上海大學(xué)快速制造中心主任、教授胡慶夕：生物3D打印可實(shí)現(xiàn)組織完美形態(tài)修復(fù)

5月29－31日，由亞洲制造業(yè)協(xié)會(huì)、中國(guó)3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、英國(guó)增材制造聯(lián)盟等單位共同主辦的2013年世界3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)大會(huì)在北京中國(guó)大飯店隆重舉行。國(guó)內(nèi)外600多位代表出席會(huì)議，就3D打印技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)、3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)化、3D打印技術(shù)如何與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)結(jié)合等議題展開討論。

上海大學(xué)快速制造中心主任、教授胡慶夕
　　以下為上海大學(xué)快速制造中心主任、教授胡慶夕演講實(shí)錄：
　　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(gè)是中心的情況介紹，背景、意義、國(guó)內(nèi)外的情況，以及后面的三個(gè)工作。
　　我們中心是2001年和華東科技大學(xué)共同建立了快速制造工程中心，我們中心目前3D打印的設(shè)備種類方面是最全的，工程應(yīng)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(yīng)用。我們?cè)诮�十年的時(shí)間里，做了數(shù)十萬(wàn)的關(guān)于3D打印的產(chǎn)品，目前我們與上海第九醫(yī)院、新華醫(yī)院等等都進(jìn)行了合作。
　　從裝備來(lái)說(shuō)，在測(cè)量裝備方面我們有17臺(tái)先進(jìn)的測(cè)量裝備。在三維打印方面，我們的裝備現(xiàn)在是有15臺(tái)，就差一個(gè)，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(tái)。這是我們的實(shí)驗(yàn)室，包括數(shù)據(jù)處理、3D打印、快速模具以及后處理的。
　　在應(yīng)用方面，包括在醫(yī)學(xué)上的，當(dāng)時(shí)這是上海的第一個(gè)兒科醫(yī)院，當(dāng)時(shí)給連體嬰兒做的，當(dāng)時(shí)在中央電視臺(tái)也做了報(bào)道，還有頭骨的、汽車的儀表盤等等。這是當(dāng)時(shí)美國(guó)一個(gè)公司在上海北外灘當(dāng)時(shí)要投標(biāo)建設(shè)一個(gè)樓房，這是我們做的各種客戶的產(chǎn)品，這是摩托車。
　　我主要介紹的是后面的部分，關(guān)于三維打印，因?yàn)樵谖覀兊闹行�，一部分是為企業(yè)的工程應(yīng)用服務(wù)，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(lái)做，就是現(xiàn)成的設(shè)備。通過(guò)多年的研究開始發(fā)現(xiàn)，用現(xiàn)成的設(shè)備存在很大的問(wèn)題，我們?cè)诤竺鏁?huì)提到。
　　前面的老師都已經(jīng)講了關(guān)于生物三維打印的意義，我們從中也可以看出來(lái)，因?yàn)槲覀兏鞣N組織器官的障礙是我們?nèi)祟惤】档囊粋�(gè)主要危害之一。再一個(gè)，在前面西安電子科大的老師也講了，它在我們醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用是非常廣泛的，這樣的病例也是非常多的，存在的問(wèn)題，我們一直在問(wèn)，是不是有一天我們?nèi)祟惼鞴俚娜斯ぶ圃斐蔀榭赡�？使眾多的由于疾病、事故或者�?zhàn)爭(zhēng)導(dǎo)致的器官缺損這樣的患者能夠全部被治愈，后來(lái)出現(xiàn)了組織工程，就是我們現(xiàn)在說(shuō)的再生缺損組織修復(fù)。通過(guò)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(gè)，按照組織的缺損形狀任意塑形，實(shí)現(xiàn)完美形態(tài)修復(fù)。
　　我們知道，生物增材制造技術(shù)，就是我們現(xiàn)在說(shuō)的生物三維打印，它是伴隨著我們?cè)霾闹圃旒夹g(shù)或者叫三維打印技術(shù)，逐漸形成一個(gè)全新的研究領(lǐng)域。
　　從組織工程和生物制造技術(shù)進(jìn)行缺損的修復(fù)，能有效地解決一個(gè)自體的移植，因?yàn)槲覀冎�道用自己的骨或者是皮膚來(lái)修復(fù)自己，那是創(chuàng)傷修復(fù)創(chuàng)傷。生物三維打印的發(fā)展，要解決的就是這方面的問(wèn)題，所以它展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用空間。
