【高端演講】上海大學教授胡慶夕：生物3D打印綜合成形工藝與裝備

【導讀】 在6月下旬，世界3d打印大會在青島舉行。南極熊3D打印網(wǎng)也到了現(xiàn)場進行了大量的報道，詳情請看南極熊報道 http://www.dddyin.com/forum-103-1.html 。南極熊作為一個3d打印的專業(yè)媒體平臺，一直致力于推動中國3D打印行業(yè)的發(fā)展。希望下面的一些內容對大家有所啟發(fā)。


張人佶：下一個報告人是胡慶夕，上海大學教授。   

    胡慶夕：我是來自上海大學的胡慶夕，我們團隊主要是做有關生物3D打印裝備方面的研究。我報告的題目是《生物3D打印綜合成形工藝與裝備》。

    我從四個方面，首先把我們單位的情況做一個簡單的介紹。我們是從2001年開始圍繞過去叫快速成形、快速模具，從那個時候開始這項工作。我們在3D打印方面應用了14年，在這個方面的研究也研究了14年。我們?yōu)槠髽I(yè)服務數(shù)十萬件，用3D打印。我們的裝備，3D打印以及快速模具方面的裝備有13臺，包括一些我們工業(yè)用的軟件，以及醫(yī)學的軟件。

    上面那個是一個應用的，我們的裝備。在這個方面，現(xiàn)在顯示的是我們在生物制造研究方面的。因為我們主要是做裝備，包括后面要做實驗，所以有生物的，以及輔助裝備和自動化裝備，以及細胞房和無菌打印室，驗證我們的裝備。我們這么多年來和上海組織工程研究中心、上海交大第九人民醫(yī)院、瑞金醫(yī)院、新華醫(yī)院、中山醫(yī)院、同濟大學十院合作。下面這個是我們的題外話，這是我們做的真空注型方面的研究。大家都知道快速成形，或者叫3D打印，但是丟了一個快速模具。因為我們說做小批量都需要快速成形做一個樣件，然后后面做小批量制作，那就是快速模具。我們在展位上很多人都問這個，搞不清楚這是什么，這是我們研發(fā)的，完全的自主知識產權。

    接下來把背景和意義介紹一下。剛才馬教授也講了，我們知道美國《時代》周刊把3D打印這個產業(yè)列入了美國十大增長最快的產業(yè)，而且我們習總書記在前一兩周兩院院士的報告上也點到了機器人、3D打印和人工智能制造技術。國家領導人點到了，那看來這個事會更熱了。隨著3D打印的發(fā)展，我們知道，3D打印開始進入了醫(yī)學界。剛開始我們做模型，做一些模型給醫(yī)院，后面就逐漸形成了一個全新的研究領域，這就是我們把工科和生命進行交叉，一個新型的學科出現(xiàn)了，就是我們說的搞生物3D打印了。這個方面全世界都在關注。

    關于生物3D打印，可能每個人的說法都不一樣，我們也聽到了一種說法，它是這樣比喻的：“3D打印如果比喻成皇冠的話，生物3D打印就是皇冠上的明珠”。當然每個人的比喻都不一樣，也就是說它可能是更高一個層次的研究，為我們人類將作出貢獻的一個方面。因為我們提到組織工程器官的缺損，功能障礙，這是人類健康的主要危害之一，我們生物3D打印就在圍繞這方面做工作。美國預測未來十年人工器官和功能組織的替代產品將達到50%，人造的器官潛在的市場就是4000億。所以從這個方面也展示了這個巨大的應用前景。

    還有預言的，研究生物3D打印已經(jīng)制造動脈，最早有望在五年內用于心臟的搭橋。還有預言，心臟和谷歌等更復雜的習慣將在十年內被打印出來，都是預言。還預言細胞從干細胞中分化出各種其它的細胞，制成生物墨水，一層一層的打印，建立腎臟。從這個方面也體現(xiàn)了生物3D打印在全世界的熱。

    在3D打印方面，一個我們知道是用3D打印來制備組織工程支架，這個方面的研究很多人都做了。再一個方面就是研究新型的3D打印工藝和裝備，兩個方面的研究。那我們第一個方面，用3D打印，這個過程我們已經(jīng)結束了，在2003-2005年的時候都是用3D打印?，F(xiàn)在我們主要是做3D打印，就是生物3D打印。

    生物3D打印發(fā)展的瓶頸就是我們要研究新型裝備，涉及的學科就很多。不光說做一個裝備的機械、控制、計算機，這是我們做一般的裝備，這三個領域。但是做這個裝備，它牽扯的就多了。像我們說醫(yī)學、生命、材料，都設計了，所以這個領域研究各個方面的研究人才都需要，所以它是個非常交叉的學科。

