2013年5月底，《新英格兰医学杂志》报道了一则独特的手术：美国俄亥俄州的一名气管有先天缺陷的婴儿，在密歇根州接受了人造气管植入手术。
　　
　　这个名叫凯巴的孩子患有局部支气管软化症，出生后6个星期就出现了呼吸困难的症状。虽然心肺复苏让他暂时保住了性命，但随后的几乎每一天，他都会突然停止呼吸，医生甚至认为他“不能活着出院”。
　　
　　为了挽救他的生命，医生们想到了一个独特的办法：运用3D打印技术，利用热塑性的生物可吸收材料（聚己内酯）为他制造一个“临时”气管。术后7天，凯巴就逐步撤去了对呼吸机的依赖；21天后，他完全摆脱了呼吸机。按照医院的设计，这个人造物体带有一道切口，会随着凯巴的成长而不断涨大。到他3岁左右的时候，这个人造气管会被他的身体所吸收，而那时他的气管已经发育正常。
　　
　　凯巴是世界上第一个3D打印人体器官成功移植的病例。在凯巴成功活过一岁半的时候，密歇根大学公共医疗中心的生物医学工程师大卫?左普福（David A. Zopf）对此评论说：“凯巴的故事表明，高分辨率成像技术、计算机辅助设计与生物材料的3D打印等技术的结合，（其优势在于）可以针对患者的特定解剖条件，创造出独特的可植入设备。”
　　
　　运用3D打印技术制作直接植入人体的人工器官或组织，听起来几乎与魔法无疑，但这项技术投入实用的历史，其实也不算短暂。只是在最近几年，得益于3D打印技术本身的飞速发展，3D打印的原材料不断丰富，才使一些更为新颖的概念，比如直接运用细胞“打印”器官浮上了台面。

　　30年前的3D打印骨骼
　　
　　由于人体器官的结构和功能较为复杂，所以对3D打印人造组织和器官的尝试，就从结构比较单一的骨头开始。这方面的概念，甚至在大约30年前就已经出现。目前，以钛合金为材料的3D打印假骨，已经有了为数不少的成功案例。
　　
　　从2009年开始，北京大学第三医院就在进行运用金属3D打印技术打印人造假骨的研究。到2014年3月底，已经有超过60名患者在签署知情同意书后，植入了这种以金属粉末经3D打印技术制成的人造假骨。这项技术的优势，在于它可以制造出医生所需的任意形状的假骨，而且建模后仅需数个小时就能拿到成品。不仅如此，这些3D打印出的骨骼，预留了可供真正的骨质生长的空隙，随着时间的流逝，人体骨骼（“真骨”）就能和植入物结合起来，促进患者康复。
　　
　　尽管钛合金制成的人造假骨已经比较成熟，但运用其他材料打印人造骨骼的尝试也并未停息。2013年6月，美国麻省理工学院就开发出一种类似人类骨骼的生物材料。这种材料也有类似骨骼的复合结构（胶原蛋白和羟磷灰石），由两种不同的物质交错形成，它的韧性甚至比人骨更强。
　　
　　以3D打印制作人造假骨的技术，还被应用到了人的面部重建当中。在这一领域，最为常见的应用或许是对下颌骨的重建。
　　
　　车祸、打斗、野生动物袭击等意外事故，以及面部肿瘤切除手术，都有可能导致伤员、患者失去自己的下颌骨，进而毁容乃至影响语言和咀嚼功能。对于这一类疾病，传统的手术方案通常是从身体其他部位截下一部分骨头，经过整形修饰后进行移植。但这不仅会造成身体其他部位的新的伤口和骨缺损，而且修复效果并不美观，最终还会影响容貌。
　　
　　但在拥有3D打印技术之后，医生完全可以根据患者之前容貌的照片，设计并打印出新的下颌骨，再将其移植给患者，并在此基础上进行容貌修复。相比于传统的修复手术，3D打印可以提供更符合医生和患者需要的下颌骨的形状。医生甚至能在手术之前，根据患者头骨的现状先打印出3D模型，再设计新的下颌部分，仔细研究手术方案。所有这些技术的加成，便是让患者的容貌能更接近于受伤之前。
　　
　　打印的脸
　　
　　除了修复下颌骨，3D打印技术也可以被用于打印更大体积的面部骨骼，实现更为精确的面部重建。
　　
