北工大陈继民教授自述：醉心研究3D打印，只因不忘初心

用3D打印技术助力精准医疗，造福于民


    我从博士毕业留校以来，一直从事激光快速成形技术的研究，也就是现在的3D打印。最近我们和有关单位配合，刚刚完成了北京市科委的重大研发项目，另外的一些项目也有一定的进展。

    其中，3D打印辅助肿瘤靶标治疗的项目今年已验收完毕。在这个项目上，北京市大概投入经费800多万元。我们组织了好几家有关医疗单位和科研院所进行联合攻关，研制出肿瘤粒子植入辅助导板用的3D打印设备以及检测设备，同时，这项技术在几家医院成功地进行了临床试验，取得了国家药监局的医疗注册许可证，为今后将该技术进行推广奠定了基础。

    这个项目的主要内容是针对肿瘤靶标植入手术中，难于定位的问题，利用3D打印技术打印出辅助手术的导板。在进行肿瘤粒子植入穿刺手术治疗的过程中间，根据肿瘤的大小和形状设计出不同的医疗导板，进而辅助医生进行手术，实现精准定位、精准治疗。避免了以前采用传统的放疗方法中，放射线在杀死肿瘤癌细胞的同时对人体的正常组织造成的巨大伤害。采用这种方式，基本上可以做到定点清除肿瘤癌细胞。这项技术在医疗单位里面经过临床试验取得了比较明显的效果。

    我们这项成果2016年2月也在美国旧金山召开的国际SPIE大会上做了邀请报告，并进行了详细介绍，得到了与会各国专家和学者的好评。主要是这项技术花费比较少，效果好，不像一般的肿瘤治疗需要高昂费用。采用这项技术，可以大大降低手术的风险，提高手术的准确性。这种技术不仅在穿刺手术中可以用，也可以推广到其他需要精确定位手术中。所以我们也希望能通过媒体作进一步的宣传，在更多的医疗单位进行应用，造福于民。

    北工大研究涵盖整个3D打印产业链，谋求产业化

    北京工业大学的材料学科是国家重点学科，材料方面的研究有非常强的实力。前不久我国著名的材料专家周廉院士在北京工业大学的3D打印材料院士工作室也完成了揭牌，标志着我校正式进军3D打印材料领域。目前，北京工业大学对3D打印技术方面的研究已包括从材料研究、打印设备到打印工艺以及应用等各个方面，软件方面也在开展相关的研究工作，基本上涵盖了整个3D打印的产业链。我们希望能够通过将这些研究成果不断转化，全面带动和推进3D打印技术在北京市的进一步推广，促进北京市3D打印产业的发展。

    我们按照北京市的统一部署，将3D打印领域的重点放在三个方面进行研究：航空航天、医疗和文化创意。我校作为北京市市属唯一的一所211大学，理应通过我们的工作，为北京的3D打印的发展添砖加瓦，为首都的经济建设、产业转型升级贡献一份力量。

    目前，北工大在数字化医疗方面取得的一些成绩也是离不开大家的关心和帮助，我们会一如既往的努力工作，争取在未来有更大的突破。下一步主要把工作重点放在推进3D打印技术的应用上面。也就是说把研究成果搬出实验室走向市场。这份工作任重而道远，需要方方面面的共同努力才能推进。现在，我们已经和很多公司合作。比如说李宁体育运动科学研究中心、国家老龄委以及有关的一些和医疗器械相关的公司。目的之一就是希望尽可能将研究成果尽快的推向市场，使更多的人从中受益。此外，我们也积极与北工大校医院进行合作，开展口腔种植3D打印技术的应用。这样可以降低我校教职工在口腔种植上的一些花费和成本，为广大教职工谋得一些福利。和国家老龄委合作，根据行动不方便的老人不同要求进行个性化鞋垫的3D打印定制。此外还和国家宇航局的合作等，这些合作很多。我们今后将还会与所有的有志于3D打印技术应用的单位进行密切的合作，把这项技术尽快的推广。

    北工大目前除了承担北京市科委的一些项目以外，还自主研发了一些用于3D打印的打印机，包括基于光固化DLP和光固化SLA的打印机。此外，我们研制的金属粉末直接成型的3D打印机样机也已问世。这些研究成果正在和有关的企业合作，希望能够尽快的把设备产业化。其中在3D打印治疗肿瘤的项目中，我们自主开发的肿瘤治疗导板成型装备，这个样机目前已经完成，下一步主要是如何把它进行产业化。

    3D打印在医疗领域的四个应用层次

    关于3D打印在医疗领域的应用有很多不同的层次，我把它大概分成了4个层次。第一个层次相对简单，即打印一些医疗模型。这些模型根据CT或核磁共振成像采集的一系列二维图像数据，通过3D建模、打印，得到三维的组织模型。这样模型更具直观性，医生理应这些模型和患者进行交流的时候也更方便。目前这项技术的应用没有任何技术上的障碍，但是由于涉及到一些费用的问题，要在国家物价部门陆续出台的相关政策之后，这个技术才有可能进一步大规模推广。

