手術(shù)應(yīng)用3D打印技術(shù)，為患者定制個(gè)性化內(nèi)固定接骨板進(jìn)行骨折內(nèi)固定治療。該定制化的接骨板使用創(chuàng)新設(shè)計(jì)，其骨接觸面模仿人工關(guān)節(jié)的表面設(shè)計(jì)，為類骨小梁微孔設(shè)計(jì)，有利于接骨板和骨骼之間產(chǎn)生骨長入，大大增加接骨板系統(tǒng)對骨折部位的穩(wěn)定功能。
與傳統(tǒng)技術(shù)相比，3D打印植入的多孔材料減少了骨骼與植入物合金之間的彈性模量不匹配，減輕了應(yīng)力屏蔽效果并改善了植入物的形態(tài)，為組織向內(nèi)生長提供了生物材料錨固效應(yīng)，讓過去無法治療的骨科嚴(yán)重疾病有了新的治療方式。
3D打印植入物于復(fù)雜骨折重建的成功應(yīng)用，將推動(dòng)國內(nèi)骨科創(chuàng)傷領(lǐng)域的治療邁上新的臺階，也標(biāo)志著我國在骨科醫(yī)療器械，特別是骨科植入物器械方面取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。同時(shí)，也預(yù)示著3D打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)由科學(xué)研究向臨床應(yīng)用和初期的商業(yè)開發(fā)邁進(jìn)。
3D打印與原材料技術(shù)建立協(xié)同關(guān)系
3D打印是將材料一層一層堆積而成，因此也稱為增材制造技術(shù)。其最早出現(xiàn)于上世紀(jì)90年代中期，是快速成型技術(shù)的一種。以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用可粘合材料，通過逐層打印的方式構(gòu)造物體。
其原料與其他多個(gè)領(lǐng)域使用的原料具有廣泛通用性，這是構(gòu)成三維（3D）打印領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，3D打印最初用于制造生物假體，現(xiàn)已擴(kuò)展至細(xì)胞、組織和器官打印，并用于制造醫(yī)用機(jī)器人。目前，各種新穎的材料正在涌現(xiàn)，并將提供更多臨床應(yīng)用方案以供醫(yī)生選擇——特別是用于治療棘手的疾病。
在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，應(yīng)用最廣泛的材料是生物相容性材料。3D打印還會(huì)用到各種均質(zhì)和非均質(zhì)復(fù)合材料，這帶來了更多的挑戰(zhàn)；使用異質(zhì)復(fù)合材料進(jìn)行3D打印尤其富有挑戰(zhàn)性。
3D打印已成為支撐粵港澳大灣區(qū)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要分支之一。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，3D打印最初用于制造生物假體；但現(xiàn)已擴(kuò)展至細(xì)胞、組織和器官打印，并用于制造醫(yī)用機(jī)器人。許多具有特殊部件或特性的器械需通過能夠匹配3D甚至四維（4D）打印技術(shù)的專用材料制成（在4D打印中，產(chǎn)品會(huì)隨著時(shí)間的推移而發(fā)生變化，從而形成另一種維度）。
在產(chǎn)品的梯度設(shè)計(jì)中，首先需要構(gòu)建和打印產(chǎn)品。在產(chǎn)品研發(fā)之初，就能測試生物降解性和生物相容性等基本特性。3D打印的由形狀記憶合金構(gòu)成的血管支架等智能器械也進(jìn)入了研發(fā)（R&D）階段。由此可見，各種新穎的材料正在涌現(xiàn)，并將提供更多臨床應(yīng)用方案以供醫(yī)生選擇——特別是用于治療棘手的疾病。
傳統(tǒng)的3D打印技術(shù)源于外國公司，并包括3D打印原料的研發(fā)，而這些原料通常會(huì)被這些公司所壟斷。這使得研發(fā)生物醫(yī)用的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的粉體或油墨原料以滿足國內(nèi)應(yīng)用需求具有重要意義。因此，人們必須注重原料的創(chuàng)新和開發(fā)、質(zhì)量控制并制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)——特別是針對臨床應(yīng)用研發(fā)的三類植入物。
