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中国工程院院士戴尅戎:3D打印与我的后半生

来源:新材料在线|

发表时间:2021-08-29

点击:37598


新材料在线®

《大国之材》原创文章,转载请联系微信:EILIG2014

新材料在线 ID:xincailiaozaixian

图片:受访人提供、图虫创意


3D打印技术也被称为“快速成型技术”或“增材制造技术”。它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。自20世纪90年代中期面世以来,3D打印在模具制造、工业设计等领域被广泛用于制造模型,其后逐渐用于产品的直接制造。


近年来,3D打印技术的发展在医疗领域做出了不小贡献。例如,制作医学模型、辅具、假肢、手术导引装置、骨头、软骨,或用于血管、胆道、气管、尿道内的支撑物或替代品,以及多种组织和脏器。那么,3D打印是通过什么原理实现扁鹊之术?它的存在对于医疗产业而言有着怎样的意义?其发展目前又面临哪些问题?


在大型纪录片《大国之材》第二集《3D打印》中,中国工程院院士、上海交大医学院附属第九人民医院3D打印创新研究中心主任戴尅戎教授(以下简称“戴院士”)对上述问题作了较详尽的解答。


01

3D打印解决医学界百年难题——个性化需求


“3D打印是一种手段,通过3D打印技术,可以创造出各式各样独具一格的产品,而促进医学与3D打印紧密联系在一起的根本原因,就是医学上自古以来面临的极大需求——‘个性化’。”戴院士谈及3D打印便打开了话匣子,他的后半生,与3D打印有着千丝万缕的联系。


精彩5分钟:3D打印如何实现“个性化”定制?


据戴院士回忆,37年前,他曾接触到一位需要做全距骨切除的肿瘤病人,而当时国际上根本没有替换距骨的假体,主治医师团队只能给患者定制一个人工距骨。这也是戴院士第一次接触到足部骨骼需要“个性化”定制的病例。


“距骨是位于脚踝十几块骨头里最重要的一块,这个人工距骨还要附带上面、下面和前面的关节面,同时还要有足够的承载能力和稳定性,而距骨大小和形态是人人不同的。”通过多次数据计算、修改,团队最终成功将定制的人工距骨替换下被切除的距骨,时至今日,这位患者仍能自如行动,无跛行、能骑车,甚至还能做轻体力劳动。


第一次圆满完成“个性化”定制病例给了戴院士极大的鼓舞。1982年以后,戴院士带领团队专门给一些患者陆续定做了膝关节、髋关节、肩关节,甚至还定做了半个骨盆。


时光推进到90年代,人工定制满足患者的“个性化”需求逐渐成为常态,而此时戴院士遇到了一个棘手的病例。


一位首席会计师因自幼双侧髋关节先天性异常,两侧髋关节严重脱位导致双侧剧烈疼痛,严重影响工作生活,最终只能依靠轮椅才能出行。据戴院士回忆,这位患者的髋部解剖结构和几何形态与常人差异极大,并伴有严重的继发性病变,各医疗器械公司均无法提供符合需求的关节假体,这让他头一次感到无从下手。


难以进退之时,上海交通大学王成焘教授给戴院士带来一个好消息。“王成焘教授第一次告诉我们,原来世界上有一种设备叫‘快速原型机’,可以轻而易举地把病人的关节、骨腔的大小、位置和相关关系,用模型准确‘复制’出来。”


在当时看来,戴院士感觉“快速成型机”简直是为这个棘手病例量身定做的产物!为了一探究竟,主治团队将经由快速成型机定制的关节假体安装在假肢模型上进行反复演练,确定无误后才为患者安排手术。最终,患者在模型的帮助下获得了真正量身定制的假体。


手术成功后,这位当年无法行走的患者不仅重新恢复了首席会计师的工作,还亲自游玩天安门广场、攀登长城,如今已经成为周游世界的旅游爱好者。


经由此事后,3D打印个性化定制逐渐发展为戴尅戎团队不可或缺的医用技术。与此同时,经手数百个病例的戴院士深刻认识在医疗产业中“个性化”需求是一个拥有巨大市场发展方向


用他的话来说:“固定骨折的接骨板和不同关节的人工假体每个部位只有5-7种尺寸,这仅有的这几个尺寸每年要满足几十万人甚至于上百万人的需求,导致很多病例都是将就着用,因此满足个性化需求将成为提高医疗质量的重要努力方向。”


回顾整个医学发展之路,“个性化”需求一直是该行业存在的最大难题之一,3D打印技术的进步和推广无异于为个性化医疗打开了一扇充满想象与希望的大门。时至今日,戴院士都时常感慨:“3D打印确实太神奇了,它深深吸引了我们,因为很多医生的梦想都能够借以实现。凡是放进病人身上的东西,如果大多数都能定制,那是一个什么场面!”