    最后我談談我們研究的成果，我們在這次展會上，可能很多專家教授也都看到了，我們研究是生物CAD/CAM/3D打印綜合成形集成系統(tǒng)。我們這個系統(tǒng)的特點一個是綜合成形的工藝，這里面包括3D打印的工藝，電紡絲的工藝，多細胞組裝的工藝，不是單一的3D打印工藝。材料復合的結構形狀包括多材料、多梯度、多尺度結合的一次成形。在技術方面，一體化復合支架的3D打印成形技術以及基于電噴射的多細胞打印技術，還有生物CAD/CAM。

    我們做的裝備是想實現(xiàn)從CT掃描得到的數(shù)據(jù)通過這個系統(tǒng)到后面出現(xiàn)結構體，包括細胞打印，一體整個完成。實際上我們初步已經(jīng)出現(xiàn)了，在我們展位上就已經(jīng)有了。不能說完善，已經(jīng)有了。

    我們主要分了兩大系統(tǒng)，一個是生物CAD/CAM系統(tǒng)。從事機械領域的都知道，我們有一個機械的CAD/CAM，我們把它命名為生物的CAD/CAM，就是醫(yī)學圖像的處理，CAM就是我們加工路徑的規(guī)劃，再一個就是生物3D打印綜合成形系統(tǒng)。適用的材料在這邊，下面就是生物CAD和生物CAM兩個部分。

    這是生物3D打印的綜合成形系統(tǒng)，旁邊還有一個歷史，這是我們最早的設備，在去年的中國3D打印報告上我介紹的還是這個裝備。我們在用這個裝備的過程中自己研發(fā)，出現(xiàn)了新的裝備。

    這是一段錄像，可能到展位上就看到了。是建模部分。缺損部位的獲取。這是我們做的第一步，新的要求在后面，目前實現(xiàn)的是到建模部分，包括路徑規(guī)劃、打印。多噴頭的打印?？梢宰龅綆孜⒚椎綆装傥⒚?，因為我們一般說3D打印要做幾微米很難實現(xiàn)，但是我們這里面估計可以做到幾微米到幾百微米，整個這樣一個大的空間范圍內。這是到另外一個工位做電紡絲。這里面支架有宏觀的，有微觀的。微觀就是剛才看到用電紡絲的來實現(xiàn)。在這里看到宏觀孔，還有微觀孔，可能大家看得不清楚。這是做血管。

    這是我們在做路徑規(guī)劃方面，以及做支架方面發(fā)表的一些文章，在一些著名的期刊上都發(fā)表了。這里有復合支架，有單尺度的，兩種，下面做了一些對比，這是由上海第九人民醫(yī)院提供的圖片。這個是在做血管，因為現(xiàn)在醫(yī)院有很多種方法，有用編制的、微壓印的，以及金屬的，我們做的是3D打印的，這是和新華醫(yī)院的合作。

    再一個，我們做再生膜。一個是用單一材料PVA，做雙層的時候就顯得很致密，這里就用了兩種材料來做疏松。對它做了拉力實驗。這里是中空管，血管方向可以推進。這邊是一個有序結構的，這個可能看不清楚。這個對于細胞的生長是有好處的，就是引導它往哪個方向發(fā)展。這個是電噴，這邊就是電紡，大家可以看到電紡絲細胞在這個方向上，做了各種實驗，這個也發(fā)表在期刊上。

    這是前一段我們做的人成纖維細胞，它用3D打印和沒用3D打印進行的對比。這是第九人民醫(yī)院做的實驗，通過我們的機器進行打印。實驗的結果他們感覺非常滿意，通過這個裝備來進行打印。這個是人的軟骨細胞進行的對比，對比的結果也得到了他們的認可。

    再一個是在展藥（音）上做的工作，這個是給瑞金醫(yī)院合作。這個是剛剛開始探索，用生物3D打印來做，可能結果還不是很滿意，因為我們剛剛在這方面用這個裝備進行實驗。

    最后總結一下我們這個系統(tǒng)，完全是自主開發(fā)的，沒有任何別的技術在里面。再一個，實現(xiàn)了從CT一直到打印，就是建模到打印整個的過程。實現(xiàn)了擠出成形和靜電噴射雙工位，在這個系統(tǒng)上，可以進行擠出靜電紡絲和電噴射的單一成形工藝或綜合成形工藝的制品，實現(xiàn)微觀、宏觀以及宏微觀結構的復合加工。適合的領域我就不說了，很多方面都在用這個裝備進行探索。

