我們正處于一場3D打印革命之中。曾經(jīng)只有主要的研究型大學(xué)和財富500強公司可以使用的3D打印技術(shù)，現(xiàn)在已經(jīng)越來越成為主流，2021年3D打印機的出貨量為220萬臺 ¹ 。到2030年，這個數(shù)字將上升到2150萬臺，將這種快速原型技術(shù)帶給大眾。

從航空航天到建筑業(yè) ² ，似乎每一個主要行業(yè)都會利用3D打印技術(shù)進行快速和低成本的制造。在所有擁抱3D打印技術(shù)的行業(yè)中，生物醫(yī)學(xué)工程擁有最大的應(yīng)用潛力。在本文中，我們將探討3D打印在醫(yī)療保健和醫(yī)藥領(lǐng)域的興起。

1981年，日本發(fā)明家Hideo Kodama為“快速成型設(shè)備”申請了第一項專利，但這個概念似乎從一開始就注定要失敗，第二年，Kodama博士很快就放棄了這項專利融資。然而，這個想法催化了進一步的創(chuàng)新。1984年，Charles Hall申請了立體光固化成型技術(shù)(SLA)的專利，這是一種至今仍廣泛使用的3D打印技術(shù)。1988年，基于突破性的SLA技術(shù)，第一臺商用3D打印機問世。

其他關(guān)鍵的3D打印技術(shù)也緊隨其后。到20世紀(jì)80年代末 ³ ，又有兩種類型的增材制造設(shè)備申請了專利：熔融沉積成型 (FDM) 技術(shù)和選擇性激光燒結(jié)  (SLS) 技術(shù)。FDM的工作原理是一種叫做擠壓的技術(shù) ⁴ ，在這種技術(shù)中，噴嘴將加熱的材料逐層沉積，從而形成3D產(chǎn)品。SLS的工作方式有些不同，該過程包括在構(gòu)建平臺上鋪設(shè)粉末材料層，然后對3D打印產(chǎn)品的每一層進行快速凝固 (或 “燒結(jié)”) 。隨后， “噴射” ⁵ (2D噴墨打印技術(shù)的改進版本) 和還原光聚合 ⁶ 相繼問世。

這些技術(shù)最初僅限于專利持有者。然而，隨著這些專利的到期和RepRap開源概念的發(fā)明 ³ ，新公司現(xiàn)在可以在這個令人興奮的領(lǐng)域揚名。許多最大的突破都出現(xiàn)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，包括開發(fā)出第一個用于移植手術(shù)的3D打印器官——膀胱 ³ 。

如今，3D打印在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用正在蓬勃發(fā)展。2021年，生物醫(yī)學(xué)3D打印的全球市場規(guī)模估計為14.5億美元，預(yù)計到2030年將上升到約62.1億美元。為了揭示生物醫(yī)學(xué)3D打印的關(guān)鍵趨勢，我們分析了CAS內(nèi)容合集 ^TM (CAS Content Collection ^TM ) 數(shù)據(jù)，這是由CAS科學(xué)家標(biāo)引的，全球最大的已發(fā)表科學(xué)知識合集。

3D打印分為四大類：粉末床融合、噴射、擠壓成型和光聚合。由于應(yīng)用范圍的多樣化，沒有一種“放之四海而皆準(zhǔn)”的3D打印技術(shù)。然而，基于擠壓成型技術(shù)，如FDM，仍然是最流行的生物醫(yī)學(xué)3D打印類型 (圖1)。

圖1: 生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中不同3D打印技術(shù)的出版趨勢

從塑料和金屬到天然物質(zhì)，大量的材料都可以用于生物醫(yī)學(xué)3D打印。合成聚合物，如聚己內(nèi)酯和聚乳酸，是最常用的3D打印材料 (圖2)，因為它們在微流體 ⁷ 和醫(yī)療植入物 ⁸ 中的應(yīng)用。應(yīng)用最廣泛的無機物是羥基磷灰石，它被用作牙科材料和骨修復(fù)的填充物 ⁹ 。海藻酸鹽和透明質(zhì)酸等各種天然聚合物在生物打印 ¹⁰ 中越來越受歡迎。

圖2: 在關(guān)于生物醫(yī)學(xué)3D打印應(yīng)用的出版物中出現(xiàn)頻率最高的30種物質(zhì)

生物醫(yī)學(xué)3D打印應(yīng)用的期刊出版數(shù)和專利數(shù)量的年度趨勢表明，該領(lǐng)域的創(chuàng)新正在蓬勃發(fā)展，盡管期刊出版物的數(shù)量 (約15,000篇) 遠(yuǎn)高于專利數(shù)量 (約5,700項) (圖3)。這一趨勢可能反映了近年來該技術(shù)商業(yè)化的增加。

