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第360期【齐悦读—线上共读—透视新科技】 “齐悦读”[线上共读] 《3D打印骨骼》

2022-05-11 16:47:30 来源: 点击量:
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(通讯员  邓辉)

 

讲座题目:透视新科技——3D打印骨骼

          

主 持 人:陈志峰

做客嘉宾:戴尅戎,中国工程院院士。

          徐  弢,清华大学机械工程系教授。

          

讲座时间:2022年5月9日~5月15日

(备注:讲座视频可循环播放)

 

https://article.xuexi.cn/articles/video/index.html?art_id=12677919122492245982&read_id=c38f901b-1a51-4e6a-9de0-f175f6a03994&ref_read_id=162d3628-3fb3-40de-86b5-55a60c5419ce&reco_id=&mod_id=&cid=&source=share&study_style_id=video_default_id

透视新科技——3D打印骨骼

 

讲座内容:

观众朋友,大家好!欢迎收看《透视新科技》。3D打印我想很多人恐怕都听说过,但是究竟什么是3D打印?听说用3D打印机不仅可以打印出汽车,打印出飞机的零部件,还可以打印出我们人体的骨骼,那么医生们为什么要用3D技术打印骨骼?我们身上的骨骼是不是都可以用3D打印机打印出来呢?今天我们就和嘉宾一起来聊聊这个话题。3D打印是现代制造技术的革命性发明,这一新的技术自20世纪80年代发明以来就迅速得以发展和推广。由于3D打印技术可以根据人们的想法,通过电脑中的设计图就能一次成型打印出真实的物体,所以3D打印技术被认为是能够促成第三次工业革命的新生力量,也一度引发3D打印全球热。三十年来,随着3D打印技术不断发展,它的应用已不再局限在工业制造领域,还进入了医疗领域。我们今天演播室请来的嘉宾是中国工程院院士戴尅戎先生和清华大学机械工程系的徐弢教授,欢迎二位!

一说到3D打印大家都听说过,但是大家真的弄不清楚什么是3D?为什么叫3D打印?3D是指一种形式,就是它是一种三维的、立体的一种结构的一个物体。那么怎么制造出这样一个三维立体的物体呢?这就涉及到3D打印?在介绍这之前,我还(是先)讲传统,咱们老百姓熟知的一些制造方法是通过像用车床、铣床、刨床啊(制造)。传统的工业制造方式,有等材制造和减材制造等材制造,主要是指工件在加工过程中材料不增不减。常见的等材制造有铸造和锻造,铸造是为了获得特定的形状,而把等量的熔化的金属注入模具,并得到所需产品。锻造则是对金属材料进行反复锻压,在材料不增不减的前提下,提高它的性能。等材制造的生产过程一般都要先做出相应的模具,而模具的制造过程是既耗时又费钱。减材制造是利用机械加工的方式,通过对原材料进行镗、铣、切、削,使得材料在逐渐被剔除的过程中达到产品成型的目的。那么现在的方法叫做3D打印,它又是什么意思呢?它是不再用传统的方法把材料去掉,它是通过一层一层堆积叠加来制造成三维形状的一个新型的一个制造方法。

3D打印,它是一种所谓的增材制造,就是在一无所有的一个平台上面一点一点地添加材料。我们要的地方加材料,不要的地方不加,那么这就要通过打印技术,最后形成的一个标本。我想问一个问题,就是这个3D打印的打印机,跟我们平常的打印机是否一样?它有一部分相同,也有很大的一部分不同。因为我们传统办公室用的打印机,它主要是以打平面的,打图片打文字为主,大都是2D的。现在我们要变成3D了,所以我们要在垂直方向,我们要做很多的工作,做很多机械的一些设计上面(的工作)。所以一个最大的不同,就是我们增加了垂直方向的这样的一个(打印)能力。普通打印它是将电脑里的文字或图像信息输送到打印机,打印机控制打印喷头在纸上需要的地方进行打印,一行一行完成文稿或图片的打印,这些普通打印机打印出来的都是平面的。