    歡迎大家到這個地方看裝備，謝謝大家。（C-94展位）   

    互動：用成骨細胞和軟骨細胞，你也做了電紡絲的支架，你有試著做培養(yǎng)不同的細胞在支架上面嗎？   

    胡慶夕：我們正在實驗這兩種細胞，通過3D打印，會不會對細胞產生影響，在九院做實驗，他們進行分析，得到的結果他們認為是滿意的，因為下面接著要做更多細胞通過3D打印來實現(xiàn)。   

    互動：您提的生物薄膜是用在什么方面的？   

    胡慶夕：血管。   

    互動：我想問一下，您在做這個3D打印細胞的時候，因為咱們做生物醫(yī)學工程領域的都知道，在這個細胞培養(yǎng)的過程中，普通的放在體外的培養(yǎng)，尤其是靜態(tài)培養(yǎng)條件下，一般培養(yǎng)大塊組織上，它的細胞就沒法獲得營養(yǎng)。我現(xiàn)在想問，你打印的軟骨，打印完以后，這個細胞在體外培養(yǎng)的活性和生成細胞有沒有差別？怎樣解決這個問題？   

    胡慶夕：剛才我也講，在我們臨出來前剛剛做了這個實驗。   

    互動：您這個打印完細胞的活性和普通接種到支架上的細胞的活性有沒有什么差別？   

    胡慶夕：這個現(xiàn)在因為沒有做，我剛才講了，我們現(xiàn)在做的就是兩種細胞，一個是沒有打印的，一個是打印的，打印完了前幾天剛剛做了對比實驗，剛剛做完，后面可能還要做更多的實驗。首先驗證能不能做，這是第一步，到底做了后面還有什么問題，那還要再探索。   

