3D打印是将材料一层一层堆积而成，因此也称为增材制造技术。其最早出现于上世纪90年代中期，是快速成型技术的一种。以数字模型文件为基础，运用可粘合材料，通过逐层打印的方式构造物体。

　　

　　助听器外壳、植入物、药品皆可3D打印

　　

　　从最初的医疗模型快速制造，逐渐发展到3D打印直接制造助听器外壳、植入物、复杂手术器械和3D打印药品。3D打印技术的医用已不再局限于某一个具体场景。
 

　　通过国家药品监督管理局查询“3D打印”相关医疗器械，显示9款产品取得了备案，备案产品包括隔离眼罩、牙科模型、牙科包埋材料、手术规划辅助器具等。另有6家企业的14款产品获得了注册审批，注册审批的产品大部分为模型或导板，且多集中于牙科和骨科领域的应用。

　　

　　作为医疗模型，医生通过患者的CT数据来进行三维建模，再用三维建模将数据导入到3D打印机，然后用3D打印机将患者的数据模型打印出来。这样可以帮助医生更为直观地观测到患者需要手术部位的三维结构，从而定制更契合的手术方案，降低手术风险。

　　

　　导板则主要作用于手术辅助安装、定位、导向及保护等，属于个性化手术工具的一种，包括关节导板、脊柱导板、口腔种植体导板等。手术导板是在患者做手术之前需要专门定制的手术辅助工具，其作用就是依据患者的解剖特征，将植入体与患者病理部位进行准确对接，以实现植入体的精准植入。

　　

　　3D打印简化了制造流程，缩短了供应链和销售环节只需在3D打印机中输入设计好的模型就可以得到成品，也实现了“个性化生产”。

　　

　　如在手术中应用3D打印技术，为患者定制个性化内固定接骨板进行骨折内固定治疗。该定制化的接骨板使用创新设计，其骨接触面模仿人工关节的表面设计，为类骨小梁微孔设计，有利于接骨板和骨骼之间产生骨长入，大大增加接骨板系统对骨折部位的稳定功能。

　　

　　与传统技术相比，3D打印植入的多孔材料减少了骨骼与植入物合金之间的弹性模量不匹配，减轻了应力屏蔽效果并改善了植入物的形态，为组织向内生长提供了生物材料锚固效应，让过去无法治疗的骨科严重疾病有了新的治疗方式。

　　

　　3D打印植入物于复杂骨折重建的成功应用，将推动国内骨科创伤领域的治疗迈上新的台阶，也标志着我国在骨科医疗器械，特别是骨科植入物器械方面取得实质性进展。同时，也预示着3D打印技术在医疗领域的应用已经由科学研究向临床应用和初期的商业开发迈进。

　　

　　2021年带来的技术革新

　　

　　3 月 10 日，北京积水潭医院外科陈山林专家团队于 3 月 5 日成功完成了全球首例 “定制化 3D 打印掌骨联合改良踇甲瓣技术再造可活动腕掌关节的拇指”手术，攻克了为再造重度拇指缺损的同时重建腕掌关节的这一技术难题，达到了世界再造拇指的领先水平。

　　

　　据悉，某位患者因机器导致左手拇指在几乎整根离断，他因为多次手指再植手术术后手指存活情况欠佳无法成功保指因而受到极大生活影响，后前往积水潭医院手外科就诊。

　　

　　陈山林团队经考虑后决定为该患者定制一块金属 3D 打印的第一掌骨，以帮助患者完成第一腕掌关节的解剖学重建，之后再帮助患者对术区皮肤设计皮瓣以及再造拇指。经文献检索，该技术属于世界首创。

　　

　　4月26日，美国宾夕法尼亚州立大学的研究人员宣布已在大鼠模型上成功完成对直径6毫米全厚度皮肤与骨骼孔洞的修复。此项技术旨在研发新的针对颅面部皮肤和骨骼的修复技术。

　　

　　此项技术的突破在于它是一次性修复骨骼与皮肤，同时重建整个缺损，对软组织和硬组织完成修复。

　　

　　该技术在对创伤进行修复时，先完成创伤最深处骨骼打印，然后替换材料打印一个仿骨膜的屏障层，对应实际中的组织层，最后是对真皮层与表皮层完成印刷。

　　

　　目前实验人员可以在5分钟内完成对骨骼和软组织的打印，并且在4周时间内对50多只大鼠完成该修复试验，且软组织的闭合度均为100%，6周的骨骼闭合率为80%。

　　

