3D打印技术在生物医用材料领域有什么应用?

 3D打印技术与新的医学信息获取技术相结合,以生物医用材料及细胞为新型离散材料,通过技术设计,快速有效的生产出医疗相关产品,这一过程称为生物3D打印。生物3D打印具有巨大的临床需求和科学意义,采用该技术快速精准的制造出满足不同个性化需求的组织、器官等,并对其微观结构精准控制,能够大大缓解组织器官紧缺的问题。生物3D打印技术的发展一方面依靠工程技术的不断改进和升级,另一方面依靠生物医用材料性能的不断提升和新材料的开发应用。两者相互作、互相影响、交替发展,无论是生物3D打印技术还是相关生物医用材料的飞速发展,都意味着生物3D打印已经迎来了更加广阔的未来和发展空间。

 
3D打印,属于快速成形技术的一种,它是一种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,通过逐层堆叠累积的方式来构造物体的技术(即“积层造形法”)。过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型,现正逐渐用于一些产品的直接制造。特别是一些高价值应用(比如髋关节或牙齿,或一些飞机零部件)已经有使用这种技术打印而成的零部件,意味着“3D打印”这项技术的普及。
3D打印技术在生物医用材料领域有什么应用?
一、生物3D打印技术
  
生物3D打印技术是多学科融合交叉诞生的一门新兴学科,通过突破传统的制造技术,结合生命科学相关内容,生产制造出可用于人工植入、修复重建、完全替代人体组织或器官。该技术涉及仿生制造,功能结构生物体制造,再生医学模型制造,体外生物生理、病理和药理模型制造及以细胞和活性分子为基础的细胞/组织芯片和先进医疗诊断设备的制造等诸多领域,是目前3D打印技术的最高水平体现之一。
  
生物3D打印技术发展迅速,已经在短短的20多年发展历中经历了4个阶段[1]。从最初的打印体外医疗器械与医学模型开始,对使用材料没有生物相容性的要求,到打印生物相容性较好、不能降解的永久性植入材料,经历了材料性能根据需求提升的阶段。接下来,生物3D打印使用的材料性能更优,既具有良好的生物相容性,又可被降解吸收,打印产品植入后能与组织发生相互作用,促进其再生。这3个阶段的发展,依赖于材料本身性能的优化和提升,同时对3D技术革新提出了更高的要求。目前,前3个阶段的技术发展成熟,已经应用到实际研究与临床治疗,如药物控释支架制备、活性大段人工骨、活性人工软骨制备等,同时也利用计算机辅助设备,直接进行复杂骨科手术、颅骨修复、小耳畸形修复和口腔正畸等。北京大学第三医院已成功完成世界首例3D打印脊椎植入手术,与传统骨科植入物相比,3D打印脊椎骨更贴合正常骨,不仅减轻了对骨头的压力,而且它也允许骨头长入植入物。现今,被称为“细胞打印”或“器官打印”的全新生物3D打印技术正在崛起。人体的组成细胞多样复杂包含血管、神经等,组成细胞超过250种以上。如此复杂多变的体系目前仅有生物3D打印技术可能是实现方法。
3D打印技术在生物医用材料领域有什么应用?
二、生物3D打印产业现状
  
从创新性研究成果到具备一定规模生产转化过程是复杂的。生物3D打印产品属于医疗产品,应用端为人体,涉及伦理道德和生命安全性,既要保证临床上的安全性和有效性,还必须遵守国家相关法律法规。上市注册证的获得是评判生物3D打印产品能否上市,具有产业发展前景的重要敲门砖。
  
目前世界公认的注册证是美国食品及药物管理局(FDA)、欧盟安全认证(CE)和中国国家食品药品监督管理总局(CFDA)。在2015 -2016年期间,全球几大著名骨科医疗器械制造商美国捷迈公司(Zimmer)、史赛克(Stryker )公司施乐辉公司(smith nephew)、美国强生(Johnson Johnson)陆续推出了3D打印产品,这些产品经过多年的研发与验证,获得了FDA的批准,并正式进入到医疗市场。截至2016年10月,FDA已批准了85个3D打印植入物:包括颌面植入物、髋关节、膝关节植入物和脊柱植入物等。CFDA批准了2个3D打印植入物:髋关节系统和人工椎体。2016年全球3D打印医疗市场规模达12.29亿美元,预计2024年3D打印医疗市场规模达96.39亿元。
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