　　在國(guó)內(nèi)外的研究，生物三維打印技術(shù)設(shè)置的門檻比較高，牽涉的技術(shù)比較多，我們從這里可以看出，我們將各個(gè)學(xué)科的交叉，實(shí)際上要解決的就是幾個(gè)方面的問(wèn)題，一個(gè)方面就是生物材料，再一個(gè)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(wèn)題。通過(guò)這些問(wèn)題的解決，實(shí)現(xiàn)再生的結(jié)構(gòu)體，就是現(xiàn)在說(shuō)的細(xì)胞的打印，直接出來(lái)支架，來(lái)修復(fù)我們說(shuō)的骨骼、軟骨、血管、皮膚，或者是心臟等等。
在這個(gè)研究過(guò)程中，生物制造前面已經(jīng)講了，主要包括這幾個(gè)方面，層次上的術(shù)前的醫(yī)療模型，就像我們做的連體嬰兒，那就是術(shù)前的醫(yī)療模型，給醫(yī)生進(jìn)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(gè)部分，就是我們現(xiàn)在說(shuō)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(xì)胞直接做器官。
　　在生物建模方面，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)在都很多，實(shí)際上在這個(gè)方面做的最具有代表性，就是比利時(shí)的Materialise公司，我們一直在應(yīng)用它的軟件，在國(guó)內(nèi)也有從事這方面的研究，我們?cè)谶@方面也做了一些工作，對(duì)稱缺損骨的模型，非對(duì)稱的等等。
　　再一個(gè)是關(guān)于工藝方面或者設(shè)備方面，一個(gè)就是基于我們?nèi)�維打印的再生支架這方面的制備，這方面的制備是成為國(guó)內(nèi)研究的一個(gè)焦點(diǎn)，美國(guó)、新加坡、韓國(guó)、德國(guó)等等都在做，包括國(guó)內(nèi)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(jī)。我們剛開始研究的時(shí)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(shuō)PLA、FDM等等。我們知道，雖然三維打印可以制造任意復(fù)雜支架的外形，但是它在形狀的精度很難實(shí)現(xiàn)200微米以下的微孔，這是三維打印存在的缺陷。當(dāng)然，隨著它制造的技術(shù)不斷地完善，它可能會(huì)做更精細(xì)的零件。在目前的情況下，對(duì)于微結(jié)構(gòu)形態(tài)存在很多技術(shù)的壁壘，這是我們?cè)谑褂矛F(xiàn)有的裝備在研究的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的。
　　再一個(gè)，基于電紡絲的再生支架制備工藝，美國(guó)、韓國(guó)、意大利、包括我們國(guó)內(nèi)都在從事這方面的研究工作，我們也采用電紡絲運(yùn)用不同的材料進(jìn)行再生支架這方面的工作。再一種就是把這兩項(xiàng)技術(shù)組合、綜合，采用這種技術(shù)現(xiàn)在剛剛開始，從我們所查到的文獻(xiàn)看到，像葡萄牙用FDM和電紡絲技術(shù)的結(jié)合，韓國(guó)也是FDM和電紡絲的結(jié)合，用生物材料進(jìn)行這方面支架的制備。我們將常溫?cái)D出成型和電紡絲結(jié)合，進(jìn)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(bǔ)它的不足，就是微觀的結(jié)構(gòu)。
　　在這個(gè)方面，因?yàn)槲覀冊(cè)谘芯康倪^(guò)程中，當(dāng)時(shí)我們沒有用電紡絲的時(shí)候，開始出現(xiàn)一個(gè)宏觀支架的結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)的時(shí)候發(fā)現(xiàn)細(xì)胞有的時(shí)候放進(jìn)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(gè)微結(jié)構(gòu)的問(wèn)題一直解決不了。再一個(gè)就是細(xì)胞的組裝，國(guó)內(nèi)國(guó)外在這個(gè)方面做了大量的工作，細(xì)胞組裝技術(shù)是得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)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(rèn)可。
　　再生支架的建模，因?yàn)槲覀兦懊婧芏嗄曜隽诉@方面的工作，最早我們用的是上面那個(gè)，就是說(shuō)要用很多軟件來(lái)完成建模。這個(gè)在醫(yī)學(xué)上是很難實(shí)現(xiàn)的，包括我們工程上的很多軟件都用到了。到后來(lái)，我們就提出來(lái)要做下面這個(gè)，基于醫(yī)學(xué)圖象的缺損骨再生支架建模方法，我們就提出這樣一個(gè)架構(gòu)。再生支架在建立的過(guò)程中，我們對(duì)它提出來(lái)一個(gè)就是它這個(gè)模型的特征，一個(gè)就是外部的模型特征，這就是說(shuō)拿一個(gè)缺損的形狀，再一個(gè)就是內(nèi)部模型的特征，它分為兩個(gè)部分，大家看到的很多就像搭架子一樣，宏觀的結(jié)構(gòu)形狀。還有一種是微觀的。宏觀結(jié)構(gòu)是可以通過(guò)建模實(shí)現(xiàn)的，所以在這里面，宏觀結(jié)構(gòu)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(lái)完成這個(gè)工作。
