時(shí)間佩戴口罩，三帝科技旗下的七號(hào)科技通過3D打印的口罩輔助配件來提升佩戴的舒適性，緩解佩戴口罩造成的耳部疼痛，可調(diào)式卡扣設(shè)計(jì)可以根據(jù)個(gè)人頭型調(diào)節(jié)佩戴的松緊度，讓口罩更貼合，防護(hù)更到位，且不易滑落。
圖7 七號(hào)科技萬物打印ear carer 3D打印口罩伴侶
日本設(shè)計(jì)師野崎靖采用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)了一款Maskal口罩架，其由柔軟的硅膠制成，主要原理是較普通口罩增大了施力面，像戴眼鏡一樣的方式讓口罩的摘戴更方便。口罩架中央貼住鼻子的部分撐出了額外的呼吸空間，令呼吸更順暢，整體佩戴感更舒適[6]。
圖8 3D打印口罩架[6]
3. 3D打印手持式紅外線測(cè)溫儀
手持式紅外線測(cè)溫儀（俗稱“額溫槍”）是防疫一線的醫(yī)療保障物資，如果開模具生產(chǎn)，開模時(shí)間最少要20天，在這段空檔期內(nèi)，3D打印免開模具小批量快速生產(chǎn)就發(fā)揮出了巨大的優(yōu)勢(shì)作用。重慶領(lǐng)航新智誠(chéng)科技利用SLA 3D打印技術(shù)快速設(shè)計(jì)、迭代、試產(chǎn)、批產(chǎn)，10天內(nèi)完成了2200套手持式紅外線測(cè)溫儀的外殼制造[7]。
圖9 3D打印手持式紅外線測(cè)溫儀[7]
4.3D打印隔離屋
在抗擊疫情中，專用隔離病房是疫情防控救治的必備硬件設(shè)施，3D打印可以發(fā)揮數(shù)字化建造的優(yōu)勢(shì)快速建造應(yīng)急隔離屋，緩解抗疫一線的燃眉之急。2020年2月13日，盈創(chuàng)新材料捐贈(zèng)的首批15套3D打印隔離屋運(yùn)抵湖北咸寧中心醫(yī)院，這批隔離屋可以用于新冠肺炎患者的入住。該建筑運(yùn)用3D打印技術(shù)一體化成型，墻體與鏤空的柵格成一體，面積約10平方米，高度為2.8米，采用殼體結(jié)構(gòu)，整體受力均勻，具有快速制造、抗風(fēng)抗震、保溫隔熱的效果，通電后即可使用，符合隔離需求[7]。
圖10 3D打印隔離屋[7]
3D打印隔離屋是一種健康、環(huán)保、可持續(xù)性的建造方式。材料利用率高，采用廢棄物再生材料建造，增材制造的建造方式也大大減少了材料浪費(fèi)；快速交付，平均打印一間隔離屋約需要2個(gè)小時(shí)，一天24小時(shí)可打印十幾間。加上室內(nèi)裝修、水電、衛(wèi)浴設(shè)施配備的時(shí)間，一個(gè)房屋從打印到交付大約需要兩到三天時(shí)間；因地制宜，靈活安裝，房屋可卡車運(yùn)輸、吊裝且無需地基，不需要大規(guī)模施工，可滿足病患人數(shù)較少的地區(qū)使用需求[8]。
5. 3D打印醫(yī)學(xué)類模型
疫情爆發(fā)后，病毒研究和疫苗研制工作刻不容緩。通過CT(Computed Tomography，電子計(jì)算機(jī)斷層掃描)或MRI(Magnetic Resonance Imaging，磁共振成像)等醫(yī)學(xué)影像學(xué)數(shù)據(jù)，創(chuàng)建三維數(shù)字模型，并將模型3D打印成具體的實(shí)物，對(duì)于醫(yī)學(xué)研究、病理分析、手術(shù)方案設(shè)計(jì)和預(yù)演、教學(xué)培訓(xùn)等，具有很強(qiáng)的臨床實(shí)用價(jià)值。
在新冠肺炎疫情爆發(fā)后，3D打印技術(shù)也迅速被應(yīng)用到國(guó)內(nèi)的病毒研究和疫苗研制的工作中。廣州形優(yōu)科技依照感染者確診5天時(shí)的肺部病灶CT數(shù)據(jù)進(jìn)行3D重建，采用PolyJet材料打印出了新冠病毒肺部感染病例的彩色模型，新冠病毒的毛玻璃狀影像特征得以清晰呈現(xiàn)，幫助醫(yī)學(xué)專家更直觀地進(jìn)行病例實(shí)體分析和演繹[9]。
