數(shù)字化醫(yī)療及精準(zhǔn)醫(yī)療已經(jīng)走過了從探索、研究、科學(xué)實(shí)踐的初級(jí)階段，到今天全球范圍內(nèi)已經(jīng)開始了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域廣泛的、深層次的研究及臨床轉(zhuǎn)化的第二個(gè)階段。

　　巨大的臨床數(shù)據(jù)及海量的CT、MRI等影像數(shù)據(jù)為數(shù)字化精準(zhǔn)醫(yī)療奠定了基礎(chǔ)。而3D打印技術(shù)正是基于此，從量化、可視、可控等方面進(jìn)一步研發(fā)，獲得真實(shí)的病理仿真及模擬，從而輕松獲得了病理模型，籍此將傳統(tǒng)的兩維度平面的信息，轉(zhuǎn)化為三維實(shí)體，進(jìn)一步幫助臨床醫(yī)生量化了其所掌握的經(jīng)驗(yàn)及技術(shù)。

　　人體替代部件的巨大需求，替代傳統(tǒng)非個(gè)體化的植入件的巨大需求以及巨大的市場(chǎng)商機(jī)，是這一技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)力，使得組織工程技術(shù)成為生命科學(xué)領(lǐng)域的前沿技術(shù)和投資界高度關(guān)注的重點(diǎn)行業(yè)。

　　3D打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的兩個(gè)革命性應(yīng)用

　　3D打印的產(chǎn)品有兩類，第一類是無生命3D打印產(chǎn)品，第二類是生物3D打印產(chǎn)品，無論哪一類都需要給予數(shù)據(jù)的挖掘，要把有些具體的東西，比如說細(xì)胞與細(xì)胞之間、細(xì)胞與基質(zhì)之間的相互作用，它形成了一個(gè)什么樣的三維結(jié)構(gòu)，等等，解析出來，使這個(gè)重建的三維組織能執(zhí)行更高級(jí)的生理功能。那么就必須做一些結(jié)構(gòu)的解析、定量的分析、標(biāo)識(shí)、組織構(gòu)建等等一系列的工作，才能將人體的組織跟器官完整的還原。

　　無生命產(chǎn)品的3D打印其實(shí)在醫(yī)療行業(yè)的應(yīng)用也是非常廣泛的，比如說大家比較熟悉的金屬3D打印，比如說鈦合金的，還有一些不銹鋼的3D打印，他一般可以做成人體的標(biāo)準(zhǔn)的替代部件，比如說植入的螺釘，還有固定的鋼板，還有一些修復(fù)的一些組織，這些都是金屬的，它也是無生命的。

　　無生命產(chǎn)品是最早被認(rèn)知、被應(yīng)用起來的3D打印。比如說，在美國(guó)，2014年有一家新的公司上市，它有很多產(chǎn)品已經(jīng)獲得了FDA的一些認(rèn)證;也在2014年年底的時(shí)候，中國(guó)也開始有相關(guān)的政策出臺(tái);2015年8月份，中國(guó)有了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)器械的關(guān)于3D打印金屬打印的一個(gè)注冊(cè)證，這也是中國(guó)在3D打印金屬產(chǎn)品方面取得的一些成績(jī)和國(guó)家政策的一些認(rèn)可。

　　無生命的3D打印產(chǎn)品，做出來的病理模型可以將原來的二維的信息變成三維的信息，原來隱藏在背后的一些信息看不見，現(xiàn)在有了一個(gè)病理模型，就可以從各個(gè)角度對(duì)它進(jìn)行觀察，方便醫(yī)患溝通;此外，無生命的3D打印產(chǎn)品做出來的病理模型，可以方便醫(yī)生將它進(jìn)行量化，做手術(shù)前的模擬演練，比如說粉碎性骨折，創(chuàng)傷面、碎成多少小片、粉末等等，可以在這個(gè)模型上看得非常清楚，然后做一些手術(shù)的規(guī)劃，準(zhǔn)備手術(shù)中要使用的器械。還可以提前進(jìn)行方案優(yōu)化，到時(shí)候帶進(jìn)手術(shù)室的就不像以前要推好幾車，手術(shù)時(shí)間也可以大大縮短，同時(shí)可以有把握地手術(shù)。