3D打印和原材料研發(fā)之間從一開始就需要建立協(xié)同關(guān)系。從材料制造的角度而言，3D打印的成型、制備和固化過程有別于傳統(tǒng)加工過程。例如，鈦合金在臨床應(yīng)用中已經(jīng)十分成熟，但不能直接用于3D打印。這些材料必須首先被霧化成粉體，并優(yōu)化其成分組成，以適用于3D打印。因此，關(guān)鍵的研究方向應(yīng)包括研發(fā)適用于3D打印的原料以及傳統(tǒng)醫(yī)用金屬材料的定向設(shè)計(jì)，并且研究中需要開展多學(xué)科協(xié)作。
3D打印制造前沿技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用
骨科植入物的形狀、結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)和設(shè)備的性能取決于打印原理和工藝。打印設(shè)備的可重復(fù)性在制造過程中也需要考慮。
除了原料和3D打印設(shè)備外，還需重視增材制造中的以下關(guān)鍵工藝：加工具有不同工藝特征的多元復(fù)合材料；整合不同材料的非均一性（可能需要使用復(fù)雜的加工技術(shù)）；在多元材料加工中，不同材料的界面特性造成了材料之間的界面不穩(wěn)定，使得成品的完整性受損；復(fù)雜多層結(jié)構(gòu)的精密成型以及梯度的排列組合也是需要關(guān)注的重要難題；對于生物打印而言，活細(xì)胞被視為生物材料的一部分，所以維持打印后細(xì)胞的活性和功能也至關(guān)重要。
作為骨科材料的金屬醫(yī)用材料（如鈦合金）在臨床應(yīng)用中存在難以逾越的問題。例如，這些材料的彈性模量較高，這可能引起應(yīng)力遮擋效應(yīng)和韌性不足的問題。聚醚醚酮（PEEK）是新一代的醫(yī)用植入材料之一，其優(yōu)點(diǎn)在于密度和模量接近天然的皮質(zhì)骨，但缺點(diǎn)是熱導(dǎo)率較低，同時(shí)利用3D打印生產(chǎn)聚醚醚酮器械的制造過程也遇到了急需解決的難題。我國工程師發(fā)明了用于3D打印的冷沉積工藝，該工藝通過設(shè)置噴管冷卻率、冷卻條件和其他參數(shù)來調(diào)控制備過程。該工藝可調(diào)控聚醚醚酮的結(jié)晶度并控制其結(jié)晶度的分子水平，以調(diào)控聚醚醚酮的機(jī)械性能。
迄今為止，工程師們已使用3D打印的聚醚醚酮器械治療了70多例臨床病例，實(shí)現(xiàn)了從最開始的滿足形狀要求到滿足性能要求的發(fā)展。但人工假體與宿主組織的整合是一項(xiàng)需要在未來的材料設(shè)計(jì)和制備過程中解決的任務(wù)。在材料設(shè)計(jì)中原則上應(yīng)滿足其預(yù)期功能，同時(shí)應(yīng)整合制造工藝，以滿足定制假體的功能要求。
3D打印對生物醫(yī)學(xué)價(jià)值巨大
生物組織的3D打印技術(shù)也被稱為生物打印，該技術(shù)已用于將胚胎干細(xì)胞裝配成球體，調(diào)整球體大小，并使干細(xì)胞分化形成胚胎。例如，生物打印可使干細(xì)胞沉積成球體，并誘導(dǎo)其成為肝細(xì)胞，以供藥物測試。與傳統(tǒng)模型相比，由生物打印技術(shù)構(gòu)建的體外3D模型更接近人體，并且使用這種模型獲得的結(jié)果能更真實(shí)地反映實(shí)際情況。在藥物研發(fā)過程中，根據(jù)2D模型開展的實(shí)驗(yàn)往往不太準(zhǔn)確且成功率較低，導(dǎo)致大量資源被浪費(fèi)。生物打印可用于制作更接近人體的仿生模型，從而為生物發(fā)展、癌癥研究和新藥研發(fā)提供了卓越的工具。
生物打印必須包括以下步驟：
第一，需設(shè)計(jì)3D打印的生物材料特性。細(xì)胞可作為生物材料，如打印含細(xì)胞的生物材料，需考慮在打印完成后維持細(xì)胞功能。機(jī)器硬件和3D打印材料的研發(fā)也需要反映這些進(jìn)展。
第二，需確定生物打印的組織如何發(fā)揮作用。在生物打印發(fā)展之初一般能直接打印具有形態(tài)相似的器官或組織，如心臟和血管。但是，這些生物器官或組織不僅可實(shí)現(xiàn)3D打印，還需形成特有的功能，因此材料設(shè)計(jì)和制造面臨著更艱巨的挑戰(zhàn)。