圖11 3D打印新冠病毒肺部感染模型[9]
同時(shí)，上?？萍即髮W(xué)免疫化學(xué)研究所和中國(guó)科學(xué)院上海藥物研究所抗新型冠狀病毒感染聯(lián)合應(yīng)急攻關(guān)團(tuán)隊(duì)也公布了2019-nCoV冠狀病毒3CL水解酶（Mpro）的高分率晶體結(jié)構(gòu)，供更多科技工作者，特別是藥物研發(fā)人員使用[9]。早在2017年，中國(guó)科學(xué)院武漢病毒研究所便運(yùn)用3D打印技術(shù)，利用病毒結(jié)構(gòu)生物學(xué)的科研成果，制作了幾種代表性的病毒模型，通過復(fù)原病毒結(jié)構(gòu)的真實(shí)形貌，幫助大家更直觀、生動(dòng)地了解病毒[10]。
圖12 新冠病毒模型[9]
圖13 幾種3D打印病毒模型[10]
6. 3D打印藥物制劑
自20世紀(jì)90年代初期以來，很多研究機(jī)構(gòu)一直在進(jìn)行對(duì)3D打印藥物遞送裝置（drug delivery device，DDD）在藥物制劑中應(yīng)用的研究，直到2015年7月，全球首款由3D打印技術(shù)研發(fā)制備的左乙拉西坦速溶片（商品名：Spritam）獲得美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）批準(zhǔn)上市，從而使3D打印技術(shù)在藥物制劑領(lǐng)域獲得了極大的關(guān)注。在藥物制劑領(lǐng)域，3D打印技術(shù)具有空間分布精確、釋放精準(zhǔn)、藥物劑量可控等優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)制藥技術(shù)的不足，發(fā)展前景廣闊。目前，應(yīng)用在藥物制劑領(lǐng)域的3D打印技術(shù)主要有黏結(jié)劑噴射技術(shù)（BJ）、材料擠壓技術(shù)（FDM）、SLA。
研究人員最早使用黏結(jié)劑噴射技術(shù)（BJ）進(jìn)行3D打印片劑的開發(fā)工作，Katstra等使用黏結(jié)劑噴射技術(shù)，通過調(diào)節(jié)黏結(jié)劑或聚合物濃度，獲得了與傳統(tǒng)制造工藝硬度和脆碎度相當(dāng)?shù)钠瑒?。Aprecia公司在收購(gòu)麻省理工學(xué)院3D藥物打印技術(shù)后，開發(fā)了名為 ZipDose的技術(shù)平臺(tái)，并以3D打印的模式層層制備Spritam片劑，讓兒童、老人或有精神障礙等吞咽困難的患者能夠更好地服藥。張惠檄等使用擠壓式3D打印技術(shù)打印了不同形狀的阿司匹林雙層片，實(shí)驗(yàn)表明其較傳統(tǒng)壓制的阿司匹林雙層片的緩釋效果更好。Lu等采用 SLA 3D打印技術(shù)，以治療皮膚癌的達(dá)卡巴嗪為模型藥物，打印了由25根聚富馬酸二羥丙酯微針組成的載藥微陣列，以實(shí)現(xiàn)化療藥物的透皮給藥[11]。
圖14 包括5種藥物的3D打印
與傳統(tǒng)藥物制備工藝相比， 3D打印技術(shù)具有極高的可控性和靈活性，非常適合個(gè)性化制劑及創(chuàng)新型制劑的制造。雖然3D打印技術(shù)仍存在諸多技術(shù)及監(jiān)管方面的挑戰(zhàn)，但相信通過進(jìn)一步的發(fā)展，目前存在的問題終會(huì)得以解決，3D打印將為醫(yī)藥發(fā)展帶來新的機(jī)遇和希望，加速個(gè)性化、智能化給藥時(shí)代的到來[11]。
7. 納米機(jī)器人3D打印
