自十多年前面世以來，3D打印技術已經作為一種加工方式徹底改變了制造業。不斷增加的成本壓力以及推出創新產品的強烈需求，迫使醫療設備制造商采用3D打印這種手段來減少生產周期。傳統的制造技術是基于減成法，即通過基材的切割或鉆孔來生成所需產品。3D打印則是通過逐層添加材料生成所需產品。因此，這個過程也稱之為“增材制造”。盡管3D打印實際上是增材制造的一個分支，在行業中3D打印也會被稱為增材制造。醫療應用的整個3D打印市場也根據其應用、原材料和技術被分門歸類。
2012年，3D打印醫療應用市場規模達到3億5450萬美元，預計到2019年，將達到9億6550萬美元。據分析，2012年，北美占據了3D打印醫療應用市場的最大份額。然而，在2013年至2019年這段預測期內，預計歐洲將達到15%的最高增長率。這種增長將歸因于政府的資助、各種具有更好技術的企業的兼并和收購以及有利的報銷政策。
這個行業一直需求技術可靠的產品，因此全球3D打印醫療應用市場在近幾年來也一直在增長。3D打印為醫療保健這個行業提供了極好的解決方案，如手術器械、生物工程產品、醫療植入物和手術導板。這些解決方案徹底幫助醫療行業解決復雜的醫療難題。至于其它導致3D打印在醫療應用市場增長的因素則是市場對經濟有效的醫療解決方案有巨大以及迅速的需求。然而，盡管有這些強大的市場驅動力，醫療應用中的3D打印依然面臨著許多挑戰，如原材料的價格波動以及缺乏使用這些設備的專業人士。而在我們更進一步談論3D打印在醫療應用市場的發展前，我們也許該了解一下近年來3D打印在醫療應用中的一些突破。
3D打印讓病人能夠使用自己的細胞生成替代的細胞，甚至是器官。這對醫療保健行業來說有重大的意義，而其潛在的好處也是巨大的，因為這樣能夠消除病人的身體對移植產生排斥的危險。在這個領域中的其中一個先驅，是圣地亞哥Organovo公司的開發組。該公司在2014年1月29日呈遞了其首個3D生物打印肝臟組織的樣本。就像一般3D打印一樣，這種生物技術使用3D打印機逐層打印肝臟細胞和血管內壁細胞，一共打印大約20層，如此這些細胞就形成了一個結實的實體器官，從而起到人體組織的作用。目前，創建人體組織最大的障礙仍然是如何制造出為生命提供氧氣和營養物質運輸的血管系統，因為在組織從打印機上剝離之后，活的細胞體會逐漸死亡。但是，Organovo公司在一定程度上已經克服了血管壁細胞的問題。“我們已經成功的打印出了一個500微米深的迷你肝臟組織，它具備普通肝臟所擁有的將激素、鹽和藥物運送到身體各處蛋白質的功能，并且可以正常存活40天。”Organovo公司商業運作執行副總裁Mike Renard表示。
目前，Organovo公司已經推出3D打印的肝臟 exVive3D™，大小只有幾毫米，卻能夠像真實人體肝臟一樣自行產生蛋白質。
2014年初，哈佛大學Wyss仿生工程研究所的科學家們宣布，他們已經使用多個打印頭和特制的“墨水”創造出復雜的、帶有完整微小血管的生命組織結構。這一成果標志著科學家向著制造可植入的全功能活性組織（或器官），或者用于測試新藥安全性和有效性的活性組織邁出了重要一步。由Jennifer Lewis博士帶領的這個小組，還研發出用內皮細胞組成血管的方法。該技術能讓血管組織有序排列，并通過3D打印技術去組織網絡結構，同時保持血管深處的細胞存活。和生物技術公司Organovo一樣，這只哈佛團隊也在申請用3D打印技術打印出的血管組織進行藥物篩選的實驗。同時這項生物工程得到的血管網絡，還能用于腫瘤的變化以及傷口愈合等醫學研究。打印人體組織以及血管的最終目的是打印出實際可用的器官。
