3D Printing Medicine | Industrial Revolutions
來源： 作者：李军男(北京新材料发展中心)
3D列印技術與新的醫學資訊獲取技術相結合，以生物醫用材料及細胞為新型離散材料，透過技術設計，快速有效的生產出醫療相關產品，這一過程稱為生物3D列印。
生物3D列印，具有巨大的臨床需求和科學意義，採用該技術快速精準的製造出，滿足不同客製化需求的組織、器官等，並對其微觀結構精準控制，能夠大大舒解組織器官緊缺的問題。
生物3D列印技術的發展，一方面依靠工程技術的不斷改進和升級，另一方面依靠生物醫用材料性能的不斷提升，和新材料的開發應用。
兩者相互作、互相影響、交替發展，無論是生物3D列印技術，還是相關生物醫用材料的飛速發展，都意味著生物3D列印已經迎來了，更加廣闊的未來和發展空間。
一、生物3D列印技術
生物3D列印技術，是多學科融合交叉誕生的一門新興學科，通過突破傳統的製造技術，結合生命科學相關內容，生產製造出可用於人工植入、修復重建、完全替代人體組織或器官。
該技術涉及仿生製造，功能結構生物體製造，再生醫學模型製造，體外生物生理、病理和藥理模型製造，及以細胞和活性分子為基礎的細胞/組織晶片，和先進醫療診斷設備的製造等諸多領域，是目前3D列印技術的最高水平體現之一。
生物3D列印技術發展迅速，已經在短短的20多年發展歷中，經歷了三個階段。從最初的列印體外醫療器械，與醫學模型開始，對使用材料沒有生物相容性的要求，到列印生物相容性較好、不能降解的永久性植入材料，經歷了材料性能根據需求提升的階段。
接下來，生物3D列印使用的材料性能更優，既具有良好的生物相容性，又可被降解吸收，列印產品植入後，能與組織發生相互作用，促進其再生。這3個階段的發展，依賴於材料本身性能的優化和提升，同時對3D技術革新提出了更高的要求。
目前，前3個階段的技術發展成熟，已經應用到實際研究與臨床治療，如藥物控釋支架制備、活性大段人工骨、活性人工軟骨製備等，同時也利用電腦輔助設備，直接進行複雜骨科手術、顱骨修復、小耳畸形修復和口腔正畸等。
對岸大陸北京大學第三醫院，已成功完成世界首例3D列印脊椎植入手術，與傳統骨科植入物相比，3D列印脊椎骨更貼合正常骨，不僅減輕了對骨頭的壓力，而且它也允許骨頭長入植入物。
現今，被稱為「細胞列印」或「器官列印」的全新生物3D列印技術正在崛起。人體的組成細胞多樣複雜包含血管、神經等，組成細胞超過250種以上。如此複雜多變的體系，目前僅有生物3D列印技術，可能是實現方法。
二、生物3D列印產業現狀
從創新性研究成果，到具備一定規模生產轉化，過程是複雜的。生物3D列印產品屬於醫療產品，應用端為人體，涉及倫理道德和生命安全性，既要保證臨床上的安全性和有效性，還必須遵守相關法律法規。上市註冊證的獲得，是評判生物3D列印產品能否上市，具有產業發展前景的重要敲門磚。
目前世界公認的註冊證，是美國食品及藥物管理局(FDA)、歐盟安全認證(CE)。在2015 -2016年期間，全球幾大著名骨科醫療器械製造商美國捷邁公司(Zimmer)、史賽克(Stryker )公司施樂輝公司(smith nephew)、美國強生(Johnson Johnson)，陸續推出了3D列印產品，這些產品經過多年的研發與驗證，獲得了FDA的批准，並正式進入到醫療市場。
截至2016年10月，FDA已批准了85個3D列印植入物：包括頜面植入物、髖關節、膝關節植入物和脊柱植入物等。CFDA批准了2個3D列印植入物：髖關節系統和人工椎體。2016年全球3D列印醫療市場規模達12.29億美元，預計2024年3D列印醫療市場規模達96.39億元。
一個用於第3階段的3D列印產品，從研發到上市，大概需要5~6年的時間。而含活體細胞的3D列印產品，由於作用因素複雜不可控，無法估計上市時間。現已上市的具有骨小梁結構的髖臼杯、全鈦椎體融合器、3D列印顱骨、3D列印面骨等均為不可降解第2階段產品。
3D列印腦膜組織修復支架--睿膜，是全球首個3D列印的軟組織產品。其微觀結構最接近自體腦膜，臨床效果好於以往的人工腦膜產品。
綜上所述，生物3D列印產業目前處於剛剛起步階段，大多數的產品和設備還處於研發階段，並未實現大規模整合式的生產。同時，現已實現規模量產的產品，也僅限於幾個品種，如骨科植入物、美容植入物、人工關節等。