　　对于从交通事故、生产意外、自然灾害和野生动物袭击等事件中幸存，却遭遇毁容的重伤员来说，进行面部修复手术是必须的。而3D打印技术的应用，为需要接受这一类手术的患者打开了一扇新的门。
　　
　　今年3月，英国人斯蒂芬?帕瓦（Stephen Power）的面部重建手术，就因为运用了3D打印技术而极为成功。斯蒂芬是世界上首位在面部重建的每个部位都使用了3D打印技术的患者，他在此前数月遭遇了一场摩托车事故，导致其颧骨、下巴和鼻子粉碎，以及颅骨断裂。
　　
　　按照此前的面部修复方式，医生只能根据患者过往的照片，对其面部骨骼可能的形态进行一些猜测，再据此进行手术。不过，这样的方法毕竟不够精确，往往导致患者脸部出现可怕的变形。但这一次，接诊斯蒂芬的医生因为3D打印技术而拥有了前人没有的优势。医生首先通过CT扫描，制作出了斯蒂芬头部的3D模型，并据此用医用级别的钛合金在比利时打印了所需的假骨，再拿到英国威尔士的医院进行手术。术后的照片表明，斯蒂芬除了眼角略有些变形外，整个脸部的外观已经与常人大体相同。
　　
　　而在之前的2013年，另一名因肿瘤手术毁容的英国人也得益于3D打印技术“重获新生”。这位名叫艾瑞克?莫杰（Eric Moger）的饭店经理，在2009年因为网球大小的恶性肿瘤失去了整个左脸，包括眼睛、颧骨和下颌骨，只留下一个可怕的巨洞，甚至能直接看到舌头。这种可怖的容貌不仅令艾瑞克无法出门，甚至不能像常人一样喝水。手术之后，他尝试用传统的整形手术修复容貌，却由于接下来的放疗、化疗等流程而失败。
　　
　　到了2013年，3D打印技术的进步，终于使艾瑞克的整形手术能以新的方式进行。医生利用CT和面部扫描技术扫描了艾瑞克的头骨，然后根据扫描的图像在电脑中构建出正常的脸部3D模型，最后利用3D打印技术将模型打印出来。这张新的脸包括了使用钛粉打印的头骨缺失部分，以及附在上面的生物尼龙“皮肉”。在新脸“安装”完成后，艾瑞克终于重新拥有了饮食能力。
　　
　　“制造”器官方兴未艾
　　
　　而在打印人造假骨之外，对打印器官，乃至以干细胞为原料“制造”人工器官的尝试，在近几年也方兴未艾。从2011年至今，关于运用3D打印技术制造人工器官的报道并不鲜见。
　　
　　2011年，美国维克森林大学的安东尼·阿塔拉（Anthony Atala）博士的团队以3D打印制成了肾脏原型。他们使用培养出来的肾脏细胞作为打印材料，一层层将细胞打印在提前设计好的虚拟模型上。第一层是细胞，第二层是水凝胶用来粘合固定细胞。然后一层层重复，直到整个肾脏打印出来。阿塔拉表示，在打印完成之后，这个肾脏原型被放到了培养器当中，提供养分以促进生长。随着时间的流逝，它产生了一些尿样物质，这意味着它已经有了一部分肾脏的功能。他相信，大约在20年之内，人们就有可能移植以3D打印技术制成的肾脏等复杂器官。
　　2013年，美国康奈尔大学运用3D打印技术打印出了一只人类的耳朵。这项实验缘起于一个事实：每年有数以万计的人，因为先天发育缺陷，或者疾病、意外事故失去自己的耳朵。传统的耳朵再植手术是利用肋软骨（整形后）作为耳朵软骨的替代，但是这样做出来的耳朵外观既不美，功能也不是很好。有鉴于此，康奈尔大学的研究团队利用计算机扫描出患者的对侧正常耳朵，然后使用3D打印机打印出对称的耳朵模型，在此模型里注入胶原蛋白，作为软骨生长的支架。由于是遵循一定的形状“长”出来的，这样的耳朵会更为自然、更为美观。
　　同样是在2013年，美国欧甘诺沃（Organovo）生物打印公司运用3D打印技术，打印了约有20层细胞厚度的微型肝脏。虽然这个肝脏仅仅厚0.5毫米，宽4毫米，却具有真正肝脏的许多至关重要功能，比如产生能够运输荷尔素、盐和药物至全身各处的蛋白质。欧甘诺沃公司认为，这种能够存活大约5天时间的微型肝脏，可以用来测试新药物的治疗效果，也为日后打印出与真正肝脏大小相当的人造肝脏，并用于外科手术移植提供了技术储备。
