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技术周功耀3D打印技术在生物医学领域的应用

发布时间:2019-09-29 06:10:56 阅读: 来源:岩棉板条厂家

[技术]周功耀:3D打印技术在生物医学领域的应用

5月29-31日,由亚洲制造业协会、中国3D打印技术产业联盟、英国增材制造联盟等单位共同主办的2013年世界3D打印技术产业大会在北京中国大饭店隆重举行。国内外600多位代表出席会议,就3D打印技术发展趋势、3D打印技术产业化、3D打印技术如何与传统产业结合等议题展开讨论。

以下为中国3D打印技术产业联盟副理事长、美国Drexel大学教授周功耀演讲实录:

我叫周功耀,来自美国Drexel大学,同时也是积极参与三维打印这样一个大的趋势,今天我主要讲一下三维打印在生物领域里的应用。

三维打印大家已经谈了两天了,里头的信息已经掌握得足够了,这里我就不重复,主要是再回忆一下三维打印,昨天史教授说无孔不入,我现在要说,第一个就是在材料上,刚才大家也讲过了,所有的材料,理论上来说都可以被打印,这里我只举很简单的几个例子,它可以用到塑料、高分子材料,可以用到木材、玻璃、金属、巧克力、陶瓷、色彩石膏以及其他的生物材料,这是一个材料的问题。

下面是一些应用,我总结了一下,应用是衣食住行都涉及到了,它可以做服装、鞋子、首饰,以及吃的东西,前两天又研制出来可以打点心,并且肉也可以打印出来了。还有就是在建筑上,可以打房子,如果大家不信的话,我们可以看一看,大概在明年,荷兰一个工程师会用巨型的三维打印机来打印房子的结构。汽车也可以打印,欧洲飞行员他们准备在2025年打印出飞机。

刚才是衣食住行,现在是医、科、音、史,我主要来讲,它可以模拟人体的骨科、肌肉和内脏。还有就是在科学研究上,最有名的是我们准备把三维打印机送到天上去,送到月球和火星上去,飞行员可以用它打食品,或者哪个零件坏了,他马上就把零件打印出来,因为他用的金属粉末很轻,到那了以后再根据需要打印,所以在科学上也有用。音乐上,昨天有人打印出二胡和提琴来拉,这都是没有问题的。在历史上,对很多考古学家是非常有帮助的。

我来之前,美国有一个比较轰动的新闻,这个先生叫威尔逊,他造了一把枪,完全用最普通的三维打印机,就用现在的塑料打印出来的,这个枪现在不但打印出来了,而且可以用。可以看看,这个枪实际上很简单,所有的部件全是用三维打印机的塑料打出来。现在就产生一个问题,美国人恐慌了,这个人说我现在不但能把它打印出来,我把打印的所有部件都开源,放到网上去,任何人只要有这个机子,就可以把它打印出来。现在美国哗然了,要是这样的话,我们的安全怎么办?就产生了辩论,最后我估计是众议院或者是参议院准备立法,专门为三维打印立法,哪些东西不能打,你打了就要犯法,但是现在还处于一个过程,三维打印机涉及到所有的领域,无孔不入,它也是个好事,有时候也会产生坏事。

我们下面主要讲一下在生物医学领域的应用,我这里讲的是包括所有的内容,所以我把它分了一下类,应用很多,我先讲医疗模型和体外医疗器械的制造,这个主要是在体外,不需要生物相容性的材料。像这个就是和病人一起来交谈,来制定做手术的计划。可以看到,在做手术的时候,可以把里头的骨骼或者病变的部位打印出来,让你知道下面该怎么做,这是医疗模型的制造。这也是另一种应用,要做一种特殊的手术的话,特别是像连体婴儿,他们的心脏紧挨着,所有的都很精细,外科手术医生要做的话,他看不见,他不能把人打开了以后再去试,所以先把这些扫描出来,之后根据精确的尺寸做模型,打印出来模型以后试着几次手术了,知道所有的关节通道以后他再去做这种手术,这个叫做医疗模型,帮助你来做手术。