當(dāng)人體遇到病毒或細(xì)菌侵害時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生免疫反應(yīng)，比如發(fā)燒。如果遇到持續(xù)發(fā)燒，人們通常都會(huì)通過吃藥、打針來進(jìn)行治療。如果可以往血液里植入一個(gè)納米機(jī)器人，由它們來探測(cè)到發(fā)燒的原因，并可以直接對(duì)感染部位進(jìn)行治療，患者不就不用再忍受藥片的苦味和扎針的疼痛了嗎？
2019年，美國(guó)科學(xué)家宣布一項(xiàng)納米機(jī)器人實(shí)驗(yàn)的重大突破：借助光聲斷層成像技術(shù)，實(shí)時(shí)控制納米機(jī)器人，讓它們準(zhǔn)確抵達(dá)人體某個(gè)部位（比如腸癌病人的腸道腫瘤處），實(shí)現(xiàn)藥物遞送，或?qū)Π┳兗?xì)胞進(jìn)行智能微手術(shù)。
納米機(jī)器人是一種借助最先進(jìn)的芯片和納米技術(shù)，在原子水平上精確地建造和操縱物體的機(jī)器人。而3D打印大批量個(gè)性化制造的優(yōu)勢(shì)，在微結(jié)構(gòu)領(lǐng)域?yàn)榇笠?guī)模個(gè)性化制造提供了可能性。據(jù)悉，現(xiàn)在已經(jīng)可以通過3D打印，一次制造出幾十萬個(gè)納米機(jī)器人，在人類無法進(jìn)行操作的分子層面上對(duì)原子和細(xì)胞結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)一系列操作[12]。
圖15 納米機(jī)器人
意大利Istituto Italiano di Tecnologia的研究人員利用納米級(jí)3D打印開發(fā)了一種混合納米技術(shù)設(shè)備，可以用來更好地了解藥物如何穿透血腦屏障向中樞神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)發(fā)，幫助開發(fā)腦部疾病和腫瘤（腦癌，老年癡呆癥，多發(fā)性硬化癥等）的治療方法[13]。
微納米3D打印是目前全球最前沿的先進(jìn)制造領(lǐng)域之一，目前主流的微納米3D打印技術(shù)分為雙光子聚合TPP技術(shù)和面投影立體光刻技術(shù)（Projection Micro Litho Stereo Exposure）。該技術(shù)在復(fù)雜三維微納結(jié)構(gòu)、高深寬比微納結(jié)構(gòu)和復(fù)合(多材料)材料微納結(jié)構(gòu)制造方面具有很高的潛能和突出優(yōu)勢(shì)，而且還具有設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低、效率高、可使用材料種類廣、無需掩模或模具、直接成形等優(yōu)點(diǎn)。
8. 器官3D打印
生物3D打印是指將細(xì)胞及生物水凝膠及生長(zhǎng)因子等混合成生物墨水，通過3D打印的方式實(shí)現(xiàn)組織/器官的體外再造。該技術(shù)工藝可有效模擬組織/器官結(jié)構(gòu)，在器官發(fā)育機(jī)制、病變機(jī)理、藥物評(píng)價(jià)、再生修復(fù)等領(lǐng)域有眾多應(yīng)用[14]。
雖然生物3D打?。ㄝd細(xì)胞打印）暫時(shí)還未真正進(jìn)入臨床應(yīng)用，也仍有很多問題待深入研究，但我們依然可以看到其正處于一個(gè)高速發(fā)展的過程中。
以色列特拉維夫大學(xué)研究人員利用患者細(xì)胞和生物材料首次成功設(shè)計(jì)和打印出了充滿細(xì)胞、血管并有心室和心房的完整心臟。該3D打印人工心臟是以人體細(xì)胞和具患者特異性的生物材料作為生物打印原料制成。研究顯示這種方法在未來的個(gè)性化組織和器官置換中具有潛力[15]。