　　实验人员接下来将会完成组织层打印时血管的添加，且在更大的实验动物上继续推进研究。

　　

　　5月3日，英国东英吉利大学的研究人员宣布发明一种3D方法，可在高度多孔的结构中进行药物的3D打印，可用于调节药物从赋形剂中释放到人体的速率。该方法可以实现药物的精准计量和个性化的药物组合。

　　

　　5月4日，加拿大阿尔伯塔大学医学与牙科学院的研究人员发现了一种将3D生物打印技术与细胞培育相结合的方法来制造可具有功能性的外科用定制鼻软骨的方法。

　　

　　同一天华盛顿州立大学的研究人员也宣布研发了一种新材料可通过3D打印方法为不同细胞生长提供不同机械特性的基质，为治疗所需的组织培养提供物理基础。

　　

　　在5月4日和5月5日，美国物理联合会均报道了在其旗下杂志Applied Physics Reviews发表的关于3D与4D打印可应用于医疗领域的新技术。

　　

　　其中来自韩国成均馆大学的研发团队制作了设计了一种可诱导血管生成的仿生支架，意图解决脊柱融合术临床效果差的问题。该仿生支架是由胶原蛋白和羟基磷灰石组合而成的微通道支架。因该支架具有单向变形特性，属于4D打印。这种支架已在小鼠模型上成功诱导血管生成。

　　

　　另一篇由来自伊朗、墨西哥、美国的科学家合作完成了有利于细胞形成组织的机械性支架。该3D打印支架可引导细胞在增殖过程中有序排列形成组织，有助于最终引导形成仿生组织，例如骨骼肌、肌腱、韧带。目前已在肌肉组织培养中实现其功能设想。

　　

　　目前东英吉利大学的3D打印药物控释技术正在进行对复杂药物组合的推进，而由阿尔伯塔大学主持的3D生物打印鼻软骨技术仍在继续其长期实验以观察软骨是否能维持其特性。如实验顺利，有望在2-3年后开始临床实验。

　　

　　3D打印技术已在多家医院运用

　　

　　3D打印也称增材制造，是指基于数字模型，在三维方向逐点、逐线、逐层堆积，将材料制造出立体实体构件，是一种创新性制造技术。目前，全球已经发展出金属3D打印、高分子3D打印、陶瓷3D打印以及生物3D打印技术。

　　

　　据悉，全国多个医院已有3D打印技术应用的案例。如北京大学第三医院、北京积水潭医院、上海交通大学医学院附属第九人民医院、浙江大学附属第一医院、广东省人民医院、南方医科大学第三附属医院等。

　　

　　根据难度和深度，3D打印技术在医疗上的运用可分四个层面：术前规划和提前演练、手术导板和康复支架、骨科匹配和人体植入、活体器官打印。目前活体器官打印全球都处于初步探索中，前三个在我国均有不同程度的应用。

　　

　　2018年3月份，在广东省人民医院先心外科手术室内，主刀医生利用3D打印出来的器官模型，对将要进行手术的患儿进行术前再次规划。受访者供图

　　

　　在术前规划和提前演练方面，南方医科大学基础医学院教授、广东省医学生物力学重点实验室主任黄文华介绍，传统的CT、MRI等影像学检查结果出来的是二维数据，有经验的医生有时对一些复杂案例也难以准确把握。利用数据打印出3D实体模型，可以让医生直观、立体地了解病变局部解剖关系。

　　

　　以先天性心脏病手术为例，每个病人的情况都不同，以往整台手术三分之一的时间医生要观察和判断病情，在把握不准的情况下还要请其他医生会诊。利用3D打印技术，可以在术前把病人心脏模型打印出来，提前做好手术规划。

　　

　　“从病情诊断到手术规划，再到手术当中参照，3D打印技术对医生有很大帮助，也缩短了手术时间，提高了治疗成功率。”庄建说。

　　

　　在手术导板和康复支架方面，南方医科大学第三附属医院院长、广东省骨科研究院运动医学研究所所长蔡道章介绍，严重畸形病人的手术定位困难，可通过3D打印出手术导板以指导精准手术。对骨缺损的病例，可3D打印出个性化材料修复缺损，使假体固定更加稳定。

　　

　　黄文华表示，3D打印技术在骨科内植入物的应用比较突出。它可以根据不同骨骼特征定制个性化植入物，从而避免标准化骨科植入物难以与患者高度贴合、容易造成植入物功能受限、生物力学效果不佳和使用寿命偏短等问题。