3D打印技术首先要在电脑里建立一个三维立体的数字模型,并用专门的软件将数字模型分解切片,然后把这些一片一片平面的图像信息传给3D打印机,打印机再用真实的原材料,按顺序一层层打印堆积出立体的实物。所以说3D打印技术是一种增材制造技术,与传统的制造技术相比,3D打印技术最大的优势在于,任何一个复杂结构的物件,转化成平面图之后,通过层层累加便能轻松打印完成,整个制造过程中不需要模具就能快速成型,这既节省时间又降低成本。随着在工业制造上的成功,简单、快速,具有个性化特点的3D打印技术,被很快应用于骨骼打印,那么为什么要用3D打印的技术来打印骨骼?这可能是医学方面的需要。我们需要跟工程师一起商量怎么给病人做一个关节,或者做一个什么假体,那么这个工程师也必须跟医生一样,在他的脑子里有个立体的概念。谁能保证他的脑子里的东西,跟我脑子里的东西是一码事。是。如果不是一回事,那不是白讨论了。是,是。

所以3D打印,就解决了这个问题,我们大家共同的把它一个立体的模型摆到我们两个人当中,然后我们大家一起讨论,讨论应该怎么切,应该怎么弄,然后应该怎么补,而这个在没有3D打印技术之前,是非常困难的。首先一点,我们在一个平面的片子上去看一个肿瘤。譬如说,跟在一个立体的标本上去看一个肿瘤,那完完全全是两回事。比如讲我们现在做个CT或者做个磁共振,大家都有这个经验的,拿来的片子是什么,一个方格,一个方格,一个方格的,那么医生就要在他的脑子里把这些一个个方格的东西叠加起来,然后我的脑子里就浮现出来一个胸腔,一个盆腔。一个立体的。一个膝盖的一个立体的影像。那么现在最早的时候,我们只是用3D打印打了个模型,然后在上面做设计,再模拟做手术,然后做设计,设计完了以后还是机床加工,加工完了再来试,不好的话重做。

人体的206块骨骼,是人体最大的支撑器官,负责支撑身体、保护内脏,同时具有运动功能、代谢功能、造血功能。严重的骨骼损伤之后,只能靠制造骨骼假体进行治疗,3D打印出来的东西在形状和尺寸上都和人体的骨骼,以及周围的其他组织高度一致。对于医生来说,用它来分析设计手术方案就比通过平面的CT(电子计算机断层扫描)片子更加直观、准确。假体的制作非常个性化,不同的人,不同的部位都是独一无二的。而且,在这种骨骼损伤治疗中,对于假体的形状、尺寸要求非常高,而且制造时间越短越好,这就给具有独特优势的3D打印技术提供了用武之地。在不断实践应用中,3D打印技术逐渐被应用到了人体骨骼的直接打印上,以此修复和替换人们受伤的骨骼。那么人工骨骼究竟是如何打印出来的?打印的骨骼与人体自身的有何异同呢?

这个骨骼先要我们要拍出一个断层的照片,一层一层(地把它)这个拍出来,然后每一层的影像经过了一个数学的转换,那么就通过一个打印机,这个打印机把有骨头的地方都打上材料,没有骨头的地方就跳过去了。最后这些材料一层一层堆积起来,那么就变成了一个骨骼,所以这个骨骼,它而且是一个立体的,而平常我们根据它的影像学的东西是两维的,叫平面的。一层一层的照片把它叠加起来,就变成了一个立体的东西。比如打人体的骨骼,它是用什么材料呢?它打出骨骼,跟我们身上原装的骨骼是不是一样?目的,要看目的。我们如果仅仅是要打一个标本,这个标本便于医生和工程师之间的讨论,这个时候是怎么容易成型,就用什么材料,什么材料便宜就用什么材料,你还得给病人节约。因为它毕竟是模型。对,它只是个模型。它也不装进去。对,对,对。所以这个大多数我们都用的,现在什么材料最便宜,各种各样的塑料。那么这个塑料打上去是粉末,但是你浇一层液体,它就凝固在一起了。嗯。对吧,那么或者是它见到光,它也会凝固在一起了,反正有各种方法把塑料的粉打到一定的位置以后,就让它固化在那里。那么一层一层,最后就打出一个立体的东西来了。

