周功耀：3D打印技术在生物医学领域的应用

首届世界3D打印技术产业产业大会于2014年5月29－31日在北京中国大饭店隆重举行。在会上，中国3D打印技术产业联盟副理事长、美国Drexel大学教授周功耀发表演讲，周功耀表示，在生物医学领域的应用，应用很多：医疗模型和体外医疗器械的制造；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；生物材料，生物高分子材料等。

3D打印应用在“衣食住行医科音史”均有涉及，“所有的材料，理论上来说都可以被打印。”扩展阅读：3D工业打印机最新技术与应用专题

周功耀：3D打印技术在生物医学领域的应用

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

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：

周功耀：各位来宾，上午好！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。谢谢大家！

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