第三，在細(xì)胞打印過程中，需在特定位置打印不同細(xì)胞，以保持三維結(jié)構(gòu)，并確保打印的細(xì)胞具有較高的存活率，需要按照特定的空間分布，以發(fā)揮相應(yīng)的功能。
網(wǎng)絡(luò)公開信息顯示，2013年杭州電子科技大學(xué)成功研制出可同時(shí)打印生物材料和活細(xì)胞的3D打印機(jī)。2015年，四川藍(lán)光英諾生物科技股份有限公司成功研制出世界首創(chuàng)的3D生物血管打印機(jī)。
3D生物打印機(jī)讀取由醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)重建或設(shè)計(jì)的三維模型，將模型離散成多個(gè)片層，計(jì)算機(jī)控制打印噴頭逐層打印由生物材料或細(xì)胞組成的“生物墨水”，不斷重復(fù)這一過程，直至打印完成三維組織前體。隨后，細(xì)胞開始重新組織、熔合，最終形成新的血管、工程支架、組織器官、生物模型等生物醫(yī)學(xué)產(chǎn)品。
技術(shù)、政策驅(qū)動(dòng)醫(yī)用3D打印發(fā)展
2017年，中國工信部、發(fā)改委、國家衛(wèi)計(jì)委以及財(cái)政部等十二部門聯(lián)合印發(fā)了《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2017-2020年）》，其中提出要建立“3D打印+醫(yī)療”的示范應(yīng)用。針對醫(yī)療領(lǐng)域個(gè)性化醫(yī)療器械（含醫(yī)用非醫(yī)療器械）、康復(fù)器械、植入物、軟組織修復(fù)、新藥開發(fā)等需求，推動(dòng)完善個(gè)性化醫(yī)用增材制造產(chǎn)品在分類、臨床檢驗(yàn)、注冊、市場準(zhǔn)入等方面的政策法規(guī)，研究確定醫(yī)用增材制造產(chǎn)品及服務(wù)的醫(yī)療服務(wù)項(xiàng)目收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)和醫(yī)保支持標(biāo)準(zhǔn)。
2020年1月1日，國家藥監(jiān)局和國家衛(wèi)健委聯(lián)合發(fā)布的《定制式醫(yī)療器械監(jiān)督管理規(guī)定(試行)》正式實(shí)施，為包括3D打印技術(shù)在內(nèi)的定制式醫(yī)療器械市場發(fā)展給予指引。
技術(shù)的發(fā)展，各項(xiàng)政策條例的實(shí)施，推動(dòng)3D打印在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸擴(kuò)張開來。投資機(jī)構(gòu)預(yù)測，考慮到3D生物打印所具備的復(fù)雜制造、技術(shù)特點(diǎn)等優(yōu)勢，對個(gè)性化需求強(qiáng)烈的生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用價(jià)值巨大，將面臨上千億美元的市場。
應(yīng)用場景廣泛
現(xiàn)有產(chǎn)品多集中于外置的醫(yī)療器械
從最初的醫(yī)療模型快速制造，逐漸發(fā)展到3D打印直接制造助聽器外殼、植入物、復(fù)雜手術(shù)器械和3D打印藥品。3D打印技術(shù)的醫(yī)用已不再局限于某一個(gè)具體場景。
通過國家藥品監(jiān)督管理局查詢“3D打印”相關(guān)醫(yī)療器械，顯示9款產(chǎn)品取得了備案，備案產(chǎn)品包括隔離眼罩、牙科模型、牙科包埋材料、手術(shù)規(guī)劃輔助器具等。另有6家企業(yè)的14款產(chǎn)品獲得了注冊審批，注冊審批的產(chǎn)品大部分為模型或?qū)О澹叶嗉杏谘揽坪凸强祁I(lǐng)域的應(yīng)用。
作為醫(yī)療模型，醫(yī)生通過患者的CT數(shù)據(jù)來進(jìn)行三維建模，再用三維建模將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到3D打印機(jī)，然后用3D打印機(jī)將患者的數(shù)據(jù)模型打印出來。這樣可以幫助醫(yī)生更為直觀地觀測到患者需要手術(shù)部位的三維結(jié)構(gòu)，從而定制更契合的手術(shù)方案，降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。
