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国际金属加工网 2018年06月08日

还记得《十二生肖》吗?成龙大爷戴着手套摸了一把鼠首,就完成了对其数据的扫描。然后通过计算机建模,分分钟就完成了一个复制品。

如果说在电影上映的2012年,这项3D打印的情节对现实来说还有相当的科幻成分的话,那到了今天,它早已不再是什么新鲜事了。简单的3D打印早已成为了孩子们的玩具。

而在产业层面,3D打印的应用范围则更广,汽车、军舰甚至是房子都可以打印出来。

作为最能紧跟前沿技术的行业,医疗自然也不会放过这个风口。到今天,医疗行业已经初步形成了从医疗器械、器官到手术等全方位的3D系列产品和应用。

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那么其应用现状面貌究竟如何,又有哪些问题尚待解决?

炒得这么火,3D打印都能干啥?

如果要问3D打印在医疗行业应用最广的是什么,那自然要数肢体和器官打印。

在人的身体上,可替换度最高的自然当属肢体、牙齿等。这些部位的主要功用辅助人的行动和生活,功能单一,所以结构也相对简单。并且,四肢的残缺理论上来说几乎不会对人的寿命造成明显的影响。因此,义肢、假牙很普遍,而3D打印技术一旦出现,其自然也被迅速应用到这个领域中来。

目前在生活中,3D打印义肢技术已经非常成熟,并得到了广泛应用。英格兰一位女童装上了3D手掌,一位农民工则装上了一块头盖骨,甚至澳大利亚公司CSIRO可以为病人量身定做钛制的胸骨和肋骨,从而为其打造一个3D胸腔。

而最近的一项研究也让我们看到了AI和3D打印结合的可能性。加州大学伯克利分校和舒利韦尔牙科实验室的一组研究人员建立了一个通用对抗网络(GAN),自动生成新的牙冠设计。它根据缺失牙齿的扫描来预测新牙冠的形状。首先,扫描下颌缺失牙齿的一侧以产生2D图像。接下来,也扫描钳口的相对侧。GAN了解缺失牙齿所在间隙的距离,并在3D中使用新的牙冠设计填充该间隙。

由此可以预料的是,利用GAN建模的精准性,未来的3D打印也将会更加符合人的生理特征和功能指向。比如可以更好地解决接受腔的问题,从而令假肢的安装更加舒适。

如果说打印肢体、牙齿等是easy级的话,那么,3D打印器官可能就是hard级。而相关的研究也正在有条不紊地展开。

3D打印器官之所以存在困难,是因为其内部有大量的血管,并且各个器官的组织构成也不一样。比如大脑主要由大量的神经组织构成,要实现对神经组织的打印和培养目前还是存在较大的技术困难的。

不过可喜的是,目前已经有3D肝脏被打印出来,并且成功存活。美国生物科技公司Organovo就曾经利用细胞3D打印技术,在细胞培养基座中打印出肝脏所需的细胞组织。经过在器皿中的培养,就可以生长为正常形状的肝脏并移植到人体。只不过,这个肝脏的细胞在经过打印后会失去活性,变成死细胞。

除了肝脏之外,肾脏、胰脏等器官也在研究当中。研究者们普遍认为,要实现真正功能健全、可移植的3D打印器官,至少还需要10年的时间。对于人体器官移植发展来讲,10年的时间不算长,但也不短。一旦这项技术变为现实,其带来的改变将是革命性的:亟待手术的人们将不必因为等不到活体器官而绝望地死去,器官也将成为可以批量生产的商品。对解决活体器官短缺、延长人类寿命,甚至是产生新的器官供应产业链,都将带来积极的影响。

手术可以重来:从“一次性”到“重复性”

3D打印另一项在医疗领域拥有绝对优势的应用则是辅助手术。

手术是一项风险性很高的工作,尤其是对内脏等人体内部器官组织的手术处理。千百年来,医生们孜孜不倦地追求着如何提高手术成功率、改善患者的生命质量。

最初在没有任何可视的医疗设备的时候,医生们判断某一部位有问题的话,只能先打开身体,然后探索着寻找病变的位置,再实施手术。这个过程中医生则主要依靠自身累计的经验来进行精准定位。但人体是各异的,在后来仪器、电子设备的加持下,医生们在做手术之前通过技术手段就可以确定病灶,手术的精确性又相比经验手段大大提高。

