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戴戎:3D“打印”医学梦想

时间:2014-11-27 17:14来源:医师报 作者:宋琼芳
今年4月,上海市第九人民医院骨科使用3D打印钛合金假体,为一位44岁男性患者成功实施骨盆软骨肉瘤切除后骨盆重建手术。这一真正意义上的3D打印骨盆假体重建手术的成功,标志着3D打印技术在骨科临床应用领域取得又一突破。

今年4月,上海市第九人民医院骨科使用3D打印钛合金假体,为一位44岁男性患者成功实施骨盆软骨肉瘤切除后骨盆重建手术。这一真正意义上的3D打印骨盆假体重建手术的成功,标志着3D打印技术在骨科临床应用领域取得又一突破。

我国最早接触这项技术的专家之一、中国工程院院士、上海市第九人民医院终身教授戴尅戎说,从非金属材料到金属制造,从高高在上的航空航天到触手可及的百姓生活,3D打印技术正在进入快车道。

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3D打印:二维想象变成立体

“医学离不开3D打印技术,因为个体化是现代医学发展趋势。”

戴尅戎院士介绍,3D打印技术是上世纪80年代发展起来的一门新兴技术:在计算机协助下,根据物体的计算机辅助设计(CAD)技术和CT等数据,通过材料精确堆积制造出原型。

他认为,医学离不开3D打印技术,因为个体化是现代医学发展趋势,比如国际上每年要做100多万个人工关节,但各部位的人工关节一般只有5种型号,不能让患者“削足适履”,必须追求“量身定制”——CT对人体进行断层扫描,量准骨头外部轮廓和内部结构的尺寸,然后在计算机里进行三维重建,即形成虚拟的立体图像,而3D技术可将电脑里呈现的虚拟部位打印出来,变成实体。

此外,还可以在3D打印的模型上进行假体的模拟安装,不断修改到符合患者的需要,这大大提高疗效与安全性。戴院士举了一个例子:

一个19岁女孩因多发性脂肪瘤,左腿从脚趾到髋关节处发育畸形,整条腿像麻花,需修正多处畸形,进行接骨板固定,并植入特殊的人工关节。戴尅戎院士带领团队利用3D打印技术,打印出女孩畸形的下肢骨骼和关节。从模型上看到,畸形主要集中于膝关节处,他们一次次在模型上进行模拟手术,最后成功在女孩的关节处安装人工关节和制约装置,借助机械结构不让关节松动,同时为她的大腿和小腿进行截骨矫正与肿瘤切除。经康复治疗,女孩终于可以脱拐走路。

戴尅戎说,3D打印技术已推广到膝、肩、踝、肘、腕、骨盆等各个部位,可对四肢所有关节、骨头进行定制。他们已为数百位患者制作出个体化的骨关节修复假体。除了骨科,3D打印技术还帮助整复外科、口腔科、眼科医生制作塑料模型或假体,用于为患者修复颅骨、修整下巴、重塑颧骨等。

戴尅戎院士认为,3D打印技术还有一个“附加作用”,就是有助于医患沟通。通过3D打印模型,医生可以透明而详细地向患者和家属介绍病情与治疗方案,让对方更容易理解。

金属打印:从模型到直接植入

“我国要发展3D打印技术,就要鼓励发展拥有自主产权的3D打印机。”

前几代3D打印机都只能打印纸质或塑料模型,经过20多年发展,如今新一代3D打印机能按设计直接打印出金属或陶瓷制品,直接植入人体。

今年4月10日,在第九人民医院骨科手术室,由戴尅戎院士和郝永强教授领衔的骨肿瘤团队使用3D打印钛合金假体,为一位44岁男性患者成功实施骨盆软骨肉瘤切除后假体重建手术。患者术后3天即能进行康复训练和下地,术后2周已能扶拐行走。这是真正意义上的3D打印骨盆假体重建手术。

戴院士说,此次,他们同时应用了快速原型模型制造和直接金属打印半骨盆假体的双重技术。那么,金属打印是怎样进行的呢?

