目前，3D打印定制化假体在骨科临床上已有广泛应用，如3D打印人工髋臼假体、肩胛骨假体、骨盆假体、胸腰椎人工椎体及个性化假肢等。3D打印的各种不同形状的内植物，也帮助医生解决了脊柱肿瘤、严重创伤等疑难重症的治疗问题。

“没问题！之前的症状都没有了……”近期，一位患者在北京大学第三医院骨科门诊复诊时这样表示。此前，该患者接受了椎体置换手术，手术植入了纯国产的“自稳型”3D打印钛合金微孔结构人工椎体。据了解，该人工椎体的基础材料钛合金粉末是国产的，生产该椎体的3D打印设备也由我国自主研发。这枚“自稳型”3D打印钛合金微孔结构人工椎体的植入，标志着在3D打印技术骨科应用领域，我国不仅拥有相关创新产品自主设计、研发的能力，且拥有以国产设备和材料进行生产的能力，实现了从原始设计到产品研发制造的全过程创新。

开辟3D打印骨骼国产化道路

椎体置换应用于颈椎病、颈椎肿瘤等多种需要切除椎体进行治疗的患者。目前，国内外颈椎椎体切除的修复技术通常采用钛网加钛板和螺钉的方法，即切除椎体后，用一种圆柱状钛网结构放置在切除椎体之后的骨缺损区，再将一块钛板放在钛网前方，钛板的上、下端用螺钉固定在相邻椎体上。因为装置需要组合，所以固定强度有所减弱。同时，起固定作用的钛板覆盖在手术椎体的前后两端，而颈椎前方即为食道，钛板的突出部分易对食道造成挤压。

“‘自稳型’3D打印钛合金微孔结构人工椎体就这一问题进行了改进，去掉了给患者造成挤压感的钛板，直接将螺钉和椎体组合，植入体与颈椎表面平齐，实现了‘零切迹’。”作为上述植入“自稳型”3D打印钛合金微孔结构人工椎体患者的手术医生，北京大学第三医院脊柱外科研究所所长、骨科教授、主任医师，医用增材制造技术医疗器械标准化技术归口单位专家组组长刘忠军指着人工椎体模型说，前期研究证实“自稳型”3D打印钛合金微孔结构人工椎体生物力学性能较以往使用的钛填充物更好，且使手术更加简洁。他介绍，这款“自稳型”3D打印钛合金微孔结构人工椎体已在国内上市1年多，医疗单位使用反馈很好，未来将逐步推向国际市场。

在90%以上高端医疗器械依赖进口的背景下，3D打印人工椎体的国产化道路并不容易。作为国家重点研发计划项目“骨科个性化植入假体增材制造关键技术及临床应用”牵头人，刘忠军坦言，这款“自稳型”3D打印钛合金微孔结构人工椎体是“一点点摸索出来的”。

最开始，刘忠军想利用3D打印做出人工枢椎。但医生和工程师的语言并不在同一个“频道”上。医学专用术语和解剖名词，工程师听不懂；计算机和工程专业语言，医生也难以理解。

“后来我用橡皮泥捏了一节枢椎椎体模型交给技术人员，让他们先照着打印出来。”刘忠军说，然后双方再就着模型反复沟通修改，靠着这样的“笨方法”，刘忠军研究团队最终打印出3D人工枢椎。

3D打印与骨科应用“一拍即合”

3D打印又称增材制造技术，是制造技术的一次革命性突破。近年来，这个来自工业领域的技术在医疗领域也作出了不小贡献——制作医学模型、辅具、假肢、手术导引装置等。当然，还有3D打印骨骼。

刘忠军告诉记者，3D打印技术在骨科领域有独特的应用优势。“一方面，骨组织CT扫描图像可便捷地转化为3D打印的数字文件；另一方面，骨骼解剖结构复杂且为硬组织，形态相对恒定，这恰恰也是3D打印技术产品的特征。”

早期，3D打印技术在骨科领域多应用于制作骨骼模型，为医学教育、临床诊治和医患沟通提供便利。2010年前后，随着金属3D打印机面世，3D打印技术制作金属材料人体内植物成为可能。以脊柱外科为例，3D打印技术不仅可以制造手术操作导板，提高术中穿刺或螺钉拧入的精准度，还能制作出有利于修复、重建骨结构及功能的钛合金内植物。

“目前3D打印骨科内固定物多采用钛合金。钛合金也是3D打印最常用的金属材料之一。钛合金和人体组织的相容性很好，不会出现过敏等免疫排斥现象。近年来，钛合金在骨科领域的应用已非常成熟。”刘忠军介绍。同时，他表示，钛合金椎体还可以设计成像海绵一样的微孔结构，这样，人体相邻正常椎体的骨细胞就可以长入其中，最终实现融合，大大增强了牢固性。“这在医学领域属于非常重要的性能。”他表示。

在3D打印技术应用于骨科前，科技工作者也进行了个性化骨关节假体的设计、应用与转化研究。然而，传统的标准化假体无法重建或效果不佳，设计难度和较长的制造时间严重限制了其临床应用。

“但3D打印能够定制患者需要的复杂人体骨骼，为骨科手术从‘削足适履’到‘量体裁衣’的治疗模式转变提供了契机，实现了真正意义上的‘个性化’与‘精准化’治疗。”刘忠军说。