这种打印它是在工厂里打印呢?还是在医院里打印?打模型打什么呢?如果你跑到公司去完全是可以的,今后也可能发展成,实际上现在有一些公司,它就专门为顾客打模型。嗯,我不是装到人身上去的,跟你讲清楚,我是打个模型而已。那么,你要我染成红颜色,这个肿瘤就红颜色,你要我染绿颜色,我就染颜色。那么我们还是很重要的,一些重要血管你必须给我染上。嗯。手术当中这个血管绝对不能碰破,如果你无法不碰破,那么你就要请好血管外科的医生,他做好准备给你做血管移植,否则你就下不了台啦,你把主要血管给切断了。所以在这个当中,这个模型的作用,实际上面不是那种我们在橱窗里穿的一件衣服,那种橱窗里的模型,人体模特,它可能比那个要求更高、更精密,这样才行。那么现在我们根据这个标本,把肿瘤或者其他的病变切除以后,那么我们再去装一个东西,那么这个就不能用塑料了,因为塑料它的强度不够,它的耐久力不够,还有一些塑料可以引起身体里面很强烈的反应。所以就要应用,一般都是用金属材料,或者某些特质的特殊的,我们叫PEEK(聚醚醚酮)或之类的,这种塑料的东西,那么也是可以考虑用的。但是主要是用在金属上,这个时候的打印机,就要靠我们徐老师要金属打印机。我们做成假体植入,植入人体里面去,然后它需要的材料就要求会高很多,因为要进入人体要生物安全性相容性要好。

要打金属,那么金属怎么能打?把金属也变成粉末。那么这些粉末打上了,吹口气它就散掉了。那么怎么让它凝结在一起呢?加高热。这个就要上千度了,那么要很高很高的温度,让粉末溶解,黏合在一起。咱们能不能让我们的观众,亲眼目睹看着怎么打印出这一段骨骼来。好的,我们今天把这个打印机也拿到咱们的演播(室)现场。它的制造的基本原理,是我们将组成骨头的基本材料,我们这块是一个可降解的,因为针对小朋友要使用的,小朋友的骨骼要发育要生长,所以我们打的是可降解的一个材料。同时的话我们还在做研究,是把活的细胞,比如说干细胞放到这种支架材料一起来打印,来这样逐层堆积的一个原理,然后可以做成个性化的形状,这是我们今天带到现场给大家展示了,这样一个展示。您像这一段骨骼,它是用具体这段骨骼是用什么材质打印出来的?这段骨骼是两类材质,第一个就是要保证它的一定的强度,我们用了一种这种可降解的高分子的材料,像聚乳酸这类,这一类在咱们的骨骼的修复里面也已经使用过的。第二,我们因为要介入这个活的细胞,所以我们用了像胶原,就是咱们人体里面的主要的一种材料,胶原材料来保护好细胞。像这种材质打印的这种骨骼放在我们身体里,会不会有什么排异或者不良反应?

是这样,这两类材料,就是我们已经在临床上广泛使用,长期安全的材料,这是第一。第二,我们原则上是希望使用病人自体的干细胞,所以它会避免排异的问题,当然这些是在研究当中的,我们在临床上,目前还没到那个阶段,主要在动物实验里面的进行当中。目前植入人体的3D打印人工骨骼一般会用钛合金材料,以及一些其他合金材料。与传统方法的区别是,3D打印的人工骨骼不仅在形状、尺寸上更精确,它还能够在设计上进行优化,在满足受力的情况下制造复杂的多孔结构,这样既能够减轻人造骨骼重量,同时还能保证它有足够的强度。另外,由于是多孔结构周围的神经血管和肌肉,能够和人工骨骼紧密地生长在一起,结合已经成熟的人工关节,可以极大提高骨科手术的成功率。那么到目前为止,这种3D打印技术打印的骨骼,有没有真正地装在人体身上?真正地装了,那么这里面要过很多关,我们实际上面,是在上一个世纪就开始装了,那么是一步一步靠近我们的目标的,就是什么目标?纯3D打印。您能不能给我们具体举个例子。

