北工大陳繼民教授自述：醉心研究3D打印，只因不忘初心

用3D打印技術(shù)助力精準(zhǔn)醫(yī)療，造福于民


    我從博士畢業(yè)留校以來，一直從事激光快速成形技術(shù)的研究，也就是現(xiàn)在的3D打印。最近我們和有關(guān)單位配合，剛剛完成了北京市科委的重大研發(fā)項(xiàng)目，另外的一些項(xiàng)目也有一定的進(jìn)展。

    其中，3D打印輔助腫瘤靶標(biāo)治療的項(xiàng)目今年已驗(yàn)收完畢。在這個(gè)項(xiàng)目上，北京市大概投入經(jīng)費(fèi)800多萬元。我們組織了好幾家有關(guān)醫(yī)療單位和科研院所進(jìn)行聯(lián)合攻關(guān)，研制出腫瘤粒子植入輔助導(dǎo)板用的3D打印設(shè)備以及檢測(cè)設(shè)備，同時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)在幾家醫(yī)院成功地進(jìn)行了臨床試驗(yàn)，取得了國家藥監(jiān)局的醫(yī)療注冊(cè)許可證，為今后將該技術(shù)進(jìn)行推廣奠定了基礎(chǔ)。

    這個(gè)項(xiàng)目的主要內(nèi)容是針對(duì)腫瘤靶標(biāo)植入手術(shù)中，難于定位的問題，利用3D打印技術(shù)打印出輔助手術(shù)的導(dǎo)板。在進(jìn)行腫瘤粒子植入穿刺手術(shù)治療的過程中間，根據(jù)腫瘤的大小和形狀設(shè)計(jì)出不同的醫(yī)療導(dǎo)板，進(jìn)而輔助醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位、精準(zhǔn)治療。避免了以前采用傳統(tǒng)的放療方法中，放射線在殺死腫瘤癌細(xì)胞的同時(shí)對(duì)人體的正常組織造成的巨大傷害。采用這種方式，基本上可以做到定點(diǎn)清除腫瘤癌細(xì)胞。這項(xiàng)技術(shù)在醫(yī)療單位里面經(jīng)過臨床試驗(yàn)取得了比較明顯的效果。

    我們這項(xiàng)成果2016年2月也在美國舊金山召開的國際SPIE大會(huì)上做了邀請(qǐng)報(bào)告，并進(jìn)行了詳細(xì)介紹，得到了與會(huì)各國專家和學(xué)者的好評(píng)。主要是這項(xiàng)技術(shù)花費(fèi)比較少，效果好，不像一般的腫瘤治療需要高昂費(fèi)用。采用這項(xiàng)技術(shù)，可以大大降低手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)，提高手術(shù)的準(zhǔn)確性。這種技術(shù)不僅在穿刺手術(shù)中可以用，也可以推廣到其他需要精確定位手術(shù)中。所以我們也希望能通過媒體作進(jìn)一步的宣傳，在更多的醫(yī)療單位進(jìn)行應(yīng)用，造福于民。

    北工大研究涵蓋整個(gè)3D打印產(chǎn)業(yè)鏈，謀求產(chǎn)業(yè)化

    北京工業(yè)大學(xué)的材料學(xué)科是國家重點(diǎn)學(xué)科，材料方面的研究有非常強(qiáng)的實(shí)力。前不久我國著名的材料專家周廉院士在北京工業(yè)大學(xué)的3D打印材料院士工作室也完成了揭牌，標(biāo)志著我校正式進(jìn)軍3D打印材料領(lǐng)域。目前，北京工業(yè)大學(xué)對(duì)3D打印技術(shù)方面的研究已包括從材料研究、打印設(shè)備到打印工藝以及應(yīng)用等各個(gè)方面，軟件方面也在開展相關(guān)的研究工作，基本上涵蓋了整個(gè)3D打印的產(chǎn)業(yè)鏈。我們希望能夠通過將這些研究成果不斷轉(zhuǎn)化，全面帶動(dòng)和推進(jìn)3D打印技術(shù)在北京市的進(jìn)一步推廣，促進(jìn)北京市3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

    我們按照北京市的統(tǒng)一部署，將3D打印領(lǐng)域的重點(diǎn)放在三個(gè)方面進(jìn)行研究：航空航天、醫(yī)療和文化創(chuàng)意。我校作為北京市市屬唯一的一所211大學(xué)，理應(yīng)通過我們的工作，為北京的3D打印的發(fā)展添磚加瓦，為首都的經(jīng)濟(jì)建設(shè)、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)貢獻(xiàn)一份力量。

