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西交大贺健康:3D打印技术推动医疗技术新变革

发布人:3D打印商情

责任编辑:激光制造商情

来源:3D打印商情

2017-08-17 09:53

    2017年5月25日,西安交通大学机械工程学院教授、博导贺健康出席在深圳会展中心举行的第五届亚洲3D打印产业大会并作题为《增材制造(3D打印)技术:推动医疗技术新发展》的演讲,从设计与制造的角度来分析了3D打印技术如何为医疗服务。随后,他接受了《3D打印商情》记者的采访,在采访中,贺教授对生物3D打印的存在意义、现状以及未来的发展方向进行简单扼要的分析。

    他认为,对生命与健康的追求是人类永恒的主题,人类为解释生命的奥秘孜孜以求、永不停歇,而现阶段,3D打印技术给人类生命与健康带来了新希望——3D打印技术的出现使人类根据个体需求更换病变组织或者器官变为可能,如同汽车更换零部件一样。

    他以器官移植为例,解释了生物3D打印技术的存在意义:中国每年有超过200万例器官需求,但由于器官主要来源于捐献,所以仅1%的患者能够获得合适的供体。随着经济社会的发展以及人类对健康的追求,人类将需要更多合适的供体,那么供体从何而来?根本的出路便是人工制造组织与器官,而3D打印恰好是实现个性化组织和器官的制造的利器。

    自然,这一过程并不像话说的那么简单,关于组织和器官的3D打印,人类还有很长的路要走。

发展现状:各阶段研究同步进行,收效不一

    关于活性组织的制造的话题,上世纪90年代便开始被广泛讨论。到2010年,美国《时代周刊》曾把活性组织3D打印誉为50大最佳发明之一。活性组织由于蕴含着超过4000亿美元的巨大市场潜力,有着高利润的同时又是新兴医疗产业的发展方向,所以这一方面的研究被很多国家列为制造技术的前沿发展方向。

    贺教授指出,近几年,在国家重大研发计划中,生物材料、增材制造在医疗领域均占有重要分量,可见国家对这一新兴产业的前沿发展方向何其重视。

    从生物3D打印发展路线图来看,这一学科将从体外医疗模型与器具发展到个性化假体与内置物,再到可降解组织工程支架、到活性组织与器官打印。随着3D打印技术的发展,生物3D打印将经历一个从非生物相容性到生物相容性,从不降解到可降解,从非活性到活性的过程。

    据贺教授介绍,最早大家关注的是体外医疗模型与器具,比如说3D打印手术导板,可以让医生通过实体模型,在体外做模拟实验,研讨定制手术方案并进行术前演练与优化。因为这种模型只在体外使用,进入医院使用的门槛非常低,国内已经有部分医疗机构将3D打印医疗模型增补为收费事项,相信很快会在全国推广。

    随着技术的发展,个性化假体与内置物产生,可以进入体内替代病变或缺损的组织。这是目前国内很多研究机构都在做的主要研究之一,在个性化假体研究制造方面,西安交大可以说是走在世界前列的。这方面的技术已经接近成熟,开始进入小批量的临床试验阶段,就看何时能建立针对3D打印个性化植入物的医疗规范和标准,通过药监部门注册与验证,实现大规模临床应用了。

    而生物3D打印的第三个阶段,是3D打印可降解的组织工程支架。这与以往在人体里一成不变的金属假体不一样的地方在于,可降解的组织支架可以随着时间的推移,可由支撑的支架慢慢降解,变成人体的一部分,适应不断变化的人体生理环境。这一阶级仍在临床试验阶段。2013年就曾有过报道,3D打印气管支架在婴儿体内成活,这代表着可降解支架从那时起便慢慢应用于临床。