大家看到了,这是一个女性病人,其实比较瘦小的,但是她有一个非常巨大的肿瘤,这个肿瘤从骨盆一直延伸到她大腿的上端,我们叫股骨的上端全部是肿瘤。也就是说它不但把骨盆侵犯掉了,还跨过一个我们叫髋关节,把关节也侵犯掉了,把股骨的上端也侵犯掉了。所以在这种情况下,你靠一般的X光片子,你去设计一个假体来给它切掉以后装上,说实话差个五厘米、十厘米都有可能的,很难做到精确,我们模拟的一个模型,然后要根据图像的精密的计算,我们必须(保证)切除骨头的部分。譬如讲必须离开肿瘤五厘米以上,那好就这么切下来,切成什么样是什么样。切完了以后,再去按照这个缺损的骨盆,我们去给她做一个人工的一个,一个、半个骨盆或者四分之一个骨盆。就是补充切掉的这部分。补充切掉的一部分,要跟原来一模一样,跟对侧对称,然后装装看行不行。装了行了,然后就要去开刀了,开刀的时候非常重要的是,你怎么保证我开刀的时候切的那条缝是跟你在模型上切的那条缝是一样的,如果不一样,不是明白的装不上。是。所以那就要有一个导板,就是说在你最后确定它怎么切的时候,是直线,是弧线,还是多少角度,全部都弄准了以后,用一个导板量好,然后在手术台上的时候,把导板一(按)顺着导板切,那么切出来的那块东西一定补得上的。

您说导板就我们理解上学用的尺子。对,对。实际就是尺子的功能。对。没有一个病人的尺子是一模一样的,因为它都是根据病人来的。所以这样一来,我们的模型只是针对这个病人的,我们这个导板,只是针对这个肿瘤的。嗯。我们最后装的那个东西也是3D打印的,是针对这个病人而加工的,这叫什么?叫个性化。就是我一百个病人也好,一千个病人也好,每个人都是一个样,那么就要为每一个病人来做到这,专门为他定制。这种个性化非3D(打印)莫属了,所以现在我们给她做了一个,这个模型。在模型上就模拟切除,把它切掉,而且就把导板就设计好了,开刀的时候一定要沿着导板切,不能再变了。那么切掉了以后,我们就给她装上,既装上了骨盆,又装上了大腿的上段,就是股骨的上段全部装好,而且一拍即合。那么手术以后,大家看到这个女孩子,其实她不是女孩子,她也是两个孩子的妈妈了,她弯腰时候两个手手尖可以着地。那很少了不得。她说了一句经典的话,说我现在的功能比戴伯伯好,所以她功能是非常好的,那么她家庭当然是一个现在还拥有一个美满的家庭。

一段骨骼,3D打印的骨骼,如果装在身体内,它使用的寿命是多长时间?有没有一个使用的寿命到期就不行了,就要换或者就要坏了。就是说我们现在用了3D的模型,最早我们就用3D模型,然后做出来一个东西,这东西装到病人身上,这做出来的假体是靠机器加工的,这个因为我们做得早,最长的一例已经38年了。还在用?而且它是一个脚上的一个假体,走路的时候,我们不管从前面看还是从后面看,你不知道哪条腿是开过刀的,达到这样一个水平。那么现在是全部全3D打印,就又打模型,又是装了一个由3D打印的假体装进去,这个现在最长的是15年,所以总的来讲是比较理想的。您说最长的15年,就是到目前为止已经已经15年了。已经15年了,还会继续,也许接下来还有15年,这都没准。有网友问说3D打印技术可以修复牙齿,这事您觉得靠谱吗?靠谱。靠谱。我们正在做的,因为一个是做假牙了,对不对,这个假牙做得跟他缺的牙一模一样,对吧,这是一种。那么其实除了做假牙以外,这个就不得了啊,多少病人呢。您说做假牙,我就想到现在很多医院都在种植牙齿,它种植的这颗牙,就跟原来拔掉的那颗牙完全一样。

应该是这样,种植的牙是种植牙根,就是说本来这个牙长在骨头里的,有的牙是两个根,有的牙是三个根,对吧?对。那么要种进去,那么这一部分,其实因为它不露出来。对,对,对。所以是一个非常高级的螺丝钉。对。那么钻进去以后,拧的上颌骨或者下颌骨外面的那一段,就要可以考虑3D打印,现在跟3D打印,目前立即有大量需求的是一个什么?是牙齿的矫正。我们这个牙齿长出来高,有些孩子他在发育过程当中,牙齿都翘起来了。是。你看有的孩子就有一排金属。说实话我们的国内还没有到这一步,有一些比较先进的国家,这些青年人,出来牙齿这么一张都是整整齐齐的,其实他本来没那么整齐,都是矫正过的。那么怎么矫正的呢?是用钢丝绑好,然后对照他的CT拧,拧得一厉害就痛,所以拧好来。再过几天再来,我再拧,再来要拧个将近一年,那么大概好了。那么很难看,都是金属丝,小孩也很不舒服,那么现在怎么办呢?我们先拍照,然后模型做出来了。现在的牙齿是这样,然后我再做一个是未来的牙齿是什么样,从这一步到这一步排八步,每一步做一个塑料套,一戴,透明的,孩子喜欢没有钢丝了。两个礼拜以后来把这个拿掉,再第二个套,所有的套子套完,牙齿也齐了。这个套是谁怎么做的?3D打印。那么3D打印没有模型,算出来的。