无论是最初的“单刀直入”还是可视化的设备加持,手术有一个明显的特征:一次性。

而3D打印技术的出现,手术操作开始具备了另一个特征:重复性。

芝加哥西北社区医疗的外科医生最近就为一位脑瘤患者做了手术,利的正是3D技术。一般来说,大脑的细节是无法用肉眼来看到的,这为脑瘤的摘除增添了许多风险。而通过对大脑的扫描,确定肿瘤位置之后,医生们建立了一个3D的大脑病患模型。那么,通过这个模型医生们可以看到除了肿瘤之外的大脑的其他区域,对整个手术的区域了如指掌。最重要的是,通过脑部模型的构建,他们可以在真正的手术之前展开多次模拟训练,以应对任何可能出现的突发情况,同时避免触碰到可能会被意外伤害的脑部健康区域。

我国在3D打印应用在手术方面也取得了技术的突破。上个月,南京医科大学二附院心血管中心就利用3D打印心脏的技术,复制了一位心脏病患者的心脏,从而发现了其心脏中复杂的血管构造,并通过模拟不同的手术手段,最终制定出了最佳的手术方案,并顺利进行。

那么,当手术从“一锤定音”变成了可反复试验的医疗手段,无疑将大大提高手术成功率,降低风险。而在另一方面,通过对手术过程的重复性模拟,也会增加医生们的操作熟练度,手术的时间会被大大缩短,患者也将避免遭受更长时间的手术痛苦。

越过山丘,还需要迎风而行

除此之外,3D打印技术甚至还会用到制药行业中去,实现患者按需打印药物的可能;制作康复器械如矫正鞋垫、助听器;打印植入物如骨骼等。可以说3D打印技术正在全方位地影响着医疗行业的走向。

但是3D医疗也并非完美无缺,目前其仍然面临的几个问题。

1、材料问题。在以往的手术案例中往往会出现体内植入物出现问题而让患者遭受二次痛苦的情况,或是植入物有问题,或是植入物对人体造成了伤害。那么,3D打印技术作为一种新兴技术,其也必然要考虑到这个问题。如果只是方便打印,那对它来说价值可能有点小。其如果能探索出更适合人体的材料,也将成为影响技术命运的重要一环。

2、商业化问题。一项技术如果只是花瓶,那它的命运必然是长久不了的。那么,对3D打印来说,其目前仍然存在于一些资金实力较强的医院里。市面上普通的3D打印设备动辄几十万,医院这种对精度要求较高的领域设备成本则更高。比如医疗对3D打印的精度的要求,日本一家厂商打印的3D肝脏上面的血管都清晰可见,达到这样精度的设备,一般医院难以承受。所以,加强技术的研发,降低设备成本,才可能是其快速下沉的关键因素。

3、打印器官的动能性问题。目前来说,虽然通过细胞的叠加已经可造出了短暂存活的肝脏,但能够造出并不代表着其就拥有了肝脏运转的功能。事实上,器皿这样的环境与人体是无法相比的,因此药理测试会存在差异性。另外,如何制造运输氧气和营养的血管仍然是一个问题。这个问题不解决,细胞就无法长期存活。此外,这种3D打印器官在未来也要面对人体排异的问题。与目前的活体器官相比,其是会更好地适应身体,还是不被接受?这些我们都不得而知。

而一旦涉及到器官,就会有人谈论伦理问题。不过既然是为了更好地保存生命,这个问题的争议应该不会特别激烈。

3D打印对医疗行业来说仍然算得上是一个新生事物。我们发现,每当有一项新技术产生,医疗行业总是迫不及待地想要去尝试。这一方面反映了医疗问题的多样性和复杂性,另一方面也体现了人类对生命的尊重和敬畏。而这份对生命的尊重,也会成为医疗从业者们用技术去越过山丘的不竭动力。


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