02

3D打印的出现可以跟蒸汽机、互联网相提并论


2003年,上海九院的合作公司获批我国国内第一份、也是至今唯一一份定制式人工关节生产许可证。2013年,戴院士与上海交大的工科教授联合组建了上海九院3D打印技术临床转化研发中心;2015年,建立了上海交通大学医学院3D打印技术临床转化协同创新中心;并于2016年又升格为上海交通大学医学3D打印技术创新研究中心,并获得三项“十三五”国家重点研发项目支持。


“在整个发展过程中,九院的骨科、口腔科、眼科、整形科,耳鼻喉科乃至神经科,都与3D打印结下了不解之缘。3D打印是一项制造技术,但往深处去看,其医学应用的核心保证,应该是‘医工结合’或‘医工产结合’。”将3D打印应用于医学20余载的戴院士对《大国之材》说出了心里话。


戴院士进一步解释道,“医工结合”是唯一能够把3D打印在医疗行业推行得更深更好的路径。如果医生不懂3D打印技术,何来快速原型?又假如工程师掌握了3D打印技术,却不知在医疗上能够发挥什么作用以及如何去发挥作用,何来“个性化”定制?


戴尅戎院士早年间在研究制作形状记忆医疗产品


众所周知,3D打印技术诞生之初主要被应用于制造业中的模具制造、工业设计等工序。当时,这一技术被视为“有可能是扭转美国制造业持续走下坡路的衰败之象的一个转机”。美国前总统奥巴马也曾在国情咨文中谈到,“3D打印有可能使我们制造几乎所有产品的方式革命化”。


对此,戴院士同样深以为然,“从古到今,我们所做的制造加工都属于‘减材制造’或‘等材制造’,一块大木头用斧头砍、用刀子雕,最后制出一个我们需要的产品,浪费了很多材料。做一个金属的碗,需要在一块立体的金属方块上,用车床、铣床、磨床削出一个碗来,这个碗可能只占了整块材料的20%左右,这造成大量的材料浪费,大量的多余加工。”


而3D打印技术则相对更快速、简化,也更加环保。3D打印只需在一个一无所有的平台上铺上第一层材料粉末,通过加温或粘接剂固定后,再铺第二层、第三层、第四层材料粉并逐层粘结。全部完成后,再把多余的材料粉收集起来进行二次利用。所有采用的材料粉可能90%以上都能被利用。


因此,3D打印在医疗领域和制造业的创新应用,被认为是一种革命性颠覆。不少3D打印的支持者认为:“3D打印是对旧有加工技术的颠覆,是制造业前所未有的革命,它的出现可以跟蒸汽机、互联网相提并论。”


精彩5分钟:3D打印为何被称之为颠覆?


03

3D打印发展之路亟待“开绿灯”


与3D打印技术发展得如火如荼相对应的,是国内所面临的3D打印设备和材料的大量进口、科技成果转化率低的尴尬局面。


“不管这个技术是多么的高端,它要真正成为大家心目当中优秀的科技成果的话,就必须实现落地。只有实现了临床转化才能体现科学的伟大,将科学用于为广大人民谋福利,才是我们最终的目的。”戴院士表示,临床转化始终是3D打印发展的核心主题,也是国家目前正在积极推动的方向。


让戴院士既遗憾又着急的问题则是3D打印设备和材料进口比例偏高,虽然国内有不少国产3D打印机,但直接用于生产置入体内的医疗器械时,往往还是采用国外设备。值得欣喜的是,国产设备与材料的应用率正在不断上升。


“如今国家高度重视3D打印的发展,在该行业倾注了大量的关注和财力,希望我国的3D打印行业能够走在世界的最前列。应该要为新技术、新设备、新产品‘开绿灯’,但这个‘绿灯’必须开得有科学性、严肃性,因为产品的使用对象是病人。”戴院士表示,任何科学技术的改革创新都应一杆子走到底,‘开绿灯’鼓励国内3D打印行业健康快速发展是必经之路。


据报道,在生物医学领域,3D打印目前已发展至4D、5D打印。5D打印增加了时间和组织形成两个变量,活性细胞经过打印后,逐步形成一块皮肤、一段气管或者一个脏器。戴院士认为,生物打印是再生医学发展中解决组织、脏器来源最为可能的途径,用于再生医学的前景十分诱人。


【人物介绍】


戴尅戎,上海交通大学医学院附属第九人民医院终身教授,中国工程院院士,法国国家医学科学院外籍通信院士。目前担任上海交通大学医学3D打印创新研究中心主任、数字医学临床转化教育部工程研究中心主任、上海交通大学转化医学研究院干细胞与再生医学转化基地主任。


先后担任华裔骨科学会会长、亚太人工关节学会会长、世界多学科生物材料学会副会长、世界内固定(AO)基金会理事等。先后当选美国骨科学会通讯会员,国际髋关节学会正式会员。戴尅戎院士通过医学与工程学、生物学、材料学的交叉合作,研发新型骨科植入物和新技术,并积极推动3D打印的医学应用、人工关节与骨再生等基础研究与临床技术。


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THE END





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