　　無生命的3D打印有幾項(xiàng)革命性的成果：

　　1、基于三維的解剖結(jié)構(gòu)，可以對(duì)將要做的手術(shù)做一些非常精準(zhǔn)的小器械，我們把它叫做手術(shù)導(dǎo)航板。比如說要在患者的脊椎上面打孔，要置螺釘，我們根據(jù)患者的脊椎比如說椎弓根的解剖結(jié)構(gòu)做一個(gè)精準(zhǔn)的匹配的一個(gè)小的擋板，使得醫(yī)生在術(shù)前做了規(guī)劃以后，手術(shù)中使用這個(gè)導(dǎo)航板精準(zhǔn)地將螺釘打入椎弓根，避免傷到脊椎上豐富的血管和神經(jīng)。手術(shù)前做到心中有數(shù)，將醫(yī)生原來頭腦中的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行量化，做了術(shù)前的演練，手術(shù)的成功率也會(huì)大大提高。

　　2、個(gè)性化的植入、個(gè)性化的定制。比如說有個(gè)患者得了結(jié)核性的骨病，骨結(jié)構(gòu)受到了一定的損傷，他已經(jīng)失去了原來的一些骨質(zhì)，在影像當(dāng)中就顯得那塊有一個(gè)很大的缺損。他要在手術(shù)中使用一些標(biāo)準(zhǔn)的植入物，比如說做一個(gè)關(guān)節(jié)，這種關(guān)節(jié)在使用過程當(dāng)中找不到依靠的地方，找不到固定的地方，找不到位置，通過3D打印就可以做一個(gè)精準(zhǔn)的適合這個(gè)患者的完整的解剖結(jié)構(gòu)，這個(gè)解剖結(jié)構(gòu)完美地與他剩余的組織匹配，從而給下一步的手術(shù)做鋪墊。這種針對(duì)組織性缺損的個(gè)性化器械的植入，使得有一些無法做的手術(shù)現(xiàn)在有機(jī)會(huì)了。有一例非常典型的案例，就是深圳的“鐵肩女”，她是一個(gè)骨腫瘤的患者，由于骨腫瘤侵蝕了她肩胛骨的15%的骨質(zhì)，讓醫(yī)生處理起來非常為難。她當(dāng)時(shí)有兩個(gè)選擇，第一保守治療，她的骨質(zhì)會(huì)繼續(xù)流失，到時(shí)候可能會(huì)造成殘廢甚至危及生命。第二是采用3D打印的技術(shù)，將她骨腫瘤的那塊切掉，不需要完全截肢，再給她制作一個(gè)與她周圍組織相匹配的肩胛骨，之后手術(shù)就有可能做了。

　　3、在國(guó)外無生命的3D打印也會(huì)用在比如說人造器官，在中國(guó)，北大三院做過脊椎、骶骨，這些都非常有革命性。

　　生物3D打印產(chǎn)品，相對(duì)來說比較陌生。目前生物3D打印產(chǎn)品在國(guó)際上的趨勢(shì)有幾種：

　　做一些3D打印的生物材料，然后用這些生物材料覆蓋細(xì)胞讓它長(zhǎng)一些細(xì)胞。種植一些細(xì)胞，然后把它進(jìn)行培養(yǎng)，做成一種活性組織;

　　生物相容性的材料，還包括生物可降解的材料，復(fù)合上細(xì)胞，同時(shí)打印。比如說可以做一個(gè)血管，可以做一個(gè)脂肪組織等等;

　　還有一種，是直接在人體里面進(jìn)行一些修復(fù)和構(gòu)建，這就是完全基于細(xì)胞的3D打印。

　　對(duì)于生物3D打印，國(guó)內(nèi)其實(shí)也有很多的院校相繼投入了大量的資金、人力、物力在做研究，也取得了一些成績(jī)。從國(guó)際上來看，中國(guó)的生物3D打印跟國(guó)外幾乎同步，個(gè)別的領(lǐng)域可能還要超過他們，但是有一個(gè)問題，中國(guó)的這種3D打印的技術(shù)由于基礎(chǔ)的研究比較薄弱，包括在這個(gè)上面的相關(guān)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)比較少，在目前看來好像沒什么問題，可能隨著時(shí)間的推遲，隨著時(shí)間可能會(huì)國(guó)外的專利可能會(huì)引起一些問題。