　　實(shí)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(shí)際上就是通過(guò)建立一個(gè)單元的結(jié)構(gòu)圖，然后組成一個(gè)外形形狀，進(jìn)行運(yùn)算，接得到了這樣一個(gè)宏觀結(jié)構(gòu)。宏觀結(jié)構(gòu)的種類有很多，一種是大家看到的這種形式，這是我們通過(guò)三維打印實(shí)現(xiàn)的微孔結(jié)構(gòu)。
　　這個(gè)結(jié)構(gòu)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(nèi)部的結(jié)構(gòu)，醫(yī)學(xué)的三維軟件。這是我們自己建的一個(gè)軟件，這里面就包括剛才講的三個(gè)過(guò)程，CT數(shù)據(jù)過(guò)來(lái)，然后進(jìn)行重建，重建以后獲取缺損部位，然后再進(jìn)行微結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，微結(jié)構(gòu)是你自己可以輸入，你要得到多大的結(jié)構(gòu)，他們之間的間距多大，然后得到我們要的結(jié)構(gòu)。
這是一個(gè)非對(duì)稱的，因?yàn)槲覀冋f(shuō)人是基本上對(duì)稱的，對(duì)稱的建模方法基本上覆蓋了人體的90%多，非對(duì)稱的只有很小一部分，我們?nèi)说闹虚g部位這一塊是非對(duì)稱的，因?yàn)楫?dāng)這一塊缺損的時(shí)候，你想利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，是沒有的，你沒有辦法來(lái)獲取它的三維數(shù)據(jù)，這時(shí)候你要進(jìn)行一個(gè)非對(duì)稱的建模。
　　再一個(gè)就是關(guān)于三維打印復(fù)合成型部分，在這個(gè)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(wú)機(jī)。關(guān)于生物材料，我們?cè)谑褂玫臅r(shí)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(guān)材料來(lái)進(jìn)行這方面的研究。因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在用的一些材料都是醫(yī)院提供的，我們?cè)诮ǖ臅r(shí)候，就是用三維打印和電紡絲技術(shù)進(jìn)行結(jié)合。這里我們的復(fù)合成型方法，一種是低溫的擠出，一個(gè)是熱熔的擠出，再一個(gè)是常溫的擠出。材料黏度較小時(shí)使用電噴射，材料有一定的黏度時(shí)就用電紡絲，這種技術(shù)在我們說(shuō)的微納芯片的制造中，覺得做出來(lái)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(shí)候，他們跟我聊的時(shí)候就說(shuō)到，這種技術(shù)他們?cè)谟玫臅r(shí)候，一直解決不了薄的問(wèn)題。這是我們建立的系統(tǒng)，這是我們自己開發(fā)的平臺(tái)，這是第一代的，第二代馬上就要出來(lái)了，現(xiàn)在我們用這個(gè)平臺(tái)給醫(yī)院做皮膚包括血管等等，都是通過(guò)這個(gè)看上去不像樣的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來(lái)做。這里面是用低溫水溶性的材料，這個(gè)是常溫的用的是水明膠做的質(zhì)量，這個(gè)是同軸結(jié)構(gòu)的，這個(gè)是梯度結(jié)構(gòu)的，因?yàn)槲覀冋f(shuō)將來(lái)你要做軟骨，中間是梯隊(duì)結(jié)構(gòu)，要研究梯度結(jié)構(gòu)的擠出，再一個(gè)是復(fù)合的，可以看出來(lái)，里面有密密麻麻的網(wǎng)格在里面，這底下就是做的一些細(xì)胞的培養(yǎng)。
　　我們后期要做一些工作，也向大家匯報(bào)一下。一個(gè)是要擴(kuò)展應(yīng)用的領(lǐng)域，完善這個(gè)方面的設(shè)備，推動(dòng)設(shè)計(jì)與制造一體化的裝備研究。在這個(gè)過(guò)程中，一個(gè)是我們復(fù)合工藝的血管、器官等等相關(guān)，因?yàn)檫@個(gè)是跟兒科在做血管方面的研究。再一個(gè)，復(fù)合工藝就是細(xì)胞打印、組裝。再一個(gè)，是將生物建模與設(shè)備集成，形成從CT直接過(guò)來(lái)，出去的就是生物解體圖，這樣一個(gè)過(guò)程，這是我們下一步要做的研究工作。
　　最后，用美國(guó)生物學(xué)家諾貝爾獎(jiǎng)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(dāng)然，最后，我們希望我們的研究能為人類的健康做出我們應(yīng)有的貢獻(xiàn)。來(lái)自中國(guó)3d打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