生物医学 3D 打印的趋势与创新
我们正处于 3D 打印革命之中。3D 打印技术曾仅限于大型研究型大学和财富 500 强企业，如今已日益主流化，2021 年 3D 打印机的出货量达到 220 万台。预计到 2030 年，这一数字将升至 2150 万台，使这项快速原型制造技术走向大众。
从航空航天到建筑业，几乎每个主要行业都在利用 3D 打印技术进行快速且经济高效的制造。在所有拥抱 3D 打印力量的行业中，生物医学工程的应用潜力最为巨大。在本文中，我们将探讨 3D 打印在医疗保健和医学领域的兴起。
一切的起点——3D 打印的历史
1981 年，日本发明家小玉秀男（Hideo Kodama）提交了首个“快速原型制造设备”专利，但这一概念起初似乎注定失败，因为小玉博士在次年便放弃了该专利的融资。然而，这一构想为后续创新提供了催化剂。1984 年，查尔斯·赫尔（Charles Hall）提交了立体光刻（SLA）系统的专利，这是一种至今仍被广泛使用的 3D 打印技术。1988 年，基于这一开创性 SLA 技术的首款商用 3D 打印机问世。
其他关键的 3D 打印技术紧随其后。到 20 世纪 80 年代末，另外两种增材制造设备的专利也已提交：熔融沉积成型（FDM）和选择性激光烧结（SLS）。FDM 的工作原理是一种称为挤出的技术，即喷嘴逐层沉积加热材料以构建 3D 产品。SLS的工作方式则有所不同；该工艺涉及在构建平台上铺设粉末状材料层，随后对 3D 打印产品的每一层进行快速固化（或称“烧结”）。随后，“喷射”（2D 喷墨打印技术的改进版）和槽式光聚合技术也相继出现。
这些技术最初仅限于专利持有者使用。然而，随着这些专利的到期以及RepRap开源概念的发明，新公司如今可以在这一激动人心的领域崭露头角。许多重大突破都发生在生物医学领域，包括开发出首个用于移植手术的 3D 打印器官——膀胱。
如今，用于生物医学应用的 3D 打印正蓬勃发展。2021 年全球生物医学 3D 打印市场规模估计为 14.5 亿美元，预计到 2030 年将升至约62.1 亿美元。为了揭示生物医学 3D 打印的关键趋势，我们分析了来自CAS Content Collection™的数据，这是全球最大的人工标引科学知识库。
3D 打印的技术与材料
3D 打印可分为四大类——粉末床熔融、喷射、挤出和光聚合。由于应用范围广泛，不存在一种“万能”的 3D 打印技术。然而，基于挤出的技术（如 FDM）仍然是生物医学 3D 打印中最受欢迎的类型（图 1）。
从塑料、金属到天然物质，生物医学 3D 打印可利用多种材料。聚己内酯和聚乳酸等合成聚合物是应用最广泛的 3D 打印材料之一（图 2），这归功于它们在微流控和医疗植入物方面的应用。使用最广泛的无机物质是羟基磷灰石，它被用作牙科材料和骨修复的填充物。藻酸盐和透明质酸等多种天然聚合物在生物打印领域也日益受到欢迎。
生物医学 3D 打印的兴起
生物医学 3D 打印应用的期刊和专利年度发表趋势表明，该领域的创新正处于蓬勃发展期，尽管期刊论文数量（约 15,000 篇）远高于专利申请数量（约 5,700 项）（图 3）。这一趋势可能反映了近年来该技术商业化程度的提高。
全球约有 90 个国家发表过关于生物医学 3D 打印应用的研究论文，这表明人们对该技术有着广泛的兴趣。其中，美国和中国处于领先地位，在期刊论文和专利申请数量上均位居前列（图 4 和图 5）。
当我们分析生物医学 3D 打印专利受让人的趋势时，可以发现大多数专利归属于美国公司 3M。其他在专利申请方面表现活跃的国家包括韩国、列支敦士登、法国和中国（图 6）。
生物医学 3D 打印的创新应用
我们已经重点介绍了生物医学 3D 打印的一些关键应用，但其可能性是无限的。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 打印的主要应用领域，目前正在探索构建软骨、肌肉和皮肤等复杂结构。对 CAS 内容合集的分析显示，“组织工程”、“组织支架”和“生物打印”等概念在生物医学 3D 打印的组织和器官相关文献中频繁出现，凸显了这是研究的重点领域（图 7）。
3D 打印技术在药学领域也具有多种潜在应用，有助于实现个性化医疗这一难以企及的目标。利用生物医学 3D 打印，可以修改和微调药物产品的剂量、形状、尺寸和释放特性。
生物医学 3D 打印技术还开辟了制造假体和植入物的新能力，能够制造出符合患者解剖结构、颜色、形状和尺寸的个性化假体。柔性材料为人体部位和功能提供了更多选择，而钛合金等金属可用于骨骼重建。对 CAS 内容合集的分析显示，“假体植入物”、“假体材料”和“牙科植入物”等概念在骨科和假体相关的 3D 打印文献中频繁出现（图 8）。尽管与组织和器官相比，相关文献数量明显较少，但这仍然是一个充满活力且快速发展的领域。
生物医学 3D 打印面临的挑战
尽管我们已经见证了生物医学 3D 打印的许多令人振奋的进展，但在许多领域，该技术仍处于早期阶段。例如，研究人员已经成功生物打印出血管化的心脏补片，但制造出坚固的心脏瓣膜（更不用说全尺寸器官）距离现实还有很长的路要走。目前，3D 打印机还无法制造出具有真实生物力学和功能的组织。生物墨水的进步以及培养基和干细胞的使用，都将有助于这些方法的未来优化。
生物医学 3D 打印的未来
如果目前的科研趋势可以作为参考，我们可以预期生物医学 3D 打印领域将持续获得大量投资和创新。我们预测该技术将得到更广泛的应用，药房使用 3D 打印机的概念正逐渐成为现实。虽然生物医学 3D 打印对医院而言是一项重大的财务投资，但通过合理的规划，其收益远超成本。随着技术的发展，我们需要标准化的术语，并由食品药品监督管理局制定新的监管框架，以确保生物医学 3D 打印产品的安全性和有效性。
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