    第二个层次是定制和打印一些辅助的医疗器械，比如手术中的医疗导板。因为医生做手术是千差万别的，由于病情不同，患者不同，每一台手术都有其独特性。医生手术时希望针对该手术使用一些特殊功能的手术器械。由于这种个性化定制的手术器械主要针对这一台手术，用完之后就报废了，由于这种特殊性往往不需批量生产，所以传统的生产方式很难满足。有了3D打印技术之后，根据需求定制打印出一些具有特殊功能的手术器械就很容易实现，花费也能接受，如手术种植导板以及骨科治疗用导板。然而这种应用必须要求有医学背景和医学知识的人来进行设计，这样设计出的医疗器械医生才觉得好用。

    第三个层次是个性化的植入体，用于人体内的骨组织修复等。比如骨骼、关节等等。这些还处于临床的试验阶段，国家也会出台一些政策来支持这项技术在医疗方面的应用。我相信这些方面的应用在未来会逐渐普及。

    第四个层次，即更高层次的应用是生物3D打印。生物3D打印可以打印用于人体的功能性器官，比如心脏、肝脏、肾脏等。因为人体器官一旦损坏就不能靠自身的生长修复，只能靠器官移植。而器官移植受供体少、排异反应、配型困难等限制。如果能从患者身上取出一些功能性器官细胞培养出来，然后再打印出需要的各种器官，这样就解决了供体和人体排异等问题。目前，这项研究虽然有一些进展，但是应用到人体还有一段时间。有人比较乐观的估计是十年，也可能更长的一段时间。但是不管怎样，3D打印人体器官在未来很长一段时间会成为3D打印工作者尖端的研究课题。

    3D打印数字化医疗将使人类获益

    我们知道数字化医疗和传统手段不同。所谓数字化医疗，就是我们可以通过CT、核磁等数字化的手段把病灶和需要治疗的部分在电脑中完全呈现在医生眼前，然后再在电脑中进行规划和治疗。比起传统的采用经验的方式来治疗，它可以节省大量的医疗资源，同时治疗的精准性、有效性也将大大的提高。数字化3D打印在医疗中的应用将会给医疗领域带来极大的变革。有了这项技术，广大人民群众也可以从中获益。

    以癌症治疗为例，在治疗肿瘤的过程中间，其实现在有很多种方法可以用来杀死癌细胞。不管放疗还是化疗以及高温药物等都可以将肿瘤杀死。问题在于如何保证杀死癌细胞的同时不对正常人体组织产生影响或降低这种影响，这是比较困难的，原因在于癌细胞是人体的一部分，无论是药物还是射线，都无法区分出正常细胞和癌细胞。目前采用3D打印的方法基本上可以做到完全精准的靶向治疗。当然，这项技术还刚刚开始，有许多需要研究的地方，我们也希望和更多的人合作来开发和完善这项技术。

    复合型人才稀缺仍是3D打印医疗的困扰

    现在，在生物医疗方面应用的主要难题是人才的缺乏。对于大夫来说，他们专注于怎么样进行手术和治疗病人，而对如何进行设计和根据需要打印出所需的手术器械或辅助工具比较困难。而一般工程技术人员由于缺乏一些医疗方面的知识设计出的东西不好用或是大夫不愿意用。这就需要一种跨界的复合型人才，既要对3打印方面有所了解又要对医疗方面有一些认识。这样设计出来的不管是模型还是医疗手术器械都好用。所以我觉得问题在于缺乏这样的人才，因此我们北工大也在积极招生和培养3D打印方面的人才，这需要一个过程。因为3D打印在医疗领域有很大的市场空间。我们知道3D打印比较适合制作批量小且个性化的产品。而在医疗领域，病人和手术都具有特殊性。所以3D打印在医疗领域的市场是极其巨大的，具有非常广阔的前景。

    我们现在万里长征刚刚迈出了第一步，未来还有很多工作要做。无论面对什么样困难，我们都会一如既往。我想就用一句话来结束：路漫漫其修远兮，我将上下而求索。谢谢。



陈继民教授简介

    北京工业大学激光工程研究院博士生导师，中国光学学会激光加工专业委员会委员，中国机械工程学会特种加工专业委员会理事。《激光与光电学进展》杂志编委，国际光学学会SPIE会员（会员号：00664755）。1986年，1989年在华中科技大学机械工程系分别获得学士学位和硕士学位，2000年1-6月在德国从事合作研究，2001年北京工业大学光学工程专业获博士学位。2011年10月-2012年10月在美国纽约州立大学布法罗分校做访问学者。作为项目负责人承担并完成了包括国家自然科学基金、北京市自然科学基金以及北京教委项目在内的多项课题，发表论文120余篇，其中SCI、EI、ISTP检索论文50余篇。申报专利18项（10项获得授权），获得软件著作6项，获第16届全国发明展金奖1项，北京市科技进步二等奖1项，中国产学研合作创新奖1项。研究领域包括：激光加工、激光快速成型、激光三维加工等。