　　生物3D打印可能要有很多準(zhǔn)備過程：首先，是對(duì)生物材料的選擇;其次，目前市場(chǎng)上現(xiàn)有的打印機(jī)可能還不足以滿足你的要求，可能要對(duì)它進(jìn)行底層的改造，甚至自己要重新來做;要非常熟悉組織的結(jié)構(gòu);還要非常清楚和把握對(duì)于組織的構(gòu)建。我們所接觸的整個(gè)行業(yè)，大家都在從醫(yī)學(xué)的角度去了解它，從細(xì)胞的角度去了解它，而忽視了這種交叉學(xué)科的應(yīng)用。在生物材料以及用數(shù)據(jù)解析人體組織相對(duì)來說比較弱，恰恰是這兩點(diǎn)，阻礙了生物3D打印的發(fā)展。

　　在構(gòu)建一個(gè)組織的時(shí)候，首先要知道這種組織所使用的材料是什么，或者是有什么樣生物可降解的材料，植入人體以后，它能夠保證骨的生長(zhǎng)，同時(shí)能在身體里面保證這種相容性，與其他的組織之間的相互關(guān)系能保持得非常融洽，同時(shí)它又能降解，比如說降解成水被人體充分吸收。

　　接下來就可以構(gòu)建，如果你要去解析一個(gè)組織，比如說要做一個(gè)骨骼，人體從頭到腳的骨骼結(jié)構(gòu)其實(shí)是不一樣的，有些是防止外界的撞擊，起到對(duì)內(nèi)部組織的保護(hù)，有些需要承重，有些需要平衡，有些需要產(chǎn)生血細(xì)胞、紅細(xì)胞等等。由于它的功能不一樣，骨從頭到腳的結(jié)構(gòu)也是不一樣的，尤其它的細(xì)胞組織是不一樣的。2015年12月，劍橋、美國(guó)的哈佛相繼有革命性的一些研究出來，證實(shí)了人的顱骨骨干細(xì)胞來自不同的干細(xì)胞群，與人體的其他骨骼的干細(xì)胞群是截然不同的。

　　了解了人體的從頭到腳骨骼的結(jié)構(gòu)以后，就要想辦法把它構(gòu)建出來，仿生出來，為細(xì)胞在里面的生長(zhǎng)創(chuàng)造一個(gè)良好的條件，這樣細(xì)胞才能在里面進(jìn)行擴(kuò)增、代謝、遷移，然后生成相關(guān)的組織。然后做出來的東西，植入人體以后，細(xì)胞繼續(xù)生長(zhǎng)，這種結(jié)構(gòu)在滿足細(xì)胞生長(zhǎng)的前提下，會(huì)一步一步地降解，人體中壞死的或者由于手術(shù)切除以后缺損的組織就會(huì)得到修復(fù)。

　　細(xì)胞、基因測(cè)序、基因編輯、生物的3D打印，這些其實(shí)都是息息相關(guān)的。為什么這么說呢?如果要構(gòu)建一個(gè)完整的骨骼，然后讓細(xì)胞在上面去擴(kuò)增，把它發(fā)育成完整的骨骼結(jié)構(gòu)，這種細(xì)胞首先要比較健康，也就是種子細(xì)胞要比較健康。如何才能做一個(gè)完整的健康的種子細(xì)胞呢?你要進(jìn)行測(cè)序，對(duì)細(xì)胞進(jìn)行編輯，去除掉一些病毒性、影響到免疫的、排異性的東西，對(duì)它進(jìn)行編輯，把相關(guān)的東西摘除掉在體外進(jìn)行培養(yǎng)，這種種子細(xì)胞液就是健康的。

　　同時(shí)由于細(xì)胞在體外的培養(yǎng)和體內(nèi)還是截然不同的，體內(nèi)的環(huán)境更復(fù)雜，除了人體本身的基質(zhì)以外，還受到你飲食、環(huán)境、甚至情緒的影響，隨時(shí)讓細(xì)胞的生長(zhǎng)環(huán)境產(chǎn)生一些變化，使得基質(zhì)的濃度，或者其他的代謝物、生長(zhǎng)因子等等發(fā)生相關(guān)的變化。而在體外進(jìn)行的細(xì)胞培養(yǎng)其實(shí)相對(duì)來說比較可控，它有標(biāo)準(zhǔn)的基質(zhì)，它可以實(shí)時(shí)受到控制，對(duì)它進(jìn)行添加，對(duì)它的排泄物進(jìn)行清除等等，使得細(xì)胞在體外培養(yǎng)、擴(kuò)增的時(shí)候，能得到一個(gè)非常良好的環(huán)境。