導(dǎo)板則主要作用于手術(shù)輔助安裝、定位、導(dǎo)向及保護(hù)等，屬于個(gè)性化手術(shù)工具的一種，包括關(guān)節(jié)導(dǎo)板、脊柱導(dǎo)板、口腔種植體導(dǎo)板等。手術(shù)導(dǎo)板是在患者做手術(shù)之前需要專門定制的手術(shù)輔助工具，其作用就是依據(jù)患者的解剖特征，將植入體與患者病理部位進(jìn)行準(zhǔn)確對接，以實(shí)現(xiàn)植入體的精準(zhǔn)植入。
3D打印簡化了制造流程，縮短了供應(yīng)鏈和銷售環(huán)節(jié)只需在3D打印機(jī)中輸入設(shè)計(jì)好的模型就可以得到成品，也實(shí)現(xiàn)了“個(gè)性化生產(chǎn)”。打印出的這些外置的醫(yī)療器械配件、模型等，還可以供醫(yī)療器械生產(chǎn)企業(yè)用以產(chǎn)品研發(fā)。
總體看來，3D打印制造外置的醫(yī)療器械，包括康復(fù)輔具、假肢、醫(yī)療模型、診療器械等是比較基礎(chǔ)的應(yīng)用，且已經(jīng)培養(yǎng)出一定的市場需求。
前景可期
3D打印成為骨科企業(yè)的關(guān)鍵布局方向
3D打印是用于骨科髖關(guān)節(jié)重建領(lǐng)域的重要技術(shù)之一。除了已在骨腫瘤和髖關(guān)節(jié)重建手術(shù)中采用的3D打印鈦合金外，人們還研發(fā)了具有良好生物相容性的3D打印多孔鉭金屬。材料領(lǐng)域?qū)W者以及骨科醫(yī)生目前已對3D打印多孔醫(yī)用鉭金屬進(jìn)行了評估；實(shí)際上，已有一些臨床病例使用了這種材料。
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)行了臨床應(yīng)用，并取得了良好的臨床療效。3D打印多孔鉭金屬不但能實(shí)現(xiàn)仿生骨小梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造，還具有良好的細(xì)胞黏附性和生物相容性。同時(shí)，這種材料的彈性模量和強(qiáng)度適合局部環(huán)境。臨床實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，3D打印多孔鉭金屬能與骨骼緊密結(jié)合，術(shù)后功能恢復(fù)的效果令人滿意。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和臨床結(jié)果均證實(shí)3D打印能精確控制尺寸，并具有良好的療效。
3D打印還可用于遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。中國云南軍區(qū)總醫(yī)院骨腫瘤患者的醫(yī)學(xué)影像信息通過遠(yuǎn)程傳輸至醫(yī)院3D醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室，從而進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)和打印制作；生產(chǎn)出的產(chǎn)品將送至云南當(dāng)?shù)蒯t(yī)院，并在消毒后應(yīng)用于手術(shù)之中。
隨著人口逐漸老齡化，我國到2020年將有近4.5億年齡超過60歲的老人。根據(jù)目前上報(bào)的脊柱骨折率（30%），預(yù)計(jì)2020年后將有超過1億例脊柱骨折的病例。在骨科的應(yīng)用當(dāng)中，用3D打印技術(shù)治療這類富有挑戰(zhàn)性的疾病時(shí)要求相當(dāng)苛刻。隨著金屬材料打印在骨科應(yīng)用領(lǐng)域的日益成熟，可使用3D打印制造個(gè)體化的仿真和仿生結(jié)構(gòu)。但是，現(xiàn)有的打印技術(shù)均為體外打印或離體打印，不能直接在體內(nèi)實(shí)現(xiàn)（即“體內(nèi)打印”）。3D打印技術(shù)或許能解決骨缺損臨床修復(fù)填充問題，如果能實(shí)現(xiàn)體內(nèi)打印，則有望在骨科領(lǐng)域開展更多醫(yī)療和工業(yè)協(xié)同研究，從而使患者進(jìn)一步受益。
