3D打印技术在医学方面的应用及畜牧兽医领域的展望

向顺禄，杨冬东，何可，黄长青，柏才敏

（1.四川省动物疫病预防控制中心，四川成都 610041；2.四川省兽医协会，四川成都 610041）

在首届世界3D打印技术产业大会上，来自美国、德国和全世界3D打印行业的600多位嘉宾就3D打印技术产业化过程中的热点难点问题展开了深入讨论，并成立了世界3D打印技术产业联盟。全世界已经掀起了3D打印技术的热潮，随着该技术的日趋完善，成本不断降低，3D打印技术的应用在设计、医疗、制造等领域不断完善和成熟，人类已经进入了3D打印时代。目前，3D打印技术虽然已经在很多领域初露锋芒，但畜牧兽医行业对3D打印技术的认知十分有限。本文汇集了国内外相关资料，试图将3D打印技术的概念及原理、应用现状、在医学领域的应用等情况介绍给大家，并对3D打印技术在未来畜牧兽医领域的应用进行了大胆设想。

一、3D打印技术的概念及原理

3D打印技术，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印的概念在上个世纪80年代就出现了，3D打印机则出现在上世纪90年代中期，它与普通打印机工作原理相同，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。

3D打印机的工作原理有一个形象的比喻：蚕吐出很细的丝，一层一层把自己包裹起来，就形成了一个“立体”的茧。虽然目前材料和工艺不一样，但3D打印的基本原理都是根据要打印的物体形状，通过一层层地堆积而成。比如塑料材料，就是将塑料加热后，形成塑料丝，然后将塑料丝一层一层地堆起来，就形成了三维物品；还有一种是用激光照射光敏树脂或金属粉末，形成固体后堆积起来变成三维物品。不管是哪种材料，都是一层一层往上加材料，而不是像传统制作工艺“车、洗、磨”那样把原材料削去。3D打印是增加需要的部分，而传统制作工艺是减掉不需要的部分。

二、3D打印技术即将开启第三次技术革命

放眼全球，3D打印技术成了各国竞相研发的项目，美国《时代》周刊已将3D打印产业列为“美国十大增长最快的工业”；英国《经济学人》杂志认为这项技术将与数字化生产模式一起推动实现新的工业革命，将3D打印技术称为世界第三次技术革命，必将引起市场格局和技术惯例的变革，使得人类即将跨入“点击制造”时代。

目前3D打印技术已经渗透到各行各业，在工业制造领域，3D打印技术已经用于产品概念设计、原型制作、产品评审、功能验证等方面，3D打印的小型无人飞机、小型汽车等产品已经问世，一些3D打印的家用器具，也经常被用于企业的宣传、营销活动之中；在航空航天、国防军工领域，3D打印技术被用于制造结构复杂、尺寸细微且具有特殊性能的零部件，也用于机构的直接制造，而且结构越复杂，取得的效果越好；在建筑领域里，工程师和设计师已经开始使用3D打印机打印建筑模型，荷兰科学家甚至已经着手打印整体建筑；在消费品领域，一些珠宝、服饰、鞋类、玩具的设计与制造也通过3D打印技术来完成。

3D打印技术解决了传统工艺难以制造复杂结构零件的问题，能够明显提高生产效率，具有快速、成本低、环保、节能降耗等众多优势，因此，在“衣食住行，文体娱乐”的各个领域，3D打印技术都是“如鱼得水”，即将开启第三次技术革命的大门。

三、3D打印技术在医疗行业的应用

3D打印技术作为科技前沿的代表性技术，自然受到了医疗行业的青睐。如今，3D打印技术逐渐应用到医学领域的范围已经超出了我们的想象，引起了广泛关注。就目前而言，3D打印技术在医疗方面的运用主要在以下几个方面：

（一）快速制作人体器官模型3D打印出来的器官可用于教学和术前模拟等，这是最传统的用途。据国外媒体报告，英国专家研发的3D打印技术可用胚胎干细胞制造人体组织，这种由爱丁堡赫瑞·瓦特大学开发的方法意味着病入膏肓的病人或是灾难中受严重伤害的病人，可轻易获得肝脏、心脏和其它器官。

威尔·休博士和他的科研团队正和英国中洛锡安郡干细胞技术公司Roslin Cellab密切合作。他说：“据我们所知，这些细胞被3D打印出来尚属首次。这项技术将使我们制造出更精确的人体组织模型。从长远来看，我们设想这项技术得到进一步发展，可用患者自己的细胞为医疗植入制造出可用的3D器官。这是第一步。这是把细胞变成你想要器官的干细胞技术的巨大进步。在我们看来，为了最后培育出你想要的任何组织或器官，最好是先精通这项技术。”