　　

　　3D打印与原材料技术建立协同关系

　　

　　3D打印的原料与其他多个领域使用的原料具有广泛通用性，这是构成3D打印领域的重要基础。在医学领域，3D打印最初用于制造生物假体，现已扩展至细胞、组织和器官打印，并用于制造医用机器人。目前，各种新颖的材料正在涌现，并将提供更多临床应用方案以供医生选择——特别是用于治疗棘手的疾病。

　　

　　在生物医学领域，应用最广泛的材料是生物相容性材料。3D打印还会用到各种均质和非均质复合材料，这带来了更多的挑战；使用异质复合材料进行3D打印尤其富有挑战性。

　　

　　3D打印已成为支撑粤港澳大湾区产业发展的重要分支之一。在医学领域，3D打印最初用于制造生物假体；但现已扩展至细胞、组织和器官打印，并用于制造医用机器人。许多具有特殊部件或特性的器械需通过能够匹配3D甚至四维（4D）打印技术的专用材料制成（在4D打印中，产品会随着时间的推移而发生变化，从而形成另一种维度）。

　　

　　在产品的梯度设计中，首先需要构建和打印产品。在产品研发之初，就能测试生物降解性和生物相容性等基本特性。3D打印的由形状记忆合金构成的血管支架等智能器械也进入了研发（R&D）阶段。由此可见，各种新颖的材料正在涌现，并将提供更多临床应用方案以供医生选择——特别是用于治疗棘手的疾病。

　　

　　传统的3D打印技术源于外国公司，并包括3D打印原料的研发，而这些原料通常会被这些公司所垄断。这使得研发生物医用的具有自主知识产权的粉体或油墨原料以满足国内应用需求具有重要意义。因此，人们必须注重原料的创新和开发、质量控制并制定相关标准和法规——特别是针对临床应用研发的三类植入物。

　　

　　3D打印和原材料研发之间从一开始就需要建立协同关系。从材料制造的角度而言，3D打印的成型、制备和固化过程有别于传统加工过程。例如，钛合金在临床应用中已经十分成熟，但不能直接用于3D打印。这些材料必须首先被雾化成粉体，并优化其成分组成，以适用于3D打印。因此，关键的研究方向应包括研发适用于3D打印的原料以及传统医用金属材料的定向设计，并且研究中需要开展多学科协作。

　　

　　3D打印制造技术的研发与应用

　　

　　骨科植入物的形状、结构、设计和设备的性能取决于打印原理和工艺。打印设备的可重复性在制造过程中也需要考虑。

　　

　　除了原料和3D打印设备外，还需重视增材制造中的以下关键工艺：加工具有不同工艺特征的多元复合材料；整合不同材料的非均一性（可能需要使用复杂的加工技术）；在多元材料加工中，不同材料的界面特性造成了材料之间的界面不稳定，使得成品的完整性受损；复杂多层结构的精密成型以及梯度的排列组合也是需要关注的重要难题；对于生物打印而言，活细胞被视为生物材料的一部分，所以维持打印后细胞的活性和功能也至关重要。
 

　　

作为骨科材料的金属医用材料（如钛合金）在临床应用中存在难以逾越的问题。例如，这些材料的弹性模量较高，这可能引起应力遮挡效应和韧性不足的问题。聚醚醚酮（PEEK）是新一代的医用植入材料之一，其优点在于密度和模量接近天然的皮质骨，但缺点是热导率较低，同时利用3D打印生产聚醚醚酮器械的制造过程也遇到了急需解决的难题。我国工程师发明了用于3D打印的冷沉积工艺，该工艺通过设置喷管冷却率、冷却条件和其他参数来调控制备过程。该工艺可调控聚醚醚酮的结晶度并控制其结晶度的分子水平，以调控聚醚醚酮的机械性能。

　　

　　迄今为止，工程师们已使用3D打印的聚醚醚酮器械治疗了70多例临床病例，实现了从最开始的满足形状要求到满足性能要求的发展。但人工假体与宿主组织的整合是一项需要在未来的材料设计和制备过程中解决的任务。在材料设计中原则上应满足其预期功能，同时应整合制造工艺，以满足定制假体的功能要求。

　　

　　3D打印成为骨科企业的关键布局方向

　　

　　3D打印是用于骨科髋关节重建领域的重要技术之一。除了已在骨肿瘤和髋关节重建手术中采用的3D打印钛合金外，人们还研发了具有良好生物相容性的3D打印多孔钽金属。材料领域学者以及骨科医生目前已对3D打印多孔医用钽金属进行了评估；实际上，已有一些临床病例使用了这种材料。