这个也是一个很典型的例子,这个小孩的嘴唇有缺陷,事先进行扫描,把他的模型造出来以后,然后模拟做这个模型,所以这是一个很大的应用。还有一个应用,这个是美国的一个小女孩,她从小得了软骨症,主要的骨节软,动不成,医生就根据需要,给这个设计师说,打印一个支架,把她重点立的地方支起来,让它可以动,现在它可以自由做一些事情。

这个是我跟昨天比利时Materialise公司要来的,他把人的心脏扫描以后打印出来,来进行研究和展示,这些都是现在可以做到的。比如说,现在牙齿扫描以后打印出来的跟牙齿完全一样,可以做出各种各样的,根据你的需要,而且价钱也很便宜。

第二个,我讲一下组织工程,大部分都是个性化、永久植入,还有一些医疗的装置器械能够使用,这样的东西我们叫做组织工程,这里头对材料有一个很大的要求。材料有两种材料,一种就是金属,金属用到人体上头做支撑效果很好,但是问题就是这个金属太强,和人的身体不匹配,和人的骨骼也不适合,但是,在传统上已经应用了几十年了,这是钛钢、不锈钢做的,打印出来的效果很好,可以使软骨很好地和它结合到一块来生长。

还有一种,要着重讲一下,就是用生物材料,生物高分子材料,它的好处前面有教授也讲过了,它和人的身体能够匹配,不会产生副作用、反作用,而且和人的身体能够很好的融合。这种材料我们叫生物高分子材料,你先建立一个支架,把这个支架做好了以后,把它放到人体的营养液里头,让它得到营养以后,能够成长、能够成活,好了以后,再把它植到人体内,然后它就会完全符合,这个我们叫组织工程。这样的话,现在大部分用的是生物高分子材料,它和人完全匹配,强度适中,也不是很差。

这是我们做的一个蓝图,现在世界上人体的各个器官根据组织工程了解,我们都可以做了,不管是心脏、肝、肺、耳朵、膀胱、脊椎,各种各样的东西我们现在都可以做。而且大部分都是用三维的方法来进行制造,来进行打印。

这个也是前几个月在康乃尔大学做出来的人的耳朵,完全是用生物匹配的材料高分子材料,做出来以后和你的形状完全一样,让它接受组织液以后,它可以成活,成活了以后安装到病人的身上,有很多人耳朵生下来就有问题,我们都可以把它修复,这个组织工程是一个很好的应用,在美国也很热。

这是前不久的新闻,这个小孩得了一种奇怪的病,就是他的呼吸管道完全没有支撑力,也是软化,软化了以后,他不能呼吸,软了以后就堵住了,生命垂危。医生求助于3D打印,扫描了以后打印出来,让他成活。这个就是植入他器官的一个小小的管子,这是一个神奇的但是又是生物高分子材料,而且是很精密、很准确。怎么做的呢?就是刚才说的,要用投影、扫描,把它的形状扫描出来,这是一个封闭的地方,根据它做了一个夹子,然后植入进去,原来都是闭塞的,这是原来病变的情况,这样以后,他就完全可以成活了,所以三维打印就发挥了它的作用,个性化、快速、材料多变,你需要什么材料我们都可以设计。这是最新的在普林斯顿大学,他把三维打印和电子技术结合到一块,做了耳朵以后,这个耳朵不但安上去了,而且还有听力,把电子技术也安上去,他可以接受很微细的声波,比人的耳朵还要灵敏。

下面,我大概讲一下组织工程里头的几种方法,这个方法就是我在使用的一个方法,我很多年前提出来,而且已经申请了专利。它的主要原理刚开始用快速成型,很快地建立一个模型,你需要什么都建立好,这个模我们叫反模,然后把你需要用到人体的高分子材料注塑到反模里头,把它溶解掉了以后,最后得到的就是你所需要的生物支架,用到骨头上以及人体上的各个部分,这是最早的一个三维打印机,在当时我用的时候它是精度最高的,我们就用这个机器来完成了这个工作。可以看到,因为人体很多地方都是微孔,微孔可以做到很小,还可以做到50微米、100微米、200微米,因为人的细胞大概是100—200左右,所以它的可以让细胞通过,这些我们都做过。然后,用刚才说的反模法的话,又可以制造膝盖骨,最后得到的材料完全是生物高分子材料。