　　但是體外的細(xì)胞培養(yǎng)完以后，我們把它種植在用3D打印的這種組織結(jié)構(gòu)上，比如說骨頭上，這種從體外移植到體內(nèi)的骨骼組織會(huì)不會(huì)產(chǎn)生變化呢?其實(shí)變化是有的，大量的實(shí)驗(yàn)證明這是有的，跟培養(yǎng)的技術(shù)有關(guān)系，與構(gòu)建的技術(shù)也有關(guān)系，干細(xì)胞尤其是多能干細(xì)胞定向又變成骨骼細(xì)胞的時(shí)候，有些就會(huì)產(chǎn)生癌變，在基質(zhì)上進(jìn)行培養(yǎng)以后，把它植入到人體以后這種癌變隨著就會(huì)進(jìn)入人體了。所以要用到基因編輯和基因測(cè)序，將體外進(jìn)行培養(yǎng)的細(xì)胞進(jìn)行測(cè)序，看它是否有癌變，如果沒有癌變就是一個(gè)完整的健康的細(xì)胞，種植培養(yǎng)移植。

　　這個(gè)技術(shù)現(xiàn)在在國(guó)內(nèi)外都在同步研究，目前來說，大家都亟需解決的一個(gè)問題，就是干細(xì)胞的種類足夠多，大家都知道其實(shí)在國(guó)內(nèi)外做干細(xì)胞的現(xiàn)在比較多，能完整的控制它的定向誘變的條件也是非常苛刻的，它有優(yōu)勢(shì)，其實(shí)也有缺陷，但無論如何，它結(jié)合3D打印技術(shù)已經(jīng)在健康領(lǐng)域大顯身手。

　　3D打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域演進(jìn)的五個(gè)生命階梯

　　這里要重復(fù)一下“再生”的概念，其實(shí)這種再生就是生物醫(yī)學(xué)的工程，生物醫(yī)學(xué)加工程學(xué)的概念，它將人體，將人體被損害的組織器官，失去功能的組織器官，使它重新具備原來的生理功能，這個(gè)過程就叫再生技術(shù)。

　　說到再生技術(shù)，離不開干細(xì)胞，干細(xì)胞其實(shí)是在體外對(duì)它進(jìn)行定向的誘變，然后將它進(jìn)行擴(kuò)增，把它定向誘變成定向的比如說骨細(xì)胞，就是我們說的種子細(xì)胞，結(jié)合這種組織器官的構(gòu)建，把它進(jìn)行活性培養(yǎng)，然后進(jìn)行臨床的治療，最后可能得到一個(gè)臨床的檢驗(yàn)，然后反反復(fù)復(fù)地提高質(zhì)量。再生醫(yī)學(xué)，尤其是干細(xì)胞，是最關(guān)鍵的技術(shù)，也是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

　　3D打印在醫(yī)療健康行業(yè)革命性的五個(gè)生命階梯，分為：

　　無生命體

　　簡(jiǎn)單生命特征

　　活性組織

　　復(fù)雜組織器官

　　完整生命體

　　無生命體，前面有講，比如病理模型的構(gòu)建，個(gè)性化器械的應(yīng)用，個(gè)性化的植入的應(yīng)用，還有一些手術(shù)的導(dǎo)航板的應(yīng)用;有簡(jiǎn)單生命特征，就是基于生物材料構(gòu)建的一個(gè)簡(jiǎn)單的組織，對(duì)它進(jìn)行了簡(jiǎn)單的細(xì)胞培養(yǎng)，使它具有了一些非常簡(jiǎn)單的生命特征，比如說生長(zhǎng)、相容;活性組織前面也講了，比如說骨骼是一個(gè)活性組織，比如說顱骨、股骨、脛骨等等，這是硬組織，也屬于活性骨骼。活性組織還有什么呢?目前能做得到的還有血管、靜脈血管;復(fù)雜的組織器官有肝臟、心臟、腎臟等等;第五個(gè)是完整的生命體，其實(shí)復(fù)雜的組織器官能做了，也許有一天就能組合，對(duì)不對(duì)，這些都是有可能的。

　　3D打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及局限

　　我們以骨骼為主，當(dāng)然主要是用在骨科，延伸還有口腔頜面科學(xué)、神經(jīng)外科、心胸外科還有其他的普通外科，應(yīng)用領(lǐng)域是極其廣泛的。