　　而苏格兰研究人员在2013年初发表于《生物制造》杂志的论文，则代表了一种更为进步的趋势：他们首次运用人类胚胎干细胞进行了3D打印。干细胞由早期胚胎发展而来，拥有分化成人体各种细胞的能力。如果能利用人类胚胎干细胞准确构建三维组织和结构，就为人类胚胎干细胞制作人造器官铺平了道路。
　　

　　
　　为手术做条“辅助线”
　　
　　相比于这些打印直接植入人体的“假骨”或者人造器官的应用实例，3D打印在医学中还有一个相对更为常见的领域，那就是为外科手术和癌症放疗提供辅助，让这些治疗手段变得更为精确。
　　
　　今年5月，在全国农业展览馆的全国科技活动周主会场里，北京工业大学的展台上，就展示了使用光敏树脂材料的高速3D打印机，以及大量3D打印应用于医学，让治疗更为精确的实例。
　　
　　“在北京工业大学，对3D打印技术应用于医学的研究，早在2002年就已经开始。”北京工业大学机械工程与应用电子技术学院副教授李彦生说，“这项技术最初被用于颅骨修复手术，通过3D打印的模型，帮助医生打造出更合适的钛合金网。2005年，这项技术正式为一些大医院的外科手术所用。随着技术的发展，特别是光敏树脂的应用，以3D打印技术制作的医疗或手术辅助器材已经越来越多。”
　　
　　这些辅助器材，如同解几何证明题目时的“辅助线”，帮助医生更好地思考，为患者提供更精确的治疗。在颅骨修复、放疗、人工髋关节置换（治疗股骨头坏死）和牙科等领域，都有运用3D打印技术制作的辅助器材在履行职责。
　　
　　打印颅骨“预制”钛网
　　
　　对于车祸和其他一些意外事故的伤员来说，脑袋“开瓢”，也就是颅骨受损是非常常见的。由于颅骨保护着精密而脆弱的大脑，因此颅骨损伤不仅仅是影响美观那么简单，还有可能引起脑萎缩和外伤性癫痫等疾病。
　　
　　在外科手术中，损伤的颅骨往往通过钛合金制成的“钛网”来修补。也就是说，医生会在手术台前用钛合金材料做好一块有弧度而且形状不规则的防护网，贴到颅骨受损的部位，再以钛钉固定，从而承担起这一部分颅骨的功能，保护患者的大脑。
　　
　　然而，钛合金是一种坚硬的、难以加工的材料，因此，等到患者躺上手术台再现场制作钛网，往往会让医护人员手忙脚乱。他们不得不在手术室里，用钳子等各种工具努力将钛合金板弯成合适的形状，甚至需要为了成型而在钛网上剪出很多缺口。即便如此，钛网最后往往仍然是“较着劲”的，甚至需要用数十颗钛钉才能勉强固定在颅骨上。很显然，在这种情况下，患者不仅需要为额外使用的钛钉付费，而且钛网本身的强度已经打了折扣，手术效果也并不美观。
　　
　　但在引入3D打印技术之后，“临时抱佛脚”的难题便迎刃而解。医生可以先对患者的头部进行建模，打印出一个1：1比例的假颅骨，再根据这个模型上的缺损部分，在手术室之外从容地做好合适的钛网。在这种情况下，医生就可以使用一些不方便带入手术室的专业工具，让钛网“一次成型”，而且与颅骨基本严丝合缝。等到钛网“测试”妥当，医生再把它拿进手术室。此时，这片钛网可以很轻松地装上患者的头部，而且只需少许几颗钛钉即可固定，不仅能保证患者的安全，而且比传统方法制作的钛网更加美观。
　　
　　精确“狙击”杀灭肿瘤
　　
　　运用放疗技术治疗癌症患者，往往是一种两难的抉择：使用放疗手段会在杀灭癌细胞的同时杀伤大量正常细胞，令患者痛苦万分、虚弱不堪。为了减少放疗导致的“误伤”，放疗引入了“导向治疗”的概念，也就是将探针刺入肿瘤内部，让放疗直接作用于肿瘤，减少对正常细胞的杀伤。
　　
　　但“说时容易做时难”，这种疗法的关键，在于将十多根乃至几十根探针准确地刺入肿瘤的“核心地带”，可是仅凭经验几乎做不到这一点，医生的“临场发挥”更不可能精确无误。因此，想要精确地刺好每一针，还得依靠3D打印技术来帮忙。
　　