    目前，北工大在數(shù)字化醫(yī)療方面取得的一些成績(jī)也是離不開大家的關(guān)心和幫助，我們會(huì)一如既往的努力工作，爭(zhēng)取在未來有更大的突破。下一步主要把工作重點(diǎn)放在推進(jìn)3D打印技術(shù)的應(yīng)用上面。也就是說把研究成果搬出實(shí)驗(yàn)室走向市場(chǎng)。這份工作任重而道遠(yuǎn)，需要方方面面的共同努力才能推進(jìn)�，F(xiàn)在，我們已經(jīng)和很多公司合作。比如說李寧體育運(yùn)動(dòng)科學(xué)研究中心、國家老齡委以及有關(guān)的一些和醫(yī)療器械相關(guān)的公司。目的之一就是希望盡可能將研究成果盡快的推向市場(chǎng)，使更多的人從中受益。此外，我們也積極與北工大校醫(yī)院進(jìn)行合作，開展口腔種植3D打印技術(shù)的應(yīng)用。這樣可以降低我校教職工在口腔種植上的一些花費(fèi)和成本，為廣大教職工謀得一些福利。和國家老齡委合作，根據(jù)行動(dòng)不方便的老人不同要求進(jìn)行個(gè)性化鞋墊的3D打印定制。此外還和國家宇航局的合作等，這些合作很多。我們今后將還會(huì)與所有的有志于3D打印技術(shù)應(yīng)用的單位進(jìn)行密切的合作，把這項(xiàng)技術(shù)盡快的推廣。

    北工大目前除了承擔(dān)北京市科委的一些項(xiàng)目以外，還自主研發(fā)了一些用于3D打印的打印機(jī)，包括基于光固化DLP和光固化SLA的打印機(jī)。此外，我們研制的金屬粉末直接成型的3D打印機(jī)樣機(jī)也已問世。這些研究成果正在和有關(guān)的企業(yè)合作，希望能夠盡快的把設(shè)備產(chǎn)業(yè)化。其中在3D打印治療腫瘤的項(xiàng)目中，我們自主開發(fā)的腫瘤治療導(dǎo)板成型裝備，這個(gè)樣機(jī)目前已經(jīng)完成，下一步主要是如何把它進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化。

    3D打印在醫(yī)療領(lǐng)域的四個(gè)應(yīng)用層次

    關(guān)于3D打印在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用有很多不同的層次，我把它大概分成了4個(gè)層次。第一個(gè)層次相對(duì)簡(jiǎn)單，即打印一些醫(yī)療模型。這些模型根據(jù)CT或核磁共振成像采集的一系列二維圖像數(shù)據(jù)，通過3D建模、打印，得到三維的組織模型。這樣模型更具直觀性，醫(yī)生理應(yīng)這些模型和患者進(jìn)行交流的時(shí)候也更方便。目前這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用沒有任何技術(shù)上的障礙，但是由于涉及到一些費(fèi)用的問題，要在國家物價(jià)部門陸續(xù)出臺(tái)的相關(guān)政策之后，這個(gè)技術(shù)才有可能進(jìn)一步大規(guī)模推廣。

    第二個(gè)層次是定制和打印一些輔助的醫(yī)療器械，比如手術(shù)中的醫(yī)療導(dǎo)板。因?yàn)獒t(yī)生做手術(shù)是千差萬別的，由于病情不同，患者不同，每一臺(tái)手術(shù)都有其獨(dú)特性。醫(yī)生手術(shù)時(shí)希望針對(duì)該手術(shù)使用一些特殊功能的手術(shù)器械。由于這種個(gè)性化定制的手術(shù)器械主要針對(duì)這一臺(tái)手術(shù)，用完之后就報(bào)廢了，由于這種特殊性往往不需批量生產(chǎn)，所以傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式很難滿足。有了3D打印技術(shù)之后，根據(jù)需求定制打印出一些具有特殊功能的手術(shù)器械就很容易實(shí)現(xiàn)，花費(fèi)也能接受，如手術(shù)種植導(dǎo)板以及骨科治療用導(dǎo)板。然而這種應(yīng)用必須要求有醫(yī)學(xué)背景和醫(yī)學(xué)知識(shí)的人來進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣設(shè)計(jì)出的醫(yī)療器械醫(yī)生才覺得好用。

    第三個(gè)層次是個(gè)性化的植入體，用于人體內(nèi)的骨組織修復(fù)等。比如骨骼、關(guān)節(jié)等等。這些還處于臨床的試驗(yàn)階段，國家也會(huì)出臺(tái)一些政策來支持這項(xiàng)技術(shù)在醫(yī)療方面的應(yīng)用。我相信這些方面的應(yīng)用在未來會(huì)逐漸普及。

    第四個(gè)層次，即更高層次的應(yīng)用是生物3D打印。生物3D打印可以打印用于人體的功能性器官，比如心臟、肝臟、腎臟等。因?yàn)槿梭w器官一旦損壞就不能靠自身的生長(zhǎng)修復(fù)，只能靠器官移植。而器官移植受供體少、排異反應(yīng)、配型困難等限制。如果能從患者身上取出一些功能性器官細(xì)胞培養(yǎng)出來，然后再打印出需要的各種器官，這樣就解決了供體和人體排異等問題。目前，這項(xiàng)研究雖然有一些進(jìn)展，但是應(yīng)用到人體還有一段時(shí)間。有人比較樂觀的估計(jì)是十年，也可能更長(zhǎng)的一段時(shí)間。但是不管怎樣，3D打印人體器官在未來很長(zhǎng)一段時(shí)間會(huì)成為3D打印工作者尖端的研究課題。