目前，3D打印定制化假体在骨科临床上已有广泛应用，如3D打印人工髋臼假体、肩胛骨假体、骨盆假体、胸腰椎人工椎体及个性化假肢等。3D打印的各种不同形状的内植物，也帮助医生解决了脊柱肿瘤、严重创伤等疑难重症的治疗问题。

3D打印的血管可直接心脏

近日，清华大学机械系熊卓副教授、张婷副研究员课题组研发了一种逐级悬浮3D打印（SequentialPrintinginaReversibleInkTemplate,简称SPIRIT）技术，能够实现具有复杂外部结构和内部血管网络的组织器官快速构建，并成功打印了含可灌注血管网络的心室模型，有效拓展了常规挤出3D打印的技术边界，有望加速工程化组织器官在医学领域的转化应用。

相关研究成果于近日被材料领域知名期刊《先进材料》正式录用并在线发表。

近年来，生物3D打印技术迅猛发展，通过活细胞和生物材料的精确组装，在复杂组织和器官构建方面具有巨大的优势。然而，现有的生物3D打印技术仍存在一定的局限性。

“以心脏构建为例，现有技术虽然可以打印构建复杂的心脏腔室结构，但难以重现对心脏功能具有重要作用的心血管系统及其他脉管系统，如心脏电传导系统和神经系统，使得打印的心脏模型徒具有外形，缺乏内在的‘灵魂’，无法发挥真正的心脏功能。”熊卓表示，这就急需开发一种新型生物3D打印工艺，以实现复杂器官的外部几何结构（对应心脏“腔室结构”）和内部精细特征（对应心脏“脉管系统”）的耦合构建。

课题组成员方永聪介绍，该研究开发的SPIRIT技术正是为了解决该挑战，通过在打印复杂器官结构的同时耦合构建血管网络，主要包括：第一级打印，在悬浮介质中打印生物墨水，获得组织和器官的复杂外部结构；第二级打印，将牺牲墨水打印到初次打印但未交联的结构中，获得自由形态的血管网络；原位交联使打印结构定型，同时通过去除悬浮介质和牺牲墨水获得含自由血管网络的复杂器官。

该技术的关键在于使用一种能够同时作为打印墨水和悬浮介质的生物材料。因此，该研究采用了课题组前期开发的微凝胶双相生物墨水，其在较宽的温度范围内表现出良好的剪切稀化、自愈合以及快速光交联特性，是理想的“墨水材料”。

“利用SPIRIT技术，成功打印构建了含可灌注血管网络的心室模型，这是现有生物3D打印技术所无法实现的。此外，SPIRIT技术能够显著缩短复杂器官的打印时间，有助于提高打印活性，同时兼容现有的材料体系，为复杂器官的体外打印构建提供了新的解决思路。”研究者表示。

未来生物医学领域的敲门砖

生物3D打印是以细胞或生物材料为打印墨水通过增材制造方法按仿生形态、生物体功能、细胞微环境等要求打印出具有复杂结构和生物功能的生物三维结构。

从1995年至今，生物3D打印技术经历四个发展阶段，日趋成熟。

第一个发展阶段，可称为生物3D打印技术的初级阶段。这一阶段的生物3D打印技术使用的材料不具备生物相容性，不能直接用于人体的疾病治疗或是器官更换，只能用于制造医疗器械、手术辅助模型。

复旦大学附属中山医院就曾利用3D打印技术构建出了实体三维模型，辅助完成了经导管主动脉瓣置换手术。

生物3D打印技术发展到第二阶段就选用了具有生物相容性但不可降解的材料，制造出了医用永久性植入物，例如假肢、假耳移植物、心脏支架等。

世界范围内首次完成的胛带不定形骨重建手术的成功，就是来自于利用钛铝合金为“墨水”并通过3D打印制造出与病人锁骨和肩胛骨病损部位完全一致的假体。

第三阶段相较于第二阶段而言，选择的材料不仅兼顾了生物相容性和可降解性，而且在提高安全性的同时，技术方面也成熟了许多，可以打印出骨、皮肤等组织工程支架，促进人体组织的再生与修复。

广州迈普公司研发出的可吸收硬脑膜补片就是一个显著的成功案例。可吸收硬脑膜补片以聚乳酸为打印材料的，最终可在人体内降解成二氧化碳和水，不会在体内残留任何异物。

生物3D打印技术的第四阶段就具有里程碑式的意义，是生物3D打印技术发展历史突破性的进展。

第四阶段的生物3D打印技术以活细胞、蛋白及其他细胞外基质为材料，打印出的产品能够具有生物活性，这也就是为什么第四阶段能够成为生物3D打印技术最具有历史意义的一个阶段的主要原因。

换而言之，在不久的将来，现代3D打印就可以打印出具有生物活性的体外仿生结构体，可以用于制造人体组织、器官、肿瘤模型等，对于器官移植、机体康复具有重大意义。

2019年，以色列科学家运用人体的脂肪组织打印出了一个结构较为完整的心脏，具备细胞、血管、心室和心房。

这项成就的实现意味着生物3D打印技术取得了历史性的突破，也让人们看到了生物3D打印技术在未来制造出可用于移植的器官的巨大可能性。

文章来源： 科技日报，光明网，脑洞馆长