3D打印在生物医学应用的趋势与创新

生物医学 3D 打印的趋势与创新

我们正身处 3D 打印革命的浪潮之中。 3D 打印技术曾经只适用于重点研究型大学和《财富》500 强公司，如今已逐渐成为主流，2021 年 3D 打印机的出货量已达到 220 万台。 到 2030 年，该数字将上升至 2150 万，将这种快速成型技术带入大众生活。

从航空航天到建筑施工，所有主要行业都在利用 3D 打印技术实现快速、经济的生产制造。 在所有积极采用 3D 打印技术的行业中，生物医学工程具有最大的 3D 打印技术应用潜力。 本文将探讨 3D 打印在医疗保健和医药领域的兴起。

3D 打印的发展史

1981 年，日本发明家兒玉秀雄 (Hideo Kodama) 为“快速成型设备”申请了第一项专利，但这个概念好像从一开始就注定要失败，秀雄博士很快在第二年就停止为这项专利提供资金。 然而，这个想法为进一步的创新提供了催化剂。 1984 年，查尔斯·霍尔 (Charles Hall) 申请了光固化成型系统 (SLA) 的专利，这种 3D 打印技术至今仍然被广泛使用。 1988 年，基于突破性的 SLA 技术，第一台商用 3D 打印机问世。

其他重要 3D 打印技术也紧随其后，逐一诞生。 到 20 世纪 80 年代末，又有两类增材制造设备申请了专利：熔融沉积成型 (FDM) 和选择性激光烧结 (SLS)。 FDM 的工作原理是一种叫做“挤出”的技术，这种技术通过将加热的材料从喷嘴中挤喷出来，逐层堆积，从而形成 3D 产品。 SLS 的工作原理有些不同；该过程需在打印平台上铺一层粉末基材料，然后对 3D 打印产品的每一层进行快速凝固（或“烧结”）。 随后，“喷射”（2D 喷墨打印技术的改进版本）和立体光聚合技术纷纷问世。

这些技术最初仅属于专利持有人。 然而，随着这些专利的到期和 RepRap 开源概念的诞生，新公司如今已经能够在这个令人兴奋的领域大展拳脚。 许多重大突破都出现在生物医学领域，包括出第一个用于移植手术的 3D 打印器官（膀胱）的开发。

如今，生物医学领域的 3D 打印应用正在蓬勃发展。 2021 年，生物医学 3D 打印的全球市场规模约为 14.5 亿美元，预计到 2030 年将达到约 62.1 亿美元。 为了揭示生物医学 3D 打印的重要趋势，我们充分利用 CAS 内容合集™ 这个有关已发表科学文献的最大人工收录合集，分析了其中的相关数据。

3D 打印技术和材料

3D 打印技术可分为四大类：粉床熔融成型、喷射成型、挤出成型和光聚合成型。 由于 3D 打印技术的用途极其多样，因此没有一种通用型技术可以满足所有需求。 然而，挤出成型类技术（如 FDM）仍然是当前最流行的生物医学 3D 打印类型（图 1）。

从塑料和金属到天然物质，许多材料都可以用于生物医学 3D 打印。 合成聚合物（如聚己内酯和聚乳酸）是最常用的 3D 打印材料（图 2），因为其通常用于打印微流控芯片和医疗植入物。 应用最广泛的无机物是羟基磷灰石，它可用作牙科材料和骨修复的填充物。 海藻酸盐和透明质酸等各种天然聚合物也越来越多地用于生物打印。

生物医学 3D 打印的兴起

根据生物医学 3D 打印应用相关期刊和专利出版物的历年变化趋势，虽然相关期刊出版物的数量（约 15,000 篇）远远高于专利出版物（约 5,700 篇）（图 3），但该领域的创新势头依旧十分强劲。 这一趋势可能反映了近年来生物医学 3D 打印技术商业化的推进。

约 90 个国家有学者发表了有关生物医学 3D 打印应用的文献，这表明该技术已经引起全球广泛关注。 其中美国和中国的发表量处于领先地位，所发表的期刊和专利出版物数量分别位居前二（图 4 和图 5）。

分析生物医学 3D 打印专利受让人的趋势时，我们可以看到，大多数专利都属于美国 3M 公司。 其他专利发表量较多的国家包括韩国、列支敦士登、法国和中国（图 6）。

生物医学 3D 打印的创新应用

我们已经介绍了一些重要的生物医学 3D 打印应用，但未来仍有无限可能。 从医疗植入物的开发到医疗设备的制造，创新成功层出不穷。 组织和器官工程是 3D 打印的一个主要应用，该领域当前正在探索软骨、肌肉和皮肤等复杂结构的制造。 对 CAS 内容合集中相关数据的分析表明，“组织工程”、“组织支架”和“生物打印”等概念频繁出现在与组织、器官相关的生物医学 3D 打印出版物中，凸显了这一重要研究领域的受关注度（图 7）。

3D 打印技术在制药领域也有一些潜在应用，可以帮助实现难以实现的个性化医疗目标。 借助生物医学 3D 打印，可以修改和微调药品的剂量、形状、大小和释放特性。

生物医学 3D 打印技术在义肢和植入物制造领域也有新应用，可以根据患者的解剖结构、肤色、身材和体型制造个性化义肢。 柔性材料可用于打造更多人体部位，实现更多功能，而钛合金等金属可用于骨骼重建。 对 CAS 内容合集中相关数据的分析表明，“义肢植入物”、“义肢材料”和“种植牙”等概念频繁出现在与骨科和义肢相关的 3D 打印出版物中（图 8）。 尽管与组织和器官相比，3D 打印相关出版物明显较少，但这仍是一个充满活力，快速增长的领域。

生物医学 3D 打印面临的挑战

虽然生物医学 3D 打印有如此多令人兴奋的进展，但在许多领域，该技术的发展应用仍处于早期阶段。 例如，研究人员已成功实现了带血管心脏补片的生物打印，但制造坚固的心脏瓣膜（更不用说完整的器官）仍然任重道远。 目前，3D 打印机仍然无法制造具有人体生物力学和功能的组织。 生物墨水的进步以及培养基和干细胞的使用都可能有助于在未来实现这些方法的优化。

生物医学 3D 打印的未来

如果按照目前的研究趋势，生物医学 3D 打印领域将继续得到大量投资，不断实现创新突破。 我们预测这项技术的应用将变得更加广泛，药房使用 3D 打印机这一想法距离成为现实越来越近。 虽然生物医学 3D 打印对医院来说是一项巨大的财务投资，但如果规划得当，其收益将远远超过成本。 随着这项技术不断发展，我们需要建立标准化术语，美国食品药品监督管理局应制定全新监管框架，确保生物医学 3D 打印产品的安全性和有效性。

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