    3D打印數(shù)字化醫(yī)療將使人類獲益

    我們知道數(shù)字化醫(yī)療和傳統(tǒng)手段不同。所謂數(shù)字化醫(yī)療，就是我們可以通過CT、核磁等數(shù)字化的手段把病灶和需要治療的部分在電腦中完全呈現(xiàn)在醫(yī)生眼前，然后再在電腦中進(jìn)行規(guī)劃和治療。比起傳統(tǒng)的采用經(jīng)驗(yàn)的方式來治療，它可以節(jié)省大量的醫(yī)療資源，同時(shí)治療的精準(zhǔn)性、有效性也將大大的提高。數(shù)字化3D打印在醫(yī)療中的應(yīng)用將會(huì)給醫(yī)療領(lǐng)域帶來極大的變革。有了這項(xiàng)技術(shù)，廣大人民群眾也可以從中獲益。

    以癌癥治療為例，在治療腫瘤的過程中間，其實(shí)現(xiàn)在有很多種方法可以用來殺死癌細(xì)胞。不管放療還是化療以及高溫藥物等都可以將腫瘤殺死。問題在于如何保證殺死癌細(xì)胞的同時(shí)不對(duì)正常人體組織產(chǎn)生影響或降低這種影響，這是比較困難的，原因在于癌細(xì)胞是人體的一部分，無論是藥物還是射線，都無法區(qū)分出正常細(xì)胞和癌細(xì)胞。目前采用3D打印的方法基本上可以做到完全精準(zhǔn)的靶向治療。當(dāng)然，這項(xiàng)技術(shù)還剛剛開始，有許多需要研究的地方，我們也希望和更多的人合作來開發(fā)和完善這項(xiàng)技術(shù)。

    復(fù)合型人才稀缺仍是3D打印醫(yī)療的困擾

    現(xiàn)在，在生物醫(yī)療方面應(yīng)用的主要難題是人才的缺乏。對(duì)于大夫來說，他們專注于怎么樣進(jìn)行手術(shù)和治療病人，而對(duì)如何進(jìn)行設(shè)計(jì)和根據(jù)需要打印出所需的手術(shù)器械或輔助工具比較困難。而一般工程技術(shù)人員由于缺乏一些醫(yī)療方面的知識(shí)設(shè)計(jì)出的東西不好用或是大夫不愿意用。這就需要一種跨界的復(fù)合型人才，既要對(duì)3打印方面有所了解又要對(duì)醫(yī)療方面有一些認(rèn)識(shí)。這樣設(shè)計(jì)出來的不管是模型還是醫(yī)療手術(shù)器械都好用。所以我覺得問題在于缺乏這樣的人才，因此我們北工大也在積極招生和培養(yǎng)3D打印方面的人才，這需要一個(gè)過程。因?yàn)?D打印在醫(yī)療領(lǐng)域有很大的市場(chǎng)空間。我們知道3D打印比較適合制作批量小且個(gè)性化的產(chǎn)品。而在醫(yī)療領(lǐng)域，病人和手術(shù)都具有特殊性。所以3D打印在醫(yī)療領(lǐng)域的市場(chǎng)是極其巨大的，具有非常廣闊的前景。

    我們現(xiàn)在萬里長(zhǎng)征剛剛邁出了第一步，未來還有很多工作要做。無論面對(duì)什么樣困難，我們都會(huì)一如既往。我想就用一句話來結(jié)束：路漫漫其修遠(yuǎn)兮，我將上下而求索。謝謝。



陳繼民教授簡(jiǎn)介

    北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院博士生導(dǎo)師，中國光學(xué)學(xué)會(huì)激光加工專業(yè)委員會(huì)委員，中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)特種加工專業(yè)委員會(huì)理事�！都す馀c光電學(xué)進(jìn)展》雜志編委，國際光學(xué)學(xué)會(huì)SPIE會(huì)員（會(huì)員號(hào)：00664755）。1986年，1989年在華中科技大學(xué)機(jī)械工程系分別獲得學(xué)士學(xué)位和碩士學(xué)位，2000年1-6月在德國從事合作研究，2001年北京工業(yè)大學(xué)光學(xué)工程專業(yè)獲博士學(xué)位。2011年10月-2012年10月在美國紐約州立大學(xué)布法羅分校做訪問學(xué)者。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人承擔(dān)并完成了包括國家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金以及北京教委項(xiàng)目在內(nèi)的多項(xiàng)課題，發(fā)表論文120余篇，其中SCI、EI、ISTP檢索論文50余篇。申報(bào)專利18項(xiàng)（10項(xiàng)獲得授權(quán)），獲得軟件著作6項(xiàng)，獲第16屆全國發(fā)明展金獎(jiǎng)1項(xiàng)，北京市科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，中國產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新獎(jiǎng)1項(xiàng)。研究領(lǐng)域包括：激光加工、激光快速成型、激光三維加工等。