上海大学快速制造中心主任、教授胡庆夕：生物3D打印可实现组织完美形态修复

5月29－31日，由亚洲制造业协会、中国3D打印技术产业联盟、英国增材制造联盟等单位共同主办的2013年世界3D打印技术产业大会在北京中国大饭店隆重举行。国内外600多位代表出席会议，就3D打印技术发展趋势、3D打印技术产业化、3D打印技术如何与传统产业结合等议题展开讨论。

上海大学快速制造中心主任、教授胡庆夕：生物3D打印可实现组织完美形态修复

上海大学快速制造中心主任、教授胡庆夕
　　以下为上海大学快速制造中心主任、教授胡庆夕演讲实录：
　　今天我主要是给大家介绍一下我们做的工作，主要介绍几部分，一个是中心的情况介绍，背景、意义、国内外的情况，以及后面的三个工作。
　　我们中心是2001年和华东科技大学共同建立了快速制造工程中心，我们中心目前3D打印的设备种类方面是最全的，工程应用方面也是最成熟的。所以，我们一直致力于三维打印以及生物三维打印，以及快速模具这方面的研究和应用。我们在近十年的时间里，做了数十万的关于3D打印的产品，目前我们与上海第九医院、新华医院等等都进行了合作。
　　从装备来说，在测量装备方面我们有17台先进的测量装备。在三维打印方面，我们的装备现在是有15台，就差一个，现在没有金属粉末，其他的各种全部都有了，而且我们基本上是每种两台。这是我们的实验室，包括数据处理、3D打印、快速模具以及后处理的。
　　在应用方面，包括在医学上的，当时这是上海的第一个儿科医院，当时给连体婴儿做的，当时在中央电视台也做了报道，还有头骨的、汽车的仪表盘等等。这是当时美国一个公司在上海北外滩当时要投标建设一个楼房，这是我们做的各种客户的产品，这是摩托车。
　　我主要介绍的是后面的部分，关于三维打印，因为在我们的中心，一部分是为企业的工程应用服务，再一部分就是我们做的研究。研究围绕着生物制造方面，或者叫生物三维打印，最早我们的研究是研究工艺，用三维打印来做，就是现成的设备。通过多年的研究开始发现，用现成的设备存在很大的问题，我们在后面会提到。
　　前面的老师都已经讲了关于生物三维打印的意义，我们从中也可以看出来，因为我们各种组织器官的障碍是我们人类健康的一个主要危害之一。再一个，在前面西安电子科大的老师也讲了，它在我们医学上的应用是非常广泛的，这样的病例也是非常多的，存在的问题，我们一直在问，是不是有一天我们人类器官的人工制造成为可能？使众多的由于疾病、事故或者战争导致的器官缺损这样的患者能够全部被治愈，后来出现了组织工程，就是我们现在说的再生缺损组织修复。通过这种方式，三维打印最后要形成自身有功能的活体组织，也就是永久性的替代。再一个，按照组织的缺损形状任意塑形，实现完美形态修复。
　　我们知道，生物增材制造技术，就是我们现在说的生物三维打印，它是伴随着我们增材制造技术或者叫三维打印技术，逐渐形成一个全新的研究领域。
　　从组织工程和生物制造技术进行缺损的修复，能有效地解决一个自体的移植，因为我们知道用自己的骨或者是皮肤来修复自己，那是创伤修复创伤。生物三维打印的发展，要解决的就是这方面的问题，所以它展现了巨大的应用空间。
　　在国内外的研究，生物三维打印技术设置的门槛比较高，牵涉的技术比较多，我们从这里可以看出，我们将各个学科的交叉，实际上要解决的就是几个方面的问题，一个方面就是生物材料，再一个方面就是生物的建模，以及包括它的制造和它的工艺，要解决这方面的问题。通过这些问题的解决，实现再生的结构体，就是现在说的细胞的打印，直接出来支架，来修复我们说的骨骼、软骨、血管、皮肤，或者是心脏等等。
在这个研究过程中，生物制造前面已经讲了，主要包括这几个方面，层次上的术前的医疗模型，就像我们做的连体婴儿，那就是术前的医疗模型，给医生进行分析使用的。再一种就是替代物的，就是我们做的很多假体。再往上走一个部分，就是我们现在说的组织工程支架，可以降解的。到现在开始做的一些研究，就是用细胞直接做器官。
　　在生物建模方面，国内外现在都很多，实际上在这个方面做的最具有代表性，就是比利时的Materialise公司，我们一直在应用它的软件，在国内也有从事这方面的研究，我们在这方面也做了一些工作，对称缺损骨的模型，非对称的等等。
　　再一个是关于工艺方面或者设备方面，一个就是基于我们三维打印的再生支架这方面的制备，这方面的制备是成为国内研究的一个焦点，美国、新加坡、韩国、德国等等都在做，包括国内清华、西交大都在做这方面的工作，而且已经取得了很显著的成绩。我们刚开始研究的时候，基于三维打印的方法，采用了不同的三维打印工艺，比如说PLA、FDM等等。我们知道，虽然三维打印可以制造任意复杂支架的外形，但是它在形状的精度很难实现200微米以下的微孔，这是三维打印存在的缺陷。当然，随着它制造的技术不断地完善，它可能会做更精细的零件。在目前的情况下，对于微结构形态存在很多技术的壁垒，这是我们在使用现有的装备在研究的过程中发现的。
