Dr. Chia-Wei Hsu
Information Scientist
CAS
生物医学3D打印的趋势和创新
我们正处于一场3D打印革命之中。曾经只有主要的研究型大学和财富500强公司可以使用的3D打印技术，现在已经越来越成为主流，2021年3D打印机的出货量为220万台1。到2030年，这个数字将上升到2150万台，将这种快速原型技术带给大众。
从航空航天到建筑业2，似乎每一个主要行业都会利用3D打印技术进行快速和低成本的制造。在所有拥抱3D打印技术的行业中，生物医学工程拥有最大的应用潜力。在本文中，我们将探讨3D打印在医疗保健和医药领域的兴起。
一切是如何开始的——3D打印的历史
1981年，日本发明家Hideo Kodama为“快速成型设备”申请了第一项专利，但这个概念似乎从一开始就注定要失败，第二年，Kodama博士很快就放弃了这项专利融资。然而，这个想法催化了进一步的创新。1984年，Charles Hall申请了立体光固化成型技术(SLA)的专利，这是一种至今仍广泛使用的3D打印技术。1988年，基于突破性的SLA技术，第一台商用3D打印机问世。
其他关键的3D打印技术也紧随其后。到20世纪80年代末3，又有两种类型的增材制造设备申请了专利：熔融沉积成型 (FDM) 技术和选择性激光烧结 (SLS) 技术。FDM的工作原理是一种叫做挤压的技术4，在这种技术中，喷嘴将加热的材料逐层沉积，从而形成3D产品。SLS的工作方式有些不同，该过程包括在构建平台上铺设粉末材料层，然后对3D打印产品的每一层进行快速凝固 (或 “烧结”) 。随后， “喷射” 5(2D喷墨打印技术的改进版本) 和还原光聚合6相继问世。
这些技术最初仅限于专利持有者。然而，随着这些专利的到期和RepRap开源概念的发明3，新公司现在可以在这个令人兴奋的领域扬名。许多最大的突破都出现在生物医学领域，包括开发出第一个用于移植手术的3D打印器官——膀胱3。
如今，3D打印在生物医学领域的应用正在蓬勃发展。2021年，生物医学3D打印的全球市场规模估计为14.5亿美元，预计到2030年将上升到约62.1亿美元。为了揭示生物医学3D打印的关键趋势，我们分析了CAS内容合集TM (CAS Content CollectionTM) 数据，这是由CAS科学家标引的，全球最大的已发表科学知识合集。
3D打印技术与材料
3D打印分为四大类：粉末床融合、喷射、挤压成型和光聚合。由于应用范围的多样化，没有一种“放之四海而皆准”的3D打印技术。然而，基于挤压成型技术，如FDM，仍然是最流行的生物医学3D打印类型 (图1)。
图1: 生物医学应用中不同3D打印技术的出版趋势
从塑料和金属到天然物质，大量的材料都可以用于生物医学3D打印。合成聚合物，如聚己内酯和聚乳酸，是最常用的3D打印材料 (图2)，因为它们在微流体7和医疗植入物8中的应用。应用最广泛的无机物是羟基磷灰石，它被用作牙科材料和骨修复的填充物9。海藻酸盐和透明质酸等各种天然聚合物在生物打印10中越来越受欢迎。
图2: 在关于生物医学3D打印应用的出版物中出现频率最高的30种物质
生物医学3D打印应用的期刊出版数和专利数量的年度趋势表明，该领域的创新正在蓬勃发展，尽管期刊出版物的数量 (约15,000篇) 远高于专利数量 (约5,700项) (图3)。这一趋势可能反映了近年来该技术商业化的增加。
图3: 生物医学3D打印应用的期刊出版数量和专利数量的年度趋势
大约有90个国家和地区发表了关于生物医学3D打印应用的论文，体现了人们对该技术的广泛兴趣。其中，美国和中国遥遥领先，在期刊出版数量和专利数量上都是最多的(图4和图5)。
图4: 生物医学3D打印应用相关期刊出版数量最多的国家和地区。
图5: 生物医学3D打印应用相关的专利数量最多国家和地区
当我们分析生物医学3D打印相关专利的专利权人的趋势时，我们可以看到大多数专利权人是美国3M公司。其他积极公开专利的国家包括韩国、列支敦士登、法国和中国 (图6)。
图6: 生物医学3D打印应用相关的专利的前20名专利权人
生物医学3D打印的创新应用生物医学3D打印的创新应用
我们已经强调了一些关键的生物医学3D打印应用，但可能性是无限的11。从医疗植入物的开发到医疗设备的制造，创新层出不穷。组织和器官工程是3D打印的一个主要应用，并在探索软骨、肌肉和皮肤等复杂结构的制造。对CAS内容合集的分析表明，“组织工程”、“组织支架”和“生物打印”等概念频繁出现在与组织器官相关的生物医学3D打印出版物中，突出表明这是一个重点研究领域 (图7)。
图7: 在生物医学组织/器官3D打印出版物中出现频率最高的30个概念
3D打印技术在制药领域也有一些潜在的应用，可以帮助实现难以达成的个性化医疗目标12。使用生物医学3D打印，可以修改和微调药品的剂量、形状、大小和释放特性。
生物医学3D打印技术在制造义肢和植入物方面也开辟了新的能力，有潜力根据患者的解剖结构、颜色、形状和大小制造个性化的义肢。柔性材料为人体部件和功能提供了更多的选择，而钛合金等金属可以用于骨骼重建13。对CAS内容合集的分析表明，“假体植入物”、“假体材料”和“牙植入物”等概念频繁出现在与骨科和义肢相关的3D打印出版物中 (图8)。尽管与组织和器官的应用相比，3D打印出版物明显较少，但这仍然是一个充满活力和快速增长的领域。
图8: 在骨科/义肢生物医学3D打印出版物中出现频率最高的30个概念
生物医学3D打印面临的挑战
虽然我们已经看到了生物医学3D打印的许多令人兴奋的进展，但在许多领域，该技术仍处于早期阶段。例如，研究人员已经成功地生物打印了血管化的心脏贴片14，但制造一个坚固的心脏瓣膜 (更不用说一个完整的器官) 仍然离现实很远。目前，3D打印机无法制造出真实器官具有的生物力学和功能的组织。生物墨水的进步以及介质和干细胞的使用，都可能有助于在未来优化这些方法。
生物医学3D打印的未来
如果按照目前的研究趋势，我们可以期待生物医学3D打印领域的持续投资和创新。随着3D打印机在药房使用的概念逐渐成为可能，我们预测这项技术将变得更加广泛。虽然生物医学3D打印对医院来说是一项重大的财务投资，但如果规划得当，其收益将远远超过成本。随着技术的发展，需要标准化的术语以及食品和药物管理局定义一个新的监管框架，以确保生物医学3D打印产品的安全性和有效性。
转自：“ACS美国化学会”微信公众号
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