三、生物醫用材料產業現狀
生物醫用材料，又稱為「生物材料」，是診斷、治療、修復或替換人體組織或器官、或增進其功能的一類高技術新材料。
它不能被視為藥物，雖然可進入人體，但是作用機制不同，不必通過藥物吸收代謝等手段實現，但可與之結合，促進其功能的實現。
生物材料產業依靠生物材料技術發展，研發生產出生物材料相關產品，並將從事生物材料及其相關產品，和技術裝備的企業集合。
生物醫用材料產業，與多學科領域發展密切相關，一方面，產品技術更新週期短，市場競爭激烈，須投入大量研發資金，而後續擴大生產投資，更是呈遞增的趨勢；
另一方面，生物材料產業所涉及的技術，多為先進技術，從研究成果，到工業化產品生產中間，產業鏈複雜，過程繁復，成功概率受影響因素過多，風險系數高。
同時，生物醫學材料產品的使用，涉及生命安全與倫理道德，政府管控嚴格，這導致生物材料產品從研究開發到試產、大量生產、直到產生效益的週期漫長。
但是，生物醫學材料是又是新材料領域中，附加值最高的材料，其利潤遠高於傳統工業材料。如果能夠成功產業化，為企業帶來的社會效益和經濟效益巨大，使得其投資收益率，大大超過傳統產業。
2015年全球生物醫用材料，直接和間接的市場總額，已達60億美元，年貿易額複合成長率達17%，全球醫用材料總銷售額，達到2 500億美元左右，已成為世界經濟的支柱性產業。
四、生物3D列印與生物醫用材料產業
生物3D列印對生物醫用材料的要求極其苛刻，不僅要考慮材料本身的理化性質，還要考慮安全性、生物相容性、可降解性和生物活性等。
雖然，一些生物醫用材料包括：醫用金屬與非金屬、醫用陶瓷、高分子聚合物、生物墨水等被3D列印技術使用，取得了一些研發和應用成果，但是能夠完整實現需求的種類極少，可應用產業的更是鳳毛麟角。
透過上述對比生物3D列印，與生物醫用材料產業發現，限制生物3D列印產業發展的主要因素為：
①生物醫用材料種類繁多，需求特點各異，生物3D列印均要求相關材料快速精確成型，並在滿足各種理化性質要求的同時，滿足生物學和醫學使用要求，還要經歷漫長而嚴格的使用審批程序。
②開發出具有生物活性，和較好加工性能的生物材料，是限制3D列印產業發展的瓶頸因素之一。開發新型的適用於生物3D列印的生物醫用材料，是一個挑戰性的難題，目前僅能實現無活性的骨及關節等植入物小批量生產。
突破這一瓶頸需要投入巨大體量資金，用於新型生物醫用材料的技術創新和產品研發。
③生物3D列印本身的個性化特點，不同個體對於生物3D列印產品的需求，是千變萬化的，尤其是使用到人體組織，需要考慮個體差異性、時效性和需求個性化，無法大規模化批量生產。
④3D列印技術本身的技術創新，和工程學優化，也是限制生物3D列印技術，不能規模化生產的主要因素。
但是，透過比較也很清晰的呈現出，生物醫用材料產業的迅速發展，為生物3D列印的產業發展，提供了契機和可能。
全球範圍內已經使用3D列印技術，批量生產的骨科植入物，表現出來的市場需求和市場潛力，已經預示著生物3D列印產業的未來。
隨著生物醫用材料產業繼續深入發展，和3D列印技術在電腦程式，以及機械方面的快速發展，生物3D列印產業也將出現更多很多的發展機會。
五、展望
隨著生物醫用材料產業，與3D列印技術的不斷發展完善，生物3D列印將迎來前所未有的發展契機，未來產業將有無限可能。另一方面，也要清晰地認識到，目前生物3D列印產業化，還有一段漫長而艱難的路要走，大部分研究處於研究階段，進一步應用臨床和規模化生產，仍面臨諸多挑戰和難題。
適用於3D列印技術的生物材料，已經成為研究熱點，開發出更多生物相容性好，包含活性組分，機械強度能夠滿足體內植入需求的材料，成為新的研究高地。
例如，以水凝膠作為材料基質的生物墨水，為避免列印過程中3D列印機的噴頭堵塞，在噴墨成型過程中，需要材料保持較低的粘度，但是這又導致了材料機械性能低，不滿足植入需求。
開發出適用於生物3D列印的新型，符合客製化需求的適當機械性能、穩定的擴散系數、較好的生物相容性的生物醫用材料，是未來產業發展面臨的巨大的挑戰和契機。
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