    第四阶级为活性组织打印。活性组织与器官3D打印是将细胞和材料混合着打印,把细胞作为“生物墨水”喷涂到凝胶支架上,随着细胞的生长,慢慢变成一个真实的组织。这是材料、细胞、结构一体化成形的过程。世界首台细胞打印机于2010年成功面世,但由于细胞的存活对生存环境要求苛刻,到现在仍无法打印出复杂的活性结构。打印出来的血管尚停留在研究层面,与人体血管的功能差距还很大。西安交大在此方面也进行了大量研究,但如其它所有研究组机构一样,也仍然在研发阶段。

总结与展望:医疗3D打印前景光辉,有望实现在体打印

    在3D打印论坛的演讲中,贺健康教授结合西安交大机械制造系统工程国家重点实验室的成果与成功病例,介绍了个性化假体、组织工程支架、自然关节软骨/骨支架、韧带骨支架、血管化器官等的3D打印制造方法、技术路线、研究结果及取得的科研成绩。

    据介绍,西安交大从2000年便开始把3D打印应用到医学领域,十几年来获得了一系列的奖项与赞誉。该校一开始主要是做金属3D打印个性化假体,主要针对市场需求较大、个性化需求较高的口腔颌面外科。从设计、制造方面与临床应用相结合。目前,西安交大的个性化假体设计制造技术已经较为成熟,但如何与临床结合、与药检系统结合仍然是个性化假体大规模应用之前需要解决的问题。 

    除此之外,西交大还在可降解的骨组织、软骨、韧带、气管、肝组织、皮肤、肌肉等支架方面都做了很多探索。比如可降解的气管,从去年开始,西安交大已经跟第四军医大学唐都医院、西京医院合作了数例临床实验,取得了不错的效果。而最新好的消息是,在今年6月初,贺健康、李涤尘教授的团队与西京医院合作了世界首例3D打印乳房重建手术,在这一临床案例中,便运用到可降解的填充物。

    贺健康教授认为,在可预见的未来,可降解材料3D打印在临床应用会是一个非常重要的方向。

    贺健康教授在展望未来时着重提到了“在体打印”,比方说皮肤肌肉血管——多组织、皮肤与肌肉损伤等是否能实现在体原位打印呢?其实他的团队已经按照这一想法进行一系列的探索。在他的设想里,开发设计一个全新的系统,将切除手术、微创机器人与扫描系统、在体打印等技术进行一体化,病变组织一经切除,在一分钟之内即可获取病变组织的三维数据并迅速进行重构,紧接着完成原位在体打印……但这也像细胞打印、器官打印等技术一样,还须时日……

    贺健康教授指出,虽然现在受技术与材料、产业化和国家政策方面的限制,但3D打印在制造人体内植物方面有着光辉前景与巨大商机,而生物3D打印也是实现精准化医疗的重要趋势,但如何提升核心技术水平和产品竞争力是急需考虑的问题。同时,希望制造领域的专家、医疗领域的专家,以及药监系统的专家尽快制定好监管条例与行业标准,方便3D打印技术在医疗领域大规模推广。

    贺健康教授个人简介

    贺健康,现任西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室固定研究人员、教授、博士生导师,国家自然科学基金优秀青年基金获得者,担任中国生物材料学会生物材料先进制造分会常务委员,中国生物材料学会骨修复材料与器械分会委员、中国医学装备协会智能转给技术分会委员、国际仿生工程学会创始会员、中国机械工程学高级会员。研究方向为增材制造与生物制造。主持国家自然基金3项;在国际知名期刊发表SCI论文50篇,获中国发明专利25项。研发的3D打印可降解气管外支架实现了临床应用,被CCTV2、CCTV7、CCTV10新华社等媒体报道,产生了良好的社会影响;2017年获陕西省高等学校科学技术一等奖(第一完成人)、2015年获“中国好设计”金奖、2011年度获教育部高等学校技术发明一等奖、2007年获国际Emerald杂志出版商“Highly Commended Awards”。担任国际期刊Virtual and Physical Prototyping, International Journal of Bioprinting的编委。