根據(jù)evaluateMedTech數(shù)據(jù)，骨科相關(guān)的醫(yī)療器械在2024年全球銷售額預(yù)計(jì)達(dá)471億美元，年復(fù)合增長為3.7%。其中，我國每年約有不少于300萬例的人體骨骼植入，而我國老齡化的峰值也將在未來的三十年到來，其規(guī)模遠(yuǎn)超歐美等發(fā)達(dá)國家，骨科器械需求的增速遠(yuǎn)超全球市場，潛力巨大。
目前，醫(yī)用鈦合金人工骨，人工關(guān)節(jié)等已經(jīng)廣泛采用了3D打印技術(shù)。通過CT或者核磁共振等成像技術(shù)獲知患者身體的精確三維結(jié)構(gòu)，然后將數(shù)據(jù)利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理并完成個(gè)性化設(shè)計(jì)，再之后利用3D打印生成獨(dú)一無二的專屬人工骨，極大的提升了患者的治療質(zhì)量。
3D打印與骨科植入物的良好匹配應(yīng)用，一方面源于3D打印的多孔結(jié)構(gòu)、剛度可調(diào)等特性，能對真實(shí)骨組織進(jìn)行精準(zhǔn)模擬，有利于骨組織的長入；另一方面取決于其在定制化前提下的低成本優(yōu)勢，無需開模即可速成。3D打印讓骨科疾病治療更加個(gè)性化、精準(zhǔn)化。
縱觀全球四大龍頭企業(yè)——美敦力、強(qiáng)生、捷邁邦美、史賽克，他們近年在骨科方面的戰(zhàn)略布局，也可以發(fā)現(xiàn)除手術(shù)機(jī)器人外，3D打印是骨科巨頭企業(yè)的關(guān)鍵布局方向。
國內(nèi)，2015年愛康醫(yī)療旗下子公司北京愛康宜誠醫(yī)療器材股份有限公司開發(fā)的人工髖關(guān)節(jié)產(chǎn)品獲國家藥品監(jiān)督管理局注冊批準(zhǔn)，成為我國首個(gè)獲批的3D打印人體植入物。這也是國際上首個(gè)通過臨床驗(yàn)證后獲得注冊的3D打印人工髖關(guān)節(jié)假體，標(biāo)志著我國3D打印骨科植入物邁入產(chǎn)品化階段。此外，還有中諾恒康、春立醫(yī)療、博恩生物、光韻達(dá)醫(yī)療等企業(yè)在3D打印骨科類器械產(chǎn)品方面有所布局。
總之，醫(yī)用3D打印已迅速發(fā)展，并已解決了多項(xiàng)臨床難題。多種骨科產(chǎn)品的形態(tài)和功能逐漸被人們所接受，而使用3D技術(shù)進(jìn)行骨科手術(shù)的需求也與日俱增。但臨床環(huán)境中依然存在許多懸而未決且充滿挑戰(zhàn)性的情況，包括原材料的選擇等。
3D打印正經(jīng)歷著一場現(xiàn)代工業(yè)革命，該技術(shù)領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景，并且其研發(fā)和應(yīng)用范圍廣闊。但3D打印技術(shù)目前僅掌握在少數(shù)幾個(gè)主要工業(yè)國手中，與之相應(yīng)的原材料也被這些國家壟斷。因此，我們需考慮研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的原料，以及突破技術(shù)瓶頸。
此外，與傳統(tǒng)或常規(guī)加工工藝相比，包括選擇性激光燒結(jié)（SLS）和選擇性激光熔化（SLM）在內(nèi)的多項(xiàng)3D打印技術(shù)既有優(yōu)勢，也存在不足。另外，有必要開展充分的臨床應(yīng)用研究。除了使材料發(fā)揮相應(yīng)功能外，還需從器官水平使3D生物打印在生物學(xué)功能方面取得突破。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)相對容易達(dá)到所需的機(jī)械性能，但這依然無法完全取代骨骼缺失部分。如果能用具有生物功能的植入物取代缺失的部分，則可能取得更好的效果。
我們期待著建立相關(guān)平臺，以實(shí)現(xiàn)聯(lián)合研究、創(chuàng)新和開發(fā)，這顯然需要在醫(yī)生和工業(yè)之間建立合作關(guān)系。但對于3D打印公司而言，依然有一部分增材制造產(chǎn)品需要通過傳統(tǒng)的加工方法進(jìn)行加工。臨床應(yīng)用研究需謹(jǐn)慎地開展，同時(shí)基礎(chǔ)研究需要?jiǎng)?chuàng)新，也需要嚴(yán)謹(jǐn)。
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