目前在骨科治疗中,作为前期手术设计用的3D打印模型,大多是用塑料材质,真正植入人体的人工骨骼大多还是钛合金材料。虽然在制作上和传统的机械加工相比,3D打印金属骨骼更加方便、快捷、高效。但是目前的3D打印骨骼,采用的材料仅能打印人体中起支撑作用的骨骼,修复四肢和躯干,对于骨骼的特殊功能,比如造血、再生等3D打印技术却无能为力。再上一个层次,就是咱们做活的细胞,这些骨头的材料。刚才,徐老师讲的是一个最先进的,叫做3D生物打印。嗯。就是说3D打的东西,不是死的东西,是活的东西,包括活的细胞和活的胶原或者活的其他的东西。那么一般通俗讲的话,是先要有一个生物墨水,这个墨水里面我们晓得,我们写字的墨水里面有很多碳离子游离在里头,所以写出来是黑的。现在我们游离在里面的不是碳离子,是细胞,悬浮在里面的,所以你把生物墨水往里一打的时候,就把细胞带过去了,那么打在什么地方?当然纸了,这个纸就叫Bio Paper(生物纸)。打在生物纸上,这种生物纸,应该是适合细胞生长的。嗯。

那么打在上面不就对了,所以我可以打不同的细胞。根据你的实际,打不同,打在不同的生物纸上,就构建了一个东西,这些东西细胞要开始不停地发育、扩增,对吧。那么最后变成了一个你想要的东西,那么这个是已经都在应用,当然用的还不是很广泛。我有一个研究生,他就想做生物打印,那么在我们(上海)交通大学材料院里面也有一个博士生,他也想做这方面的工作。这两个年轻人就一拍即合,一个人专门做了一个自己做的生物打印机,一个就做设计,那么最后长话短说,他给一只羊打了一个股骨头,这个股骨头包括了骨性部分和软骨部分。那么到了打好以后,这个前面的故事很多了,最后成功以后,就把专门为这只羊定做的股骨头开刀,把羊的股骨头切掉,换上替它打上的股骨头,然后钉上缝上,最后这羊跑得很好。所以这个给我们一个非常吸引人的远景,这就是再生医学,也包括是生物3D打印的非常重要的一个任务,所以当然现在还是在比较早期的阶段,但是只要我们去努力,就可能能实现这样一个宏伟的目标。

已经有科学家利用活体组织细胞,尝试打印器官。2019年4月,以色列的一个科研团队在实验室里用3D打印机打印出了一颗心脏,打印机所使用的“生物墨水”,以及承载心脏结构的介质,是整个打印过程中最关键的技术,生物墨水通过管子和针头,喷射到小盒子里面的凝胶中,一个小的心脏正在逐渐的成型。以色列科学家通过3D打印技术,制作出来了一颗袖珍心脏,虽然它很小,但是它的结构跟人类心脏基本一样,上面蓝色的部分是血管,里面还有心室和心房,更重要的是它的原始细胞是从患者身上直接提取的,这将有可能解决移植后的排异反应。科学家们说,现在打印一个这样的小心脏,只需要3个半小时。目前他们打印出的心脏虽然有活细胞,细胞也能自主收缩,但所有细胞无法整体同步收缩,这意味着打印心脏还不具备泵血功能。人们希望未来能通过3D打印技术,解决器管移植的问题,然而这条路还很漫长。好,今天两位专家精彩的解说,让我们了解了骨骼的3D打印。感谢戴院士!感谢徐教授!《透视新科技》,下期节目再见

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