　　在运用探针和放疗“狙杀”肿瘤的技术当中，每一根探针实际上都对应着两个最基本的数据：刺入的角度和刺入的深度。它们共同决定探针是否会刺中肿瘤，并且不会导致误伤。而根据每位患者的情况，制作出能精确确定每一根探针的这两个数据的模具，正是3D打印技术所擅长的。
　　
　　比如说，某个人的鼻腔肿瘤需要进行这样的治疗，那么医生就可以先对病人的脸部进行建模，并且加入肿瘤位置的数据，据此设计好每根探针的位置，或者说每根探针的角度和深度。然后，医生就可以用医用级别的光敏树脂打印出一块导板。不同于颅骨修复手术所用的模型，这块导板使用医用级别光敏树脂制作的原因，就在于它会直接“见血”。
　　
　　在治疗时，这块导板会精确地贴合患者的脸部皮肤。而在患处附近，它又具有若干个为探针设计的不同角度的圆柱“通道”。当医生将探针刺入患者脸部的时候，这些圆柱锁定了探针的角度，而圆柱的高度又决定了探针刺入的深度。这样，即使实际操作探针的医生经验相对不足，也可以有条不紊地刺入每一根探针，很好地完成这次放疗。目前，这项技术正在申领二类医疗器械许可证，以便在更大范围内进行推广，为更多的肿瘤患者带去福音。
　　
　　为种植牙“保驾护航”
　　
　　从利用真实的人牙和马牙、河马牙等材料制成的假牙，到陶瓷或者钛合金制成的种植牙，假牙的历史可谓“源远流长”。作为目前最重要的假牙技术之一，种植牙已经成为很多缺牙者的选择。
　　
　　然而，现在的种植牙手术并不是完美的。种植牙技术的原理，是将牙龈的皮肉切开后，将假牙用钛合金螺丝固定在骨头上，让骨组织与钛合金紧密结合，实现“骨结合”来固定住假牙。但即使是优秀的牙科专家，也无法知道将钛合金螺丝拧到多深才是合适的。
　　
　　为了不引起医疗事故，很多牙医会倾向于在确保固定的情况下，将螺丝拧得浅一些。但这样的种植牙虽然看上去比较美观，却为患者留下了另外一些隐患：种植牙与天然牙齿之间的咬合不够紧密，使它在吃饭的时候基本“使不上劲”。而且，如果患者恰好某一天用这颗种植牙啃咬了坚硬的食物，种植牙还很可能会掉下来或者错位、变形，相当于报废。但传统的种植牙手术过程很痛苦，切开牙龈之后再愈合的时间也比较长，而且费用极为高昂，每颗牙甚至需要万元左右。如果历尽千辛万苦做好的种植牙使用不多久就损坏，显然既会让患者反复“遭罪”，也会带来巨大的经济负担。
　　
　　运用3D打印技术制作的种植牙手术导板，就可以有效弥补传统种植牙手术的缺憾。医生接诊之后，首先对患者的口腔和牙床进行建模，在3D打印出的模型上反复演练，得出最佳的种植方案。
　　
　　不仅如此，医生们还可以运用3D打印技术制成种植牙手术导板，在手术中套在牙齿（牙床）上。这种导板的原理与肿瘤放疗时使用的导板类似，以一条只能让钛合金螺丝通过的狭小“隧道”，准确地锁定种植牙螺丝拧入牙床的角度和深度。由导板提供的精确的控制，会比仅凭经验判断螺丝的深度更为“有的放矢”，医生也不必为担心出事故而“留一手”，可以放心大胆地将螺丝拧到导板限定的位置，确保种植牙足够坚固，实现医生与患者的双赢。

　　“老”手术也有“新”做法
　　
　　即使是对治疗股骨头坏死的人工髋关节置换等在技术上已经成熟的手术，3D打印也有用武之地。它有可能提供高精度的手术模拟，并使更多实习医生或者新入职的医生了解手术的过程。
　　
　　在科技周活动现场，北京工业大学的展台上，就摆放着一组运用3D打印技术制作的人体“零件”。在一具人体骨盆与大腿骨的1：1模型上，股骨头坏死的症状清晰可见。
　　
　　这件模型的功用，就是方便医生制定手术方案，并进行一定的模拟操作。很显然，如果在外科手术之前，根据患者的股骨头坏死程度检查结果制成精确的模型，医生就可以对着模型制定更精确的手术方案，比如从何处下刀，以及准备怎样的人工关节。相比于此前对着文字或平面图像反映出的结果，几乎是凭空想象手术方案，等上了手术台再临时调整的做法，打印一个3D模型显然能带来更精确的治疗。

    (转自《科技生活》周刊，作者：马之恒）