数据显示，截至2012年3月，英国国家医疗服务体系(NHS)器官捐赠登记表共有186 935 49人。这项技术培育出的器官，可减少器官捐赠的需要以及排除出现免疫抑制和移植排斥等问题的可能性。

（二）作为手术植入体 3D打印产品可以根据确切体型匹配定制，如今通过3D打印制造的医疗植入物这种技术已被应用于制造更好的钛质骨植入物、义肢以及矫正设备。美国研究人员利用3D打印机开发骨骼打印技术，造出类似骨骼的材料，它可被用于骨科、牙科治疗或开发治疗骨质疏松症药物。

华盛顿州立大学苏斯米塔·博斯带领研究小组，耗费4年时间开发类骨骼物质。他们发现，在生物陶瓷粉主要成分磷酸钙中添加硅和氧化锌可以使其强度提升一倍。磷酸钙生物陶瓷材料是整形外科领域一类重要的骨修复材料，可模拟人体自然骨结构，适宜细胞和骨组织的长入。研究人员使用一部先前用于打印金属材料的3D打印机制造类骨骼物质。它在粉末层上喷出塑料黏合剂，粉末层厚度仅为一根头发丝宽度的一半。粉末层层叠加，干燥后达到要求的支架厚度，然后在1250℃下烘烤2小时。实验室环境下的未成熟骨细胞生长测试显示，支架上的骨细胞在移植一周内开始生长。在兔子和老鼠身上的活体实验同样得到可喜效果。

研究人员说，这种类骨骼物质可被添加到受损自然骨上，当作支架材料，促使细胞和骨组织生长，而且这种类骨骼物质可最终降解，没有“明显负面效果”。他们表示，数年后，医生可利用这一技术定做更换骨组织。

（三）口服控释给药 英国媒体报道，英国格拉斯哥大学的李克罗宁教授及其45名成员的研究团队对一台3D打印机进行改良，在其中加入装有化学药品的容器。经过改造，这部3D打印机相当于拥有一个小型“反应件”，可合成用户所需药品。

传统口服药在刚服用一段时间后血液中药物浓度会有一个高峰，随后就下降。三维打印采取的“逐层打印、层层叠加”原理可以方便地打印出特殊外型或复杂内部结构的药品，可以通过特殊的药片结构控制药粉/药剂的释放过程，让人体内的药物吸收过程更为合理。

除此之外，这项技术将大大降低药品制作成本，使更多的患者能接受之前负担不起的昂贵治疗。

（四）改良药物测试 在最理想的状态下，打印结构还能用于药物测试，加速改良测试过程。大部分药物开发都是以人类疾病为目标，用人类组织来实验更有意义。研究发现，与药物开发部门目前正在使用的技术相比，3D培养的细胞生理表现很不相同。爱丁堡赫瑞瓦特大学的研究人员已经开发出了基于瓣膜的细胞打印过程，可以按特定的模式打印细胞，每液滴中能够提供低至2 NL或小于5个的细胞。3D打印的人造肝脏组织“对于药物研发非常有价值，因为它们可以更确切地模拟人体对药物的反应，有助于从中选择更安全、更有效的药物。”

威尔·休博士带领赫瑞瓦特大学的研究小组开发了一种基于瓣膜的双喷嘴打印机，已经过验证，可打印高度活细胞，包括用于组织再生的首例人体胚胎干细胞打印。威尔·休博士说：“革命性的新药需要10～15年的时间进入市场，投资成本超过100亿美元，实际上，人体器官切片可以使研发周期减少至10年以下，关键的是成本可减半。新药物可进行潜在肝毒性的测试，因此这将有利于所有的疾病。”

威尔·休博士的研究团队正在与中洛锡安郡的Roslin Cellab公司密切合作。该公司与制药和生物技术机构合作，旨在推动干细胞产品的商业化。相信在多方共同努力下，3D打印技术在未来某一天有可能使定制药物成为现实，并缓解（如果不能消除的话）供体短缺的问题。

（五）电子医疗器械市场Organovo是一家来自美国圣地亚哥专注3D打印制造生物组织并用于药物研究和外科运用的公司，该公司通过和美国专门学术机构以及其他商业公司合作，研发技术。目前美国Organovo公司已经同美国辉瑞制药公司、美国联合治疗集团、哈佛医学院以及哥伦比亚大学等建立了合作关系，将3D生物打印技术运用于药物制造和医疗行业，BBC市场研究报告显示，其全球市场价值达到了11亿美元。

如果，3D打印技术供应商拥有足够的技术储备，同医院建立起合作关系，向其提供包括设备、技术在内的支持和维护，并进行相应的培训，那么这必将开启极具前景和潜力的电子医疗器械市场。

四、3D打印技术在畜牧兽医领域的展望

3D打印技术未来能否继续扮演新一轮产业革命的主角，人们拭目以待。专家认为，随着技术日趋完善，3D打印技术的应用将是想象力的问题。3D生物打印技术将在医学的各个子学科中广泛应用，让我们来大胆展望它在我们兽医行业中的应用。