　　

　　3D打印多孔钽金属已在脊柱、髋关节和肢体静脉曲张手术中进行了临床应用，并取得了良好的临床疗效。3D打印多孔钽金属不但能实现仿生骨小梁结构的设计和制造，还具有良好的细胞黏附性和生物相容性。同时，这种材料的弹性模量和强度适合局部环境。临床实验结果表明，3D打印多孔钽金属能与骨骼紧密结合，术后功能恢复的效果令人满意。实验结果和临床结果均证实3D打印能精确控制尺寸，并具有良好的疗效。

　　

　　3D打印还可用于远程医学领域。中国云南军区总医院骨肿瘤患者的医学影像信息通过远程传输至医院3D医学实验室，从而进行仿真设计和打印制作；生产出的产品将送至云南当地医院，并在消毒后应用于手术之中。

　　

　　随着人口逐渐老龄化，我国到2020年将有近4.5亿年龄超过60岁的老人。根据目前上报的脊柱骨折率（30%），预计2020年后将有超过1亿例脊柱骨折的病例。在骨科的应用当中，用3D打印技术治疗这类富有挑战性的疾病时要求相当苛刻。随着金属材料打印在骨科应用领域的日益成熟，可使用3D打印制造个体化的仿真和仿生结构。但是，现有的打印技术均为体外打印或离体打印，不能直接在体内实现（即“体内打印”）。3D打印技术或许能解决骨缺损临床修复填充问题，如果能实现体内打印，则有望在骨科领域开展更多医疗和工业协同研究，从而使患者进一步受益。

　　

　　根据evaluateMedTech数据，骨科相关的医疗器械在2024年全球销售额预计达471亿美元，年复合增长为3.7%。其中，我国每年约有不少于300万例的人体骨骼植入，而我国老龄化的峰值也将在未来的三十年到来，其规模远超欧美等发达国家，骨科器械需求的增速远超全球市场，潜力巨大。

　　

　　目前，医用钛合金人工骨，人工关节等已经广泛采用了3D打印技术。通过CT或者核磁共振等成像技术获知患者身体的精确三维结构，然后将数据利用计算机进行处理并完成个性化设计，再之后利用3D打印生成独一无二的专属人工骨，极大的提升了患者的治疗质量。

　　

　　3D打印与骨科植入物的良好匹配应用，一方面源于3D打印的多孔结构、刚度可调等特性，能对真实骨组织进行精准模拟，有利于骨组织的长入；另一方面取决于其在定制化前提下的低成本优势，无需开模即可速成。3D打印让骨科疾病治疗更加个性化、精准化。

　　

　　纵观全球四大龙头企业——美敦力、强生、捷迈邦美、史赛克，他们近年在骨科方面的战略布局，也可以发现除手术机器人外，3D打印是骨科巨头企业的关键布局方向。在国内，爱康医疗、中诺恒康、春立医疗、博恩生物、光韵达医疗等企业在3D打印骨科类器械产品方面也有所布局。

　　

　　小结

　　

　　总之，医用3D打印已迅速发展，并已解决了多项临床难题。多种骨科产品的形态和功能逐渐被人们所接受，而使用3D技术进行骨科手术的需求也与日俱增。但临床环境中依然存在许多悬而未决且充满挑战性的情况，包括原材料的选择等。

　　

　　3D打印正经历着一场现代工业革命，该技术领域有良好的应用前景，并且其研发和应用范围广阔。但3D打印技术目前仅掌握在少数几个主要工业国手中，与之相应的原材料也被这些国家垄断。因此，我们需考虑研发具有自主知识产权的原料，以及突破技术瓶颈。

　　

　　此外，与传统或常规加工工艺相比，包括选择性激光烧结（SLS）和选择性激光熔化（SLM）在内的多项3D打印技术既有优势，也存在不足。另外，有必要开展充分的临床应用研究。除了使材料发挥相应功能外，还需从器官水平使3D生物打印在生物学功能方面取得突破。运动系统相对容易达到所需的机械性能，但这依然无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，则可能取得更好的效果。

　　

　　我们期待着建立相关平台，以实现联合研究、创新和开发，这显然需要在医生和工业之间建立合作关系。但对于3D打印公司而言，依然有一部分增材制造产品需要通过传统的加工方法进行加工。临床应用研究需谨慎地开展，同时基础研究需要创新，也需要严谨。