圖16 由患者細(xì)胞制成的3D打印小型人體心臟[16]
英國(guó)紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)（Newcastle University）組織工程學(xué)的研究員們利用人體細(xì)胞3D打印出了人造角膜。他們將一種由藻酸鹽和膠原蛋白組成的“生物墨水”與人類的角膜干細(xì)胞混合在一起，然后進(jìn)行3D打印，干細(xì)胞就會(huì)在生物墨水周圍開始生長(zhǎng)。這項(xiàng)研究為將來的大范圍人造眼角膜移植提供了一種新思路[17]。
據(jù)2019年《科學(xué)》雜志封面報(bào)道，美國(guó)萊斯大學(xué)與華盛頓大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)帶來一項(xiàng)具有里程碑意義的發(fā)明——一個(gè)由水凝膠3D打印而成的肺模型，它具有與人體血管、氣管結(jié)構(gòu)相同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能夠像肺部一樣朝周圍的血管輸送氧氣，完成“呼吸”過程。從外形來看，這個(gè)人造器官還沒有一枚硬幣大。研究人員表示，這一領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)是制造較大的活組織塊，并且保證它有可存活的、運(yùn)轉(zhuǎn)正常的細(xì)胞，制造這種活組織塊非常容易，但確保這種活組織內(nèi)細(xì)胞的可存活性以及功能性是個(gè)挑戰(zhàn)[18]。
圖17 3D打印肺模型[18]
如果說通過組織工程再生器官實(shí)現(xiàn)“哪里壞了換哪里”是人類在醫(yī)學(xué)上的一個(gè)理想，那么3D打印技術(shù)則為這個(gè)理想的實(shí)現(xiàn)打開了一扇大門。以肺部器官為例，據(jù)統(tǒng)計(jì)，肺部疾病是全球發(fā)病率都較高的一類疾病，尤其對(duì)于慢性阻塞性肺疾病（COPD）、特發(fā)性肺纖維化（IPF）、肺囊性纖維化、ɑ-1抗胰蛋白酶缺乏，特發(fā)性肺動(dòng)脈高壓等肺部疾病來說，在條件允許的情況下通常都需要通過肺移植的方式來進(jìn)行治療。但適合的病人往往難有合適的肺源。隨著科技的發(fā)展，如果有一天能夠借助3D打印技術(shù)，快速制造出符合人體植入要求的肺部器官，就可以彌補(bǔ)捐獻(xiàn)器官的短缺，更快速、精準(zhǔn)地滿足患者需求。
結(jié)語
在過去長(zhǎng)達(dá)一個(gè)世紀(jì)的時(shí)間里，人類在減少甚至消除生物疾病方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，例如青霉素的出現(xiàn)以及 CRISPR 基因編輯技術(shù)等?，F(xiàn)在，隨著如3D打印、人工智能等各類前沿科技在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的不斷發(fā)展，人類的醫(yī)療進(jìn)程可能會(huì)發(fā)生巨大的變化。3D打印技術(shù)如今已被廣泛應(yīng)用于康復(fù)醫(yī)療器械、醫(yī)學(xué)模型、手術(shù)導(dǎo)板、生物打印、藥物研發(fā)等諸多方面。而在這次抗擊新冠肺炎疫情中，3D打印也發(fā)揮了小批量、分布式、快速制造、無人化生產(chǎn)的靈活優(yōu)勢(shì)，為疫情防控貢獻(xiàn)了自身的力量。這讓我們有理由相信，科技的進(jìn)步將會(huì)帶來一個(gè)更美好的世界，人類也必將可以更加從容無畏地面對(duì)疾病和未來。
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