    互動：好，謝謝。

首屆世界3D打印技術產業(yè)產業(yè)大會于5月29－31日在北京中國大飯店隆重舉行。在會上，上海大學快速制造中心主任、教授胡慶夕發(fā)表演講，胡慶夕表示，生物增材制造技術，就是現(xiàn)在說的生物3D打印，它是伴隨著我們增材制造技術或者叫三維打印技術，逐漸形成一個全新的研究領域。從組織工程和生物制造技術進行缺損的修復，能有效地解決一個自體的移植。生物三維打印的發(fā)展，要解決的就是這方面的問題，所以它展現(xiàn)了巨大的應用空間。
胡慶夕稱，生物三維打印技術設置的門檻比較高，牽涉的技術比較多，其中解決幾個方面的問題，一個方面就是生物材料，再一個方面就是生物的建模，另一個是關于工藝方面或者設備方面。
以下為上海大學快速制造中心主任、教授胡慶夕演講實錄：
胡慶夕：大家好，昨天到今天我們從3D打印到生物3D打印已經(jīng)接受了很多這方面的知識的，今天我主要是給大家介紹一下我們做的工作，主要介紹幾部分，一個是中心的情況介紹，背景、意義、國內外的情況，以及后面的三個工作。
我們中心是2001年和華東科技大學共同建立了快速制造工程中心，我們中心目前3D打印的設備種類方面是最全的，工程應用方面也是最成熟的。所以，我們一直致力于三維打印以及生物三維打印，以及快速模具這方面的研究和應用。我們在近十年的時間里，做了數(shù)十萬的關于3D打印的產品，目前我們與上海第九醫(yī)院、新華醫(yī)院等等都進行了合作。
從裝備來說，在測量裝備方面我們有17臺先進的測量裝備。在三維打印方面，我們的裝備現(xiàn)在是有15臺，就差一個，現(xiàn)在沒有金屬粉末，其他的各種全部都有了，而且我們基本上是每種兩臺。這是我們的實驗室，包括數(shù)據(jù)處理、3D打印、快速模具以及后處理的。
在應用方面，包括在醫(yī)學上的，當時這是上海的第一個兒科醫(yī)院，當時給連體嬰兒做的，當時在中央電視臺也做了報道，還有頭骨的、汽車的儀表盤等等。這是當時美國一個公司在上海北外灘當時要投標建設一個樓房，這是我們做的各種客戶的產品，這是摩托車。
我主要介紹的是后面的部分，關于三維打印，因為在我們的中心，一部分是為企業(yè)的工程應用服務，再一部分就是我們做的研究。研究圍繞著生物制造方面，或者叫生物三維打印，最早我們的研究是研究工藝，用三維打印來做，就是現(xiàn)成的設備。通過多年的研究開始發(fā)現(xiàn)，用現(xiàn)成的設備存在很大的問題，我們在后面會提到。
前面的老師都已經(jīng)講了關于生物三維打印的意義，我們從中也可以看出來，因為我們各種組織器官的障礙是我們人類健康的一個主要危害之一。再一個，在前面西安電子科大的老師也講了，它在我們醫(yī)學上的應用是非常廣泛的，這樣的病例也是非常多的，存在的問題，我們一直在問，是不是有一天我們人類器官的人工制造成為可能？使眾多的由于疾病、事故或者戰(zhàn)爭導致的器官缺損這樣的患者能夠全部被治愈，后來出現(xiàn)了組織工程，就是我們現(xiàn)在說的再生缺損組織修復。通過這種方式，三維打印最后要形成自身有功能的活體組織，也就是永久性的替代。再一個，按照組織的缺損形狀任意塑形，實現(xiàn)完美形態(tài)修復。
我們知道，生物增材制造技術，就是我們現(xiàn)在說的生物三維打印，它是伴隨著我們增材制造技術或者叫三維打印技術，逐漸形成一個全新的研究領域。
從組織工程和生物制造技術進行缺損的修復，能有效地解決一個自體的移植，因為我們知道用自己的骨或者是皮膚來修復自己，那是創(chuàng)傷修復創(chuàng)傷。生物三維打印的發(fā)展，要解決的就是這方面的問題，所以它展現(xiàn)了巨大的應用空間。
在國內外的研究，生物三維打印技術設置的門檻比較高，牽涉的技術比較多，我們從這里可以看出，我們將各個學科的交叉，實際上要解決的就是幾個方面的問題，一個方面就是生物材料，再一個方面就是生物的建模，以及包括它的制造和它的工藝，要解決這方面的問題。通過這些問題的解決，實現(xiàn)再生的結構體，就是現(xiàn)在說的細胞的打印，直接出來支架，來修復我們說的骨骼、軟骨、血管、皮膚，或者是心臟等等。
在這個研究過程中，生物制造前面已經(jīng)講了，主要包括這幾個方面，層次上的術前的醫(yī)療模型，就像我們做的連體嬰兒，那就是術前的醫(yī)療模型，給醫(yī)生進行分析使用的。再一種就是替代物的，就是我們做的很多假體。再往上走一個部分，就是我們現(xiàn)在說的組織工程支架，可以降解的。到現(xiàn)在開始做的一些研究，就是用細胞直接做器官。
在生物建模方面，國內外現(xiàn)在都很多，實際上在這個方面做的最具有代表性，就是比利時的Materialise公司，我們一直在應用它的軟件，在國內也有從事這方面的研究，我們在這方面也做了一些工作，對稱缺損骨的模型，非對稱的等等。
再一個是關于工藝方面或者設備方面，一個就是基于我們三維打印的再生支架這方面的制備，這方面的制備是成為國內研究的一個焦點，美國、新加坡、韓國、德國等等都在做，包括國內清華、西交大都在做這方面的工作，而且已經(jīng)取得了很顯著的成績。我們剛開始研究的時候，基于三維打印的方法，采用了不同的三維打印工藝，比如說PLA、FDM等等。我們知道，雖然三維打印可以制造任意復雜支架的外形，但是它在形狀的精度很難實現(xiàn)200微米以下的微孔，這是三維打印存在的缺陷。當然，隨著它制造的技術不斷地完善，它可能會做更精細的零件。在目前的情況下，對于微結構形態(tài)存在很多技術的壁壘，這是我們在使用現(xiàn)有的裝備在研究的過程中發(fā)現(xiàn)的。