还有,在我们实验室在做的就是刚才杭州的这位老师的,做人体的器官或者是内脏,我们在做肝,用的方法还是反模法,人的肝脏是很复杂的,里有许许多多的毛细血管、粗血管、大血管,来输送营养和血液。它的结构我们把它分析了以后,它不只是简单的管子,我们分析设计好了以后,看一个单元是这样,每一个单元都把它做出来,做出来以后我们用三维打印的方法把它打印出来,但是记住我刚才说的,这个是反模,我们做的都是反型,等一会把它注塑了以后,你才能得到真正的形状。肝单元里头是管道的组织,由于我们用的是特殊的材料,里面有各种微观结构,横向、纵向,这样的话,它就和人的内脏完全一样,人的肺、人的心、人的肝,我们叫软组织,都是也很多微孔状的组织结构做到的。

下面,再介绍一个技术,也是用来打印软组织机构,打肝、心、皮肤等等,用生物材料我们都在打印。这是我们设计的一个机器,它用的是一种很特殊的叫电湿润法,把电子学的东西用到这里来,可以很准确地控制每一个小的液滴,走到哪、在哪停、往哪去,都可以算出来,估计好,然后我们建立这个机器,这个机器计算机控制的就不说了,它有很多的喷头,每一种喷头都有特殊的用处,一种就是打你的高分子生物材料,还要打黏结剂、还要打细胞、还要打骨质和促进的生长素,基本原理是这样的,电湿润法是什么呢?实际上就是你的高分子材料,我们把它做成液体以后,它就可以分解成最微笑的一粒,电极可以做多小,我们的液滴就可以做多小,通了电以后,液滴接可以往这边来。用这个方法,他可以做到一个微米到十个微米的很小的液滴,而且是随意控制,因为现在电子学发展的很早,你可以布置得很好。这些都是以微米级的,这边就相当于一个水库一样,液体的高分子材料通过小的管道进来,这边全部是导线,底下是电极,电极一旦通电以后,就吸引液珠可以分解、聚合、运动,这是一个很好的科学,我们正在应用。

刚才是用在人体上,现在我们做了一块是用在模拟生物的反应来提取能源,我们把它叫做人工光合作用机器快速三维打印系统,原理就是它有多材料、多喷头,这里有七种喷头,每一种喷头都要打印出不同的材料,然后我们模拟一个树叶。原理在哪呢?世界大自然中所有的植物都是靠它叶、杆来吸收太阳能,这个太阳能被吸收了以后,很简单,要空气中的二氧化碳,要地下水,只要你给他太阳、空气和水,它就能产生生物能,这个生物能是一种能源,如果你把它转化了以后,它就变成了我们工业所用的能,我们就是用这种思路把它变成一种燃料。怎么样做呢?通过这里你可以看到,就像一盆花一样,或者一盆草、或者一棵大树一样,他接受了阳光以后,我们把树叶模拟出来,模拟出来以后,看它树叶里头是非常丰富的,有很多层,刚好我们这个三维打印就是分层打印,有很多不同的材料,有生物材料,所有的喷头,一种喷头对付一种材料,需要的时候设计好,我就把它打印出来,微观的看,里头全是孔,这里面实际有两个反应,一个叫光反应,一个叫淡反应,这两个反应了以后,阳光空气和水就可以转化成葡萄糖,我把它提取出来以后就变成了生物燃料或者是酒精,里头有很多的蛋白质、转氨酶、以及促进的转化素,合成多酶,就可以做成我们所需要的。这个项目我已经开展了好几年,而且两次得到美国国家自然基金的资助,这是一个很好的项目,可以把三维打印用起来,又能解决能源问题。