路易斯維爾大學心血管創新研究所的負責人兼科技總監Stuart K Williams博士曾于2013年表示，路易斯維爾大學已經利用細胞打印出了人體心臟心臟瓣膜和小靜脈。并且，他們已經將這些部分在小白鼠和其它小動物身上做了實驗，并取得了成功。心臟移植或者使用人造心臟都會使病人需要吃抗排斥的藥物。然而3D打印技術利用的是病人自身的細胞打造心臟，因此并不會產生排斥反應。Stuart K Williams博士相信如果一切進展順利，打印心臟的臨床實驗有望在十年內進行。而進行這一實驗的首批病人很有可能是那些心臟有缺陷但不適應移植人造心臟的人群，如由于胸腔過小不能移植人工心臟的兒童。
3D打印能夠幫助醫療技術設計師更好地設想身體部位，從而有助于設計相關的設備。3D打印技術能夠定制逼真的模型，與傳統的吹制玻璃方式相比更加精準。如比利時的Materialise公司提供的HeartPrint（心臟打印）服務，為特定病人量身定制的心血管解剖圖提供3D打印服務。與此同時，羅徹斯特大學的研究人員使用3D打印制造了動脈瘤的模型。根據病人的CT數據，我們首先使用MaterialiseNV的Mimics以及3-matic軟件創建出一個動脈瘤患者專用的3D模型，” 羅切斯特大學手術和生物醫學工程副教授Ankur Chandra說到。“下一步，我們使用模擬動脈壁性能的生物精確材料進行打印，然后把模型裝在一個血流動力學模擬器上，使其承受嚴格控制的血流動力學參數，如腔內壓力、血流量和心輸出。”
使用3D打印能定制各種植入物。例如，Oxford Performance Materials可直接利用CT掃描或者MRI文件進行3D打印醫用植入體。這些植入體的材料來自于這家公司自己的OXPEKK-IG聚合物。這項工序可用于制造頭顱、手、腳以及上身肢體中非承重區域的植入體。Oxford Performance Materials通過FDA認證的產品Osteofab更是能夠生成模擬骨頭生長的植入體，比傳統植入體更適合患者。
在過去，外骨骼以及假肢所面臨的主要挑戰是如何讓不同的病人都感到合適與舒適。利用3D打印，能夠更容易為不同病人定制外骨骼與假肢。
例如Ekso Bionics公司，發布了他們有史以來第一套與3D系統共同合作創建的3D打印外骨骼機器人套裝。Amanda Boxtel女士在歐洲的一個活動上展示這款打印設備。Ekso Bionics 掃描了她的大腿、小腿、脊柱，構建了模型，用3D打印技術制造了一副混合動力機械外骨骼。這款設備有背部支架、拐杖和仿生腿。伊利諾伊大學厄巴納－香檳分校的研究人員研制出一款由活體肌肉細胞驅動的行走機器人，它是由生物肌肉和機械部件構成。這種微型肌肉驅動生物機器人是由電流脈沖控制的。伊利諾伊大學生物工程系拉希德-巴希爾(Rashid Bashir)是研究報告負責人，他說：“由肌肉細胞驅動的生物活動性是科學家期望建造任何生物機械裝置的基本要素，我們試著以某種方式將工程原理和生物學結合在一起，從而實現設計研制生物機械裝置和環境醫學應用的系統。”
而這一突破正是因為3D打印才能實現的。最新研制的微型生物機器人體長不足1厘米，是由柔韌3D打印水凝膠材料和活細胞制成。以上七項3D打印的突破對醫療行業有著革命性的影響，更是加強了3D打印發展對現代醫療行業的影響力。下期我們將討論3D打印在醫療領域市場中的發展是如何影響著醫療行業的。
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