再一個，基于電紡絲的再生支架制備工藝，美國、韓國、意大利、包括我們國內都在從事這方面的研究工作，我們也采用電紡絲運用不同的材料進行再生支架這方面的工作。再一種就是把這兩項技術組合、綜合，采用這種技術現(xiàn)在剛剛開始，從我們所查到的文獻看到，像葡萄牙用FDM和電紡絲技術的結合，韓國也是FDM和電紡絲的結合，用生物材料進行這方面支架的制備。我們將常溫擠出成型和電紡絲結合，進行再生支架的制備。這種制備是采用三維打印的方式，主要是保證支架的性能。我們利用電紡絲是彌補它的不足，就是微觀的結構。
在這個方面，因為我們在研究的過程中，當時我們沒有用電紡絲的時候，開始出現(xiàn)一個宏觀支架的結構，在進行細胞培養(yǎng)的時候發(fā)現(xiàn)細胞有的時候放進去以后，它就自己放下沉積，中間沒有能把它截住的地方。這個微結構的問題一直解決不了。再一個就是細胞的組裝，國內國外在這個方面做了大量的工作，細胞組裝技術是得到了國內外學者的重視，擠出成型、電噴射成型等等，已經(jīng)得到了這方面的認可。
再生支架的建模，因為我們前面很多年做了這方面的工作，最早我們用的是上面那個，就是說要用很多軟件來完成建模。這個在醫(yī)學上是很難實現(xiàn)的，包括我們工程上的很多軟件都用到了。到后來，我們就提出來要做下面這個，基于醫(yī)學圖象的缺損骨再生支架建模方法，我們就提出這樣一個架構。再生支架在建立的過程中，我們對它提出來一個就是它這個模型的特征，一個就是外部的模型特征，這就是說拿一個缺損的形狀，再一個就是內部模型的特征，它分為兩個部分，大家看到的很多就像搭架子一樣，宏觀的結構形狀。還有一種是微觀的。宏觀結構是可以通過建模實現(xiàn)的，所以在這里面，宏觀結構我們利用的是三維打印，包括外形，不可建模部分我們是用的電紡絲來完成這個工作。
實際上我們建模在這里面要獲取缺損部分的模型。這一塊的建模剛才幾位老師都有很多介紹，實際上就是通過建立一個單元的結構圖，然后組成一個外形形狀，進行運算，接得到了這樣一個宏觀結構。宏觀結構的種類有很多，一種是大家看到的這種形式，這是我們通過三維打印實現(xiàn)的微孔結構。
這個結構可以是圓柱體、球體等各種各樣的形狀，你可以根據(jù)自身的需要去建模，大部分建模都是圓柱形的，有60度的，有90度的，這是內部的結構，醫(yī)學的三維軟件。這是我們自己建的一個軟件，這里面就包括剛才講的三個過程，CT數(shù)據(jù)過來，然后進行重建，重建以后獲取缺損部位，然后再進行微結構的構建，微結構是你自己可以輸入，你要得到多大的結構，他們之間的間距多大，然后得到我們要的結構。
這是一個非對稱的，因為我們說人是基本上對稱的，對稱的建模方法基本上覆蓋了人體的90%多，非對稱的只有很小一部分，我們人的中間部位這一塊是非對稱的，因為當這一塊缺損的時候，你想利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，是沒有的，你沒有辦法來獲取它的三維數(shù)據(jù)，這時候你要進行一個非對稱的建模。
再一個就是關于三維打印復合成型部分，在這個方面的研究。一部分就是要用生物材料，有天然的、有合成的，以及有無機。關于生物材料，我們在使用的時候，大部分都是跟醫(yī)院在合作，得到醫(yī)藥總局批文的相關材料來進行這方面的研究。因為我們現(xiàn)在用的一些材料都是醫(yī)院提供的，我們在建的時候，就是用三維打印和電紡絲技術進行結合。這里我們的復合成型方法，一種是低溫的擠出，一個是熱熔的擠出，再一個是常溫的擠出。材料黏度較小時使用電噴射，材料有一定的黏度時就用電紡絲，這種技術在我們說的微納芯片的制造中，覺得做出來以后太厚了，但是在我們這兒，可能不是太厚，微納芯片在用的時候，他們跟我聊的時候就說到，這種技術他們在用的時候，一直解決不了薄的問題。這是我們建立的系統(tǒng)，這是我們自己開發(fā)的平臺，這是第一代的，第二代馬上就要出來了，現(xiàn)在我們用這個平臺給醫(yī)院做皮膚包括血管等等，都是通過這個看上去不像樣的實驗平臺來做。這里面是用低溫水溶性的材料，這個是常溫的用的是水明膠做的質量，這個是同軸結構的，這個是梯度結構的，因為我們說將來你要做軟骨，中間是梯隊結構，要研究梯度結構的擠出，再一個是復合的，可以看出來，里面有密密麻麻的網(wǎng)格在里面，這底下就是做的一些細胞的培養(yǎng)。
我們后期要做一些工作，也向大家匯報一下。一個是要擴展應用的領域，完善這個方面的設備，推動設計與制造一體化的裝備研究。在這個過程中，一個是我們復合工藝的血管、器官等等相關，因為這個是跟兒科在做血管方面的研究。再一個，復合工藝就是細胞打印、組裝。再一個，是將生物建模與設備集成，形成從CT直接過來，出去的就是生物解體圖，這樣一個過程，這是我們下一步要做的研究工作。
最后，用美國生物學家諾貝爾獎獲得者的一句話，用不了50年，人類將能夠培育出人體的所有器官。當然，最后，我們希望我們的研究能為人類的健康做出我們應有的貢獻。謝謝大家！