我们还研制了一些材料,也是为生物医学所做的,研制成一种专门用于三维生物器官打印的新型热敏技术,见了热以后会固化,见了光以后也会固化,而且是高分子的生物材料,一个它是生物相容,第二个是生物降解。因为人体你植入了以后,人的细胞骨骼长好了以后,原来的支架就变成多余的了,我们是不是能够让它走掉呢?是可以的,但是你要用合适的材料,这种材料就叫做生物相容和生物可降解材料,这个材料现在这个方法不但符合生物降解性,而且是可打印性,就是我们用三维打印技术可以打印出来,因为所有的材料是很难直接打印出来的,这个我们就用他的热敏性和光固化性把它打印出来,这里头是它的分子结构,怎么样才能变成热敏、怎么样才能变成光敏,我们用了一些方法。这是第二句话是个性化的生物相容材料用到3D打印上。

第三句话是可降解的,主要的器官降解掉。这是我们做的仿生骨科医疗器械的产品创新及制造,像运动员老了以后骨骼很容易受损,骨骨折要用大钉子打进去进行固定,我去过手术室去看,我们觉得我们人很娇贵,但是到医院以后,医生就把你当成一块木头一样。我们现在建议用生物的可降解的材料来做,软化的是用金属的,金属的强度很好,但是进了人体以后,它永远就待在那了,一个就是它和人体不是完全相匹配,再一个就是你待到那以后,骨头往哪长,所以它占了一个多余的地位。而且多年以后,它磨损了以后,很多人还要把它取出来,或者十年以后,植入的金属还要再取出来换新的,所以这是很麻烦的。还有一个很大的问题,如果你们去坐飞机的话,不知道什么原因,警报就一直在那响,最后一看,原来你身上装了好几个铁块。我们现在和美国一家公司联合,用生物高分子材料来做一些人体的植入件,刚开始需要它的时候,它植入,起到作用,不需要的时候,它慢慢的可以降解掉。这些都是各种夹板、钉子,这些我们都可以用高分子材料来做。

但是这里有一个问题,高分子材料很好,但是它毕竟相当于塑料一样,它的强度怎么也比不过金属,比人的骨头稍微还要弱一些,怎么能够加强,让它与人的骨头一样,甚至好于人的骨头,可以存在那,完成任务以后就消亡。我们采用的材料是纳米金刚石,我们把它的表面功能化,然后再做复合纳米材料,做成了以后,我们把它做成螺钉,螺钉是最多的用到人体上,所以,这个叫纳米高分子复合材料,这样的材料,我们已经做出来了,然后这时候把原来金属所用的全改成这种材料。既生物相容、生物降解,所以这是一个很好的方法,这是我们在做的一个研究,要是用这种方法,就先把它3D打印出来,进各种细小的工具用到人体上。

之后,我再讲一个,叫可吸收可降解镁合金冠状动脉血管支架的研发及制造。现在大家的生活过好了,血管堵塞的很多,支一个支架很微小,强度和材料都要要求好,怎么做到?主要的原理我就不讲了,基本上是血管堵塞了,支架进去,把它撑开,血就可以流畅地走,像克林顿身上也安了好几个支架。这种支架传统的是用金属来做的,我们现在做的是可降解的金属,又生物相容,又可降解,是镁合金,它撑开了以后,过几个月细胞、血管都恢复了功能以后,它在组织体内慢慢的降解掉。现在克林顿植入这个金属支架以后,一辈子都在你的身体里,而且每天要吃药,因为它会也大量的副作用。

第三种类型就是直接细胞打印,这个是很新颖,高难度,但是很有挑战性,这是美国国家自然科学基金至多的项目,就是做三维细胞打印。前面我讲的是你先要做支架,支架做好了以后,让人体的体液、营养液把它植入,这个是直接把成活的细胞打印出来,让它在那成长,所以就去掉了支架这一块,这种方法更直接,但是更艰难。

这个就是荷兰科学家提出来的,用三维打印的方法,打一个莫比乌拉斯环,明年会在荷兰进行打印这样一个巨大的桥状结构,完全用三维打印出来的。

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