圖3: 生物醫(yī)學(xué)3D打印應(yīng)用的期刊出版數(shù)量和專利數(shù)量的年度趨勢

大約有90個國家和地區(qū)發(fā)表了關(guān)于生物醫(yī)學(xué)3D打印應(yīng)用的論文，體現(xiàn)了人們對該技術(shù)的廣泛興趣。其中，美國和中國遙遙領(lǐng)先，在期刊出版數(shù)量和專利數(shù)量上都是最多的(圖4和圖5)。

圖4: 生物醫(yī)學(xué)3D打印應(yīng)用相關(guān)期刊出版數(shù)量最多的國家和地區(qū)。

圖5: 生物醫(yī)學(xué)3D打印應(yīng)用相關(guān)的專利數(shù)量最多國家和地區(qū)

當(dāng)我們分析生物醫(yī)學(xué)3D打印相關(guān)專利的專利權(quán)人的趨勢時，我們可以看到大多數(shù)專利權(quán)人是美國3M公司。其他積極公開專利的國家包括韓國、列支敦士登、法國和中國 (圖6)。

圖6: 生物醫(yī)學(xué)3D打印應(yīng)用相關(guān)的專利的前20名專利權(quán)人

我們已經(jīng)強調(diào)了一些關(guān)鍵的生物醫(yī)學(xué)3D打印應(yīng)用，但可能性是無限的 ¹¹ 。從醫(yī)療植入物的開發(fā)到醫(yī)療設(shè)備的制造，創(chuàng)新層出不窮。組織和器官工程是3D打印的一個主要應(yīng)用，并在探索軟骨、肌肉和皮膚等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造。對CAS內(nèi)容合集的分析表明，“組織工程”、“組織支架”和“生物打印”等概念頻繁出現(xiàn)在與組織器官相關(guān)的生物醫(yī)學(xué)3D打印出版物中，突出表明這是一個重點研究領(lǐng)域 (圖7)。

圖7: 在生物醫(yī)學(xué)組織/器官3D打印出版物中出現(xiàn)頻率最高的30個概念

3D打印技術(shù)在制藥領(lǐng)域也有一些潛在的應(yīng)用，可以幫助實現(xiàn)難以達(dá)成的個性化醫(yī)療目標(biāo) ¹² 。使用生物醫(yī)學(xué)3D打印，可以修改和微調(diào)藥品的劑量、形狀、大小和釋放特性。

生物醫(yī)學(xué)3D打印技術(shù)在制造義肢和植入物方面也開辟了新的能力，有潛力根據(jù)患者的解剖結(jié)構(gòu)、顏色、形狀和大小制造個性化的義肢。柔性材料為人體部件和功能提供了更多的選擇，而鈦合金等金屬可以用于骨骼重建 ¹³ 。對CAS內(nèi)容合集的分析表明，“假體植入物”、“假體材料”和“牙植入物”等概念頻繁出現(xiàn)在與骨科和義肢相關(guān)的3D打印出版物中 (圖8)。盡管與組織和器官的應(yīng)用相比，3D打印出版物明顯較少，但這仍然是一個充滿活力和快速增長的領(lǐng)域。

圖8: 在骨科/義肢生物醫(yī)學(xué)3D打印出版物中出現(xiàn)頻率最高的30個概念

雖然我們已經(jīng)看到了生物醫(yī)學(xué)3D打印的許多令人興奮的進展，但在許多領(lǐng)域，該技術(shù)仍處于早期階段。例如，研究人員已經(jīng)成功地生物打印了血管化的心臟貼片 ¹⁴ ，但制造一個堅固的心臟瓣膜 (更不用說一個完整的器官) 仍然離現(xiàn)實很遠(yuǎn)。目前，3D打印機無法制造出真實器官具有的生物力學(xué)和功能的組織。生物墨水的進步以及介質(zhì)和干細(xì)胞的使用，都可能有助于在未來優(yōu)化這些方法。

如果按照目前的研究趨勢，我們可以期待生物醫(yī)學(xué)3D打印領(lǐng)域的持續(xù)投資和創(chuàng)新。隨著3D打印機在藥房使用的概念逐漸成為可能，我們預(yù)測這項技術(shù)將變得更加廣泛。雖然生物醫(yī)學(xué)3D打印對醫(yī)院來說是一項重大的財務(wù)投資，但如果規(guī)劃得當(dāng)，其收益將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過成本。隨著技術(shù)的發(fā)展，需要標(biāo)準(zhǔn)化的術(shù)語以及食品和藥物管理局定義一個新的監(jiān)管框架，以確保生物醫(yī)學(xué)3D打印產(chǎn)品的安全性和有效性。

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