戴尅戎院士：3D打印吸引了我的后半生

2022-12-01

近年來，3D打印技術的發展在醫療領域做出了不小貢獻。例如，制作醫學模型、輔具、假肢、手術導引裝置、骨頭、軟骨，或用于血管、膽道、氣管、尿道內的支撐物或替代品，以及多種組織和臟器。那么，3D打印是通過什么原理實現扁鵲之術？它的存在對于醫療產業而言有著怎樣的意義？其發展目前又面臨哪些問題？

中國工程院院士、上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院終身教授戴尅戎院士（以下簡稱“戴院士”）對上述問題作了較詳盡的解答。

△戴尅戎院士

用3D打印解決醫學界百年難題——“個性化需求”

“3D打印是一種手段，通過3D打印技術，可以創造出各式各樣獨具一格的產品，而促進醫學與3D打印緊密聯系在一起的根本原因，就是醫學上自古以來面臨的極大需求——‘個性化’。”戴院士談及3D打印便打開了話匣子，他的后半生，與3D打印有著千絲萬縷的聯系。

據戴院士回憶，37年前，他曾接觸到一位需要做全距骨切除的腫瘤病人，而當時國際上根本沒有替換距骨的假體，主治醫師團隊只能給患者定制一個人工距骨。這也是戴院士第一次接觸到足部骨骼需要“個性化”定制的病例。

“距骨是位于腳踝十幾塊骨頭里最重要的一塊，這個人工距骨還要附帶上面、下面和前面的關節面，同時還要有足夠的承載能力和穩定性，而距骨大小和形態是人人不同的。”通過多次數據計算、修改，團隊最終成功將定制的人工距骨替換下被切除的距骨，時至今日，這位患者仍能自如行動，無跛行、能騎車，甚至還能做輕體力勞動。

第一次圓滿完成“個性化”定制病例給了戴院士極大的鼓舞。1982年以后，戴院士帶領團隊專門給一些患者陸續定做了膝關節、髖關節、肩關節，甚至還定做了半個骨盆。

時光推進到90年代，人工定制滿足患者的“個性化”需求逐漸成為常態，而此時戴院士遇到了一個棘手的病例。

一位首席會計師因自幼雙側髖關節先天性異常，兩側髖關節嚴重脫位導致雙側劇烈疼痛，嚴重影響工作生活，最終只能依靠輪椅才能出行。據戴院士回憶，這位患者的髖部解剖結構和幾何形態與常人差異極大，并伴有嚴重的繼發性病變，各醫療器械公司均無法提供符合需求的關節假體，這讓他頭一次感到無從下手。

難以進退之時，上海交通大學王成燾教授給戴院士帶來一個好消息。“王成燾教授第一次告訴我們，原來世界上有一種設備叫‘快速原型機’，可以輕而易舉地把病人的關節、骨腔的大小、位置和相關關系，用模型準確‘復制’出來。”

在當時看來，戴院士感覺“快速成型機”簡直是為這個棘手病例量身定做的產物！為了一探究竟，主治團隊將經由快速成型機定制的關節假體安裝在假肢模型上進行反復演練，確定無誤后才為患者安排手術。最終，患者在模型的幫助下獲得了真正量身定制的假體。

手術成功后，這位當年無法行走的患者不僅重新恢復了首席會計師的工作，還親自游玩天安門廣場、攀登長城，如今已經成為周游世界的旅游愛好者。

經由此事后，3D打印個性化定制逐漸發展為戴尅戎團隊不可或缺的醫用技術。與此同時，經手數百個病例的戴院士深刻認識到：在醫療產業中，“個性化”需求是一個擁有巨大市場的發展方向。

用他的話來說：“固定骨折的接骨板和不同關節的人工假體每個部位只有5-7種尺寸，這僅有的這幾個尺寸每年要滿足幾十萬人甚至于上百萬人的需求，導致很多病例都是將就著用，因此滿足個性化需求將成為提高醫療質量的重要努力方向。”

回顧整個醫學發展之路，“個性化”需求一直是該行業存在的最大難題之一，3D打印技術的進步和推廣無異于為個性化醫療打開了一扇充滿想象與希望的大門。時至今日，戴院士都時常感慨：“3D打印確實太神奇了，它深深吸引了我們，因為很多醫生的夢想都能夠借以實現。凡是放進病人身上的東西，如果大多數都能定制，那是一個什么場面！”

3D打印的出現可以跟蒸汽機、互聯網相提并論

2003年，上海九院的合作公司獲批我國國內第一份定制式人工關節生產許可證。2013年，戴院士與上海交大的工科教授聯合組建了上海九院3D打印技術臨床轉化研發中心；2015年，建立了上海交通大學醫學院3D打印技術臨床轉化協同創新中心；并于2016年又升格為上海交通大學醫學3D打印技術創新研究中心，并獲得三項“十三五”國家重點研發項目支持。