　　再一个，基于电纺丝的再生支架制备工艺，美国、韩国、意大利、包括我们国内都在从事这方面的研究工作，我们也采用电纺丝运用不同的材料进行再生支架这方面的工作。再一种就是把这两项技术组合、综合，采用这种技术现在刚刚开始，从我们所查到的文献看到，像葡萄牙用FDM和电纺丝技术的结合，韩国也是FDM和电纺丝的结合，用生物材料进行这方面支架的制备。我们将常温挤出成型和电纺丝结合，进行再生支架的制备。这种制备是采用三维打印的方式，主要是保证支架的性能。我们利用电纺丝是弥补它的不足，就是微观的结构。
　　在这个方面，因为我们在研究的过程中，当时我们没有用电纺丝的时候，开始出现一个宏观支架的结构，在进行细胞培养的时候发现细胞有的时候放进去以后，它就自己放下沉积，中间没有能把它截住的地方。这个微结构的问题一直解决不了。再一个就是细胞的组装，国内国外在这个方面做了大量的工作，细胞组装技术是得到了国内外学者的重视，挤出成型、电喷射成型等等，已经得到了这方面的认可。
　　再生支架的建模，因为我们前面很多年做了这方面的工作，最早我们用的是上面那个，就是说要用很多软件来完成建模。这个在医学上是很难实现的，包括我们工程上的很多软件都用到了。到后来，我们就提出来要做下面这个，基于医学图象的缺损骨再生支架建模方法，我们就提出这样一个架构。再生支架在建立的过程中，我们对它提出来一个就是它这个模型的特征，一个就是外部的模型特征，这就是说拿一个缺损的形状，再一个就是内部模型的特征，它分为两个部分，大家看到的很多就像搭架子一样，宏观的结构形状。还有一种是微观的。宏观结构是可以通过建模实现的，所以在这里面，宏观结构我们利用的是三维打印，包括外形，不可建模部分我们是用的电纺丝来完成这个工作。
　　实际上我们建模在这里面要获取缺损部分的模型。这一块的建模刚才几位老师都有很多介绍，实际上就是通过建立一个单元的结构图，然后组成一个外形形状，进行运算，接得到了这样一个宏观结构。宏观结构的种类有很多，一种是大家看到的这种形式，这是我们通过三维打印实现的微孔结构。
　　这个结构可以是圆柱体、球体等各种各样的形状，你可以根据自身的需要去建模，大部分建模都是圆柱形的，有60度的，有90度的，这是内部的结构，医学的三维软件。这是我们自己建的一个软件，这里面就包括刚才讲的三个过程，CT数据过来，然后进行重建，重建以后获取缺损部位，然后再进行微结构的构建，微结构是你自己可以输入，你要得到多大的结构，他们之间的间距多大，然后得到我们要的结构。
这是一个非对称的，因为我们说人是基本上对称的，对称的建模方法基本上覆盖了人体的90%多，非对称的只有很小一部分，我们人的中间部位这一块是非对称的，因为当这一块缺损的时候，你想利用现有的数据，是没有的，你没有办法来获取它的三维数据，这时候你要进行一个非对称的建模。
　　再一个就是关于三维打印复合成型部分，在这个方面的研究。一部分就是要用生物材料，有天然的、有合成的，以及有无机。关于生物材料，我们在使用的时候，大部分都是跟医院在合作，得到医药总局批文的相关材料来进行这方面的研究。因为我们现在用的一些材料都是医院提供的，我们在建的时候，就是用三维打印和电纺丝技术进行结合。这里我们的复合成型方法，一种是低温的挤出，一个是热熔的挤出，再一个是常温的挤出。材料黏度较小时使用电喷射，材料有一定的黏度时就用电纺丝，这种技术在我们说的微纳芯片的制造中，觉得做出来以后太厚了，但是在我们这儿，可能不是太厚，微纳芯片在用的时候，他们跟我聊的时候就说到，这种技术他们在用的时候，一直解决不了薄的问题。这是我们建立的系统，这是我们自己开发的平台，这是第一代的，第二代马上就要出来了，现在我们用这个平台给医院做皮肤包括血管等等，都是通过这个看上去不像样的实验平台来做。这里面是用低温水溶性的材料，这个是常温的用的是水明胶做的质量，这个是同轴结构的，这个是梯度结构的，因为我们说将来你要做软骨，中间是梯队结构，要研究梯度结构的挤出，再一个是复合的，可以看出来，里面有密密麻麻的网格在里面，这底下就是做的一些细胞的培养。
　　我们后期要做一些工作，也向大家汇报一下。一个是要扩展应用的领域，完善这个方面的设备，推动设计与制造一体化的装备研究。在这个过程中，一个是我们复合工艺的血管、器官等等相关，因为这个是跟儿科在做血管方面的研究。再一个，复合工艺就是细胞打印、组装。再一个，是将生物建模与设备集成，形成从CT直接过来，出去的就是生物解体图，这样一个过程，这是我们下一步要做的研究工作。
　　最后，用美国生物学家诺贝尔奖获得者的一句话，用不了50年，人类将能够培育出人体的所有器官。当然，最后，我们希望我们的研究能为人类的健康做出我们应有的贡献。来自中国3d打印技术产业联盟