（一）打印生物疫苗 人类社会进入21世纪以来，随着世界人口不断增加，生活品、工业品需求量节节攀升，对环境也造成了严重污染，滋生了各种病毒。2002年的SARS病毒以及现在的H7N9病毒的出现就说明了当今社会应针对病毒做好积极的防疫工作。3D打印技术可应用于疫苗的生产，通过电镜识别新病毒，再用3D打印机将具有相应抗原特性的疫苗打印出来，便可第一时间获得疫苗。2009年暴发H5N1病毒时，各国政府普遍耗时6个月才生产出相应的疫苗。如果运用3D打印技术，便能在最短的时间打印出最新疫苗并在第一时间分发到各家各户，这样便能在最短的时间内有效地防止疫病扩散。

（二）打印器官，保护珍稀动物 打印制造软组织的实验已经进行，通过3D打印制造的血管和动脉正在试图应用于手术。这样的技术同样也可以为患病动物特别是珍稀动物提供更为有效的治疗，通过3D打印技术制造的器官可缓解器官供体短缺或出现排斥等问题。精确打印出来的器官，其外型与功能几乎与原配一样，这样就可以让濒临灭绝的动物寻求更多生还机会。

（三）打印鲜肉，提供丰富的仿生性食品 用3D打印技术可在糖类物质构成的框架上打印生产出鲜肉，口感与真肉十分接近。“鲜肉”如此打印，不仅可以满足人类对肉类食品的需求，也将减少被捕杀动物的数量。减少了大量的规模养殖，从一定程度上减少疫病的滋生、传播，达到真正的清洁无疫，促进畜牧业又好又快的发展，保障人类和动物的安全，同时也可以改善一直存在争议的动物福利问题。

（四）打印实验模型，保障动物权利 目前人类测试新药物的过程，往往使用大量的实验动物。这不是理想的做法，因为不仅成本昂贵，而且不太可能准确地呈现出人体器官对其的代谢能力和毒性反应，同时会引发动物福利组织的反对。研发人员希望可以直接在这些“打印”出来的，且在法律意义上不具生命的活器官上进行实验和改良，以取代动物实验，提供更快的结果反馈，同时显著降低临床实验的成本，也使动物的权利得到有效的保障。此外，通过打印胚胎干细胞生成的3D结构，能造出更精确的活体组织模型，今后药物开发和实验过程将不再需要进行各种动物实验。以动物疾病预防控制为目标的药物、疫苗开发，可直接采用动物组织来做药性测试。它们可以更确切地模拟动物对药物的反应，有助于从中选择更安全、更有效的药物及疫苗，这对药物研发、毒性测试都非常有价值。

以上几点，只是对于3D打印技术在畜牧兽医学方面的应用展望，相信随着技术的不断成熟，3D打印技术能够在畜牧兽医学方面发挥出更大的积极作用。

五、3D打印技术的瓶颈

上海同济大学教授、现代制造技术研究所名誉所长张曙认为：“过去，我们只是把3D打印当成是一种快速成形技术，但现在工业领域的应用，可以让设计、创意与生产分开，实现减少库存的生产，等于提供了新的商务模式，就势必会引起制造业的变革。但3D打印的技术还存在很多难题，加工精度、材料应用等方面，在制造业的应用不是一时半刻能够实现的”。从张教授的话里，我们了解到，3D打印技术虽然优势明显，但仍然存在一些发展瓶颈，主要表现在以下几点：

（一）适用范围有限 对于一般要求较低、专业性不强的部件，3D打印可以满足要求，设计师能通过这种方法将电脑上的图形快速转换成物理实物模型，方便对设计和功能进行验证，缩短产品开发周期，及时发现问题。如果用传统方法，需要经过绘图、工艺设计、模具制造等多个环节，花费较多的时间和较高的成本。但如果是做例如钻头这种高硬度的产品，3D打印明显力不从心。这个不是改进技术就能够解决的，因为快速成型技术本身存在本质性缺陷和局限性。

（二）材料单一 材质、原料是这项技术的核心，找到适合的材料才能制造出相应产品。目前，可用的3D材质并不多，只是一些可溶性的金属、树脂、塑料等材质的应用。

（三）成本昂贵 由于产品数量少，技术研发成本高，只购买3D打印机就价格不菲，数千元的产品，也仅仅是打印一些简单的小东西。

除了这些问题，3D打印技术在现实的应用中还存在某些门坎儿，不仅会导致资本和工作重新分配，知识产权规则也将被改变，为此人们应该从现在开始考虑这种技术的长远影响，将处于趋势焦点的3D打印技术推入发展的快车道。

（略）