　　前面講了病理模型的構(gòu)建、導(dǎo)航板的應(yīng)用，這在神經(jīng)外科應(yīng)用也是非常典型的。比如說人的腦袋里面有神經(jīng)損傷，對(duì)它進(jìn)行修復(fù)，首先要對(duì)病理的神經(jīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)還原，得到病理模型，這種病理模型的數(shù)據(jù)其實(shí)極其復(fù)雜，對(duì)他進(jìn)行解析以后，對(duì)它植入的修復(fù)材料進(jìn)行導(dǎo)航，把材料或者相關(guān)的藥物送達(dá)到缺損的部位，這就是導(dǎo)航板的使用。然后損壞的神經(jīng)在藥物或者是其他物理的干預(yù)下，要生長(zhǎng)，進(jìn)行修復(fù)，那么這種手術(shù)中的導(dǎo)航板又可以引導(dǎo)它向另外一端發(fā)展，然后把它結(jié)合起來。

　　不管是有生命的還是無生命的3D打印產(chǎn)品，其實(shí)當(dāng)中的任何一個(gè)東西的產(chǎn)生，需要的數(shù)據(jù)或者是過程相當(dāng)復(fù)雜，可能還牽扯到其他的學(xué)科，比如說生物力學(xué)、運(yùn)動(dòng)力學(xué)等等，相關(guān)的數(shù)據(jù)融合，最后才能做成一個(gè)完整的科學(xué)的東西出來。

　　其實(shí)任何一個(gè)學(xué)科，尤其是一個(gè)新興的學(xué)科，一個(gè)創(chuàng)新的東西，它都不是完整的。

　　首先是技術(shù)的儲(chǔ)備不足。可能跨學(xué)科到了化學(xué)、物理、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化等等學(xué)科，基礎(chǔ)研究到目前來說做得不是很充分，需要充分地融合。

　　第二個(gè)是知識(shí)產(chǎn)權(quán)的嚴(yán)重不足。起步比較晚，尤其是基礎(chǔ)行業(yè)的研究知識(shí)產(chǎn)權(quán)比較少，如果是自己不做知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的話，在以后的產(chǎn)業(yè)化當(dāng)中可能會(huì)遇到問題。所以在做這個(gè)東西的時(shí)候，我們的經(jīng)驗(yàn)，就是要做大量的發(fā)明專利來保護(hù)相關(guān)的東西，甚至要做一些PC機(jī)的審批，同步申請(qǐng)國(guó)際的一些保護(hù)。知識(shí)產(chǎn)權(quán)要相當(dāng)?shù)刂匾暎麄€(gè)行業(yè)對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重視嚴(yán)重不足。

　　還有法規(guī)問題。美國(guó)從2014年開始極力地支持3D打印技術(shù)在臨床的應(yīng)用，中國(guó)積極跟進(jìn)，包括歐洲、澳大利亞都積極跟進(jìn)。中國(guó)相繼出來三個(gè)政策，2015年年底第一個(gè)，2016年連續(xù)出了兩個(gè)，尤其是最近已經(jīng)支持到只要有相關(guān)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的可以申請(qǐng)綠色通道。

　　最后我簡(jiǎn)單總結(jié)一下，無論如何，3D打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的初步應(yīng)用，已經(jīng)顛覆了人們對(duì)現(xiàn)有醫(yī)療的認(rèn)知，眾多發(fā)達(dá)國(guó)家都投入了足夠的人力及資金，以期將此作為人類健康的全球戰(zhàn)略。基于3D打印技術(shù)的再生醫(yī)學(xué)組織工程，已經(jīng)成為繼人類基因大規(guī)模測(cè)序完成之后，生命科學(xué)中最活躍的發(fā)展領(lǐng)域之一及科技競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)，在國(guó)際性的產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)熱潮來臨之前，掌握關(guān)鍵技術(shù)就獲得了生命科學(xué)前沿技術(shù)的制高點(diǎn)。

　　醫(yī)療其實(shí)是綜合學(xué)科，是跨學(xué)科的，需要眾多的跨界的交叉的研究，交叉的臨床實(shí)驗(yàn)，才能做出一個(gè)完整的創(chuàng)新的東西。來自各種學(xué)科的數(shù)據(jù)需要融合，需要合作。3D打印本身目前來說有它的局限性，比如說人們無法對(duì)復(fù)雜的臟器進(jìn)行全面的認(rèn)知，需要大量的時(shí)間去做，但無論如何這都是可以預(yù)期的。包括我們?cè)趦?nèi)，能做到現(xiàn)在的程度，都是站在巨人的肩膀上，實(shí)踐并創(chuàng)新。