“在整個發展過程中，九院的骨科、口腔科、眼科、整形科，耳鼻喉科乃至神經科，都與3D打印結下了不解之緣。3D打印是一項制造技術，但往深處去看，其醫學應用的核心保證，應該是‘醫工結合’或‘醫工產結合’。”將3D打印應用于醫學20余載的戴院士對新材料在線?說出了心里話。

戴院士進一步解釋道，“醫工結合”是唯一能夠把3D打印在醫療行業推行得更深更好的路徑。如果醫生不懂3D打印技術，何來快速原型？又假如工程師掌握了3D打印技術，卻不知在醫療上能夠發揮什么作用以及如何去發揮作用，何來“個性化”定制？

△戴尅戎院士早年間在研究制作形狀記憶醫療產品

眾所周知，3D打印技術誕生之初主要被應用于制造業中的模具制造、工業設計等工序。當時，這一技術被視為“有可能是扭轉美國制造業持續走下坡路的衰敗之象的一個轉機”。美國前總統奧巴馬也曾在國情咨文中談到，“3D打印有可能使我們制造幾乎所有產品的方式革命化”。

對此，戴院士同樣深以為然，“從古到今，我們所做的制造加工都屬于‘減材制造’或‘增材制造’，一塊大木頭用斧頭砍、用刀子雕，最后制出一個我們需要的產品，浪費了很多材料。做一個金屬的碗，需要在一塊立體的金屬方塊上，用車床、銑床、磨床削出一個碗來，這個碗可能只占了整塊材料的20%左右，這造成大量的材料浪費，大量的多余加工。”

而3D打印技術則相對更快速、簡化，也更加環保。3D打印只需在一個一無所有的平臺上鋪上第一層材料粉末，通過加溫或粘接劑固定后，再鋪第二層、第三層、第四層材料粉并逐層粘結。全部完成后，再把多余的材料粉收集起來進行二次利用。所有采用的材料粉可能90%以上都能被利用。

因此，3D打印在醫療領域和制造業的創新應用，被認為是一種革命性顛覆。不少3D打印的支持者認為：“3D打印是對舊有加工技術的顛覆，是制造業前所未有的革命，它的出現可以跟蒸汽機、互聯網相提并論。”

3D打印發展之路亟待“開綠燈”

與3D打印技術發展得如火如荼相對應的，是國內所面臨的3D打印設備和材料的大量進口、科技成果轉化率低的尷尬局面。

“不管這個技術是多么的高端，它要真正成為大家心目當中優秀的科技成果的話，就必須實現落地。只有實現了臨床轉化才能體現科學的偉大，將科學用于為廣大人民謀福利，才是我們最終的目的。”戴院士表示，臨床轉化始終是3D打印發展的核心主題，也是國家目前正在積極推動的方向。

讓戴院士既遺憾又著急的問題則是3D打印設備和材料進口比例偏高，雖然國內有不少國產3D打印機，但直接用于生產置入體內的醫療器械時，往往還是采用國外設備。值得欣喜的是，國產設備與材料的應用率正在不斷上升。

“如今國家高度重視3D打印的發展，在該行業傾注了大量的關注和財力，希望我國的3D打印行業能夠走在世界的最前列。應該要為新技術、新設備、新產品‘開綠燈’，但這個‘綠燈’必須開得有科學性、嚴肅性，因為產品的使用對象是病人。”戴院士表示，任何科學技術的改革創新都應一桿子走到底，‘開綠燈’鼓勵國內3D打印行業健康快速發展是必經之路。

據報道，在生物醫學領域，3D打印目前已發展至4D、5D打印。5D打印增加了時間和組織形成兩個變量，活性細胞經過打印后，逐步形成一塊皮膚、一段氣管或者一個臟器。戴院士認為，生物打印是再生醫學發展中解決組織、臟器來源最為可能的途徑，用于再生醫學的前景十分誘人。

人物介紹

戴尅戎，上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院終身教授，中國工程院院士，法國國家醫學科學院外籍通信院士。目前擔任上海交通大學醫學3D打印創新研究中心主任、上海交通大學轉化醫學研究院干細胞與再生醫學轉化基地主任。

先后擔任華裔骨科學會會長、亞太人工關節學會會長、世界多學科生物材料學會副會長、世界內固定（AO）基金會理事等。先后當選美國骨科學會通訊會員，國際髖關節學會正式會員。戴尅戎院士通過醫學與工程學、生物學、材料學的交叉合作，研發新型骨科植入物和新技術，并積極推動3D打印的醫學應用、人工關節與骨再生等基礎研究與臨床技術。

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