“3D打印机发射出温度极高的电子束或激光,迅速融化金属粉,一点一点、一层一层完成金属小颗粒的堆叠和熔合,金属微小的粉末在需要连接的地方熔解、冷却、连接,这对3D打印机的要求更高,因为它不是烧窑,而是必须精确对一部分粉末进行加温。”戴尅戎院士说,“打印出来的部件,还要抛光、清洗、消毒。”

该院拥有的这台金属3打印机价值近600万,可使用骨科最常用的3种材料打印,即钛合金、钴铬钼合金和不锈钢,一般而言,前两种材料就能满足骨科大部分医疗需要。“目前我们的打印设备与材料都是进口的,费用昂贵。”戴尅戎院士表示,我国要发展3D打印技术,就要鼓励发展拥有自主产权的3D打印机,加强计算机辅助设计人才的培养,并在政策上支持这项新技术,同时严控质量。

生物打印:未来医学重大变革

“生物打印将给医学带来重大变革,未来可能成为普遍的医疗模式。”

面对一日千里的科技进步,戴院士认为,结合了组织工程技术的生物打印是3D打印技术的未来方向。

在医疗领域,科学家们已能用3D打印机制造出人造耳朵和人造肾脏。戴尅戎院士表示,目前打印出来的人体结构或组织,虽然具备外形或拥有部分力学性能的特点,但并不具备新陈代谢、造血、造尿等器官功能。3D技术的关键在于材料,因为人的组织不同,当各种细胞赖以生存附着的材料都能被打印时,才能满足不同需求,而这有赖于生物材料、干细胞、组织培养等多学科的合作与突破。

戴尅戎带领团队正在进行这方面的动物实验:先用生物材料打出“骨架”,再在它上面进行干细胞培养,诱导形成有生理功能的组织结构。他形象地比喻:“人体的组织工程包括支架、细胞、生长因子三要素,我们考虑能否在做支架时逐层‘洒’上细胞和生长因子?就像摊葱油饼:一层面粉一层葱,一层面粉一层猪油,一层面粉一层芝麻……生物打印,就是用‘死’的材料,加上‘活’的细胞和生长因子。”

戴尅戎院士表示,生物打印将给医学带来重大的变革,未来可能成为普遍的医疗模式。比如,通过3D打印制造器官,就能解除移植器官资源紧缺的难题。今后,大多数医院可能会配备3D打印机,制造各种可拯救患者生命的特定装置。

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医工结合:医学发展必经之路

“我希望以后,只要有一台电脑、一台3D打印机,加上一个聪明的头脑,就能把创意全部‘打印’出来。”

戴尅戎院士认为,3D打印是第三次工业革命的标志之一。第三次工业革命是一场数字化革命,包括计算机辅助设计、互联网技术和数字化制造技术等。

3D打印技术最早被用于航空航天,英国南安普顿大学制造了世界上第一架3D飞机,如今在民用、汽车、医疗等领域都得到广泛应用。2012年4月,《时代》杂志将3D打印技术列入本世纪十大最快发展的技术之一。

“从上世纪80年代开始,我们就对3D打印技术进行研究,医生与工程师进行那么多年的磨合,才有现在的一点成绩。医工结合,是医学发展的必经之路。”戴尅戎院士介绍,该院已成立3D打印技术临床转化研发中心,在浦江镇与当地的加工厂合作。“这是一块试验田,我们鼓励医院所有科室的医生都到我们的实验室里来尝试3D打印。医院负责研发产品,上海交大的工程学老师进行计算机辅助设计,而工厂进行配套加工和申办生产许可证,使产品可以合法生产、使用,从而形成产业链,最终让患者受益。”他说,“在高端3D打印设备的国产化方面,上海最有条件取得突破,应尽早整合力量。希望政府统筹规划,比如建立3D打印研究中心,让各个领域都开发3D打印产品——以后,只要有一台电脑、一台3D打印机,加上一个聪明的头脑,就能把创意全部‘打印’出来。”


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