譚如彬 ，李 翠 ，尤 強 ，石 玥 ，喬偉麗 ，孫 紅

（1.徐州醫(yī)科大學,江蘇 徐州 221004；2.蘭州大學管理學院,甘肅 蘭州 730000）

3D打印技術的廣泛應用,使得許多企業(yè)和單位急需這方面的人才。很多高職院校敏銳地捕獲到了市場對人才需求的信息,開設了3D打印技術的相關專業(yè)。就目前情況看,凡是開辦了專業(yè)方向的基本都是掛靠在機械類專業(yè)如模具設計與制造（3D打印技術方向）,這樣沒有一點醫(yī)學背景的人才在醫(yī)學領域的應用就會力不從心,無法滿足醫(yī)學發(fā)展的需要。因此,醫(yī)學院開設3D生物打印專業(yè)迫在眉睫。本文將從以下幾個方面闡述一下醫(yī)學院開設3D生物打印專業(yè)的必要性和可行性。

1 3D生物打印在醫(yī)學中的應用

醫(yī)學院校著力于培養(yǎng)適應國家及區(qū)域醫(yī)藥衛(wèi)生事業(yè)發(fā)展和經濟建設需要的具有職業(yè)素質、實踐能力、國際視野及創(chuàng)新精神的高素質專門人才和高水平創(chuàng)新人才。為達到這樣的目的,我們需要跟隨時代的潮流,順應科技的快速發(fā)展。

3D打印技術（3Dprintingtechnology）是近年來新興的制造技術,它是一種可以將2D圖片運用一些特殊材料,通過逐層打印的方式轉化為3D的模型,是指在計算機控制下,根據物體的計算機輔助設計（CAD）模型或計算機斷層掃描（CT）等數據,通過材料的精確3D堆積,快速制造任意復雜形狀3D物體的新型數字化成型技術[1]。因此,用生物材料進行的3D打印也稱為3D生物打印。3D生物打印在醫(yī)學教育和科研都有廣泛的應用前景[2-3]。

1.1 3D生物打印在醫(yī)學教育中的應用

從古至今,無論是國內還是國外,醫(yī)學教育中解剖學標本尤為珍貴,非常稀缺。在2010年英國研究者Schievano等對死去的胎兒進行核磁掃描,并應用3D打印技術成功制作了從6周到30周胚胎或胎兒及其器官的解剖模型[4],2014年McMenamin等以塑化劑為材料,利用3D打印機成功復制出了人類手的標本[5],豐富了教學資源。Igami等通過3D打印技術,打印出了需要實施手術的肝臟模型[6]。Chapron等通過患者的CT及MRI數據,利用3D打印技術制作出了患者的無差異化心臟形態(tài)學模型[7]。在國內,馬立敏等[8]利用3D打印技術輔助頸椎高位多節(jié)段脊索瘤手術也取得了成功。3D打印技術在醫(yī)學院校教學中也開始應用。自2014年9月起,北京大學第三醫(yī)院心臟外科用3D打印技術制作出典型的心臟病三維立體模型,配合以問題為基礎學習（Problem-BasedLearning,PBL）教學,應用于心臟外科臨床教學和臨床技能培訓中,取得了滿意的教學效果[9]。

從以上的成果來看,3D打印技術可用于制作解剖教具。與傳統解剖教具相比,3D打印技術除可等比例反映人體結構外,還有可縮放的優(yōu)點,人類進化至今,分化出許多細微結構,因結構細小,難以分辨,是傳統形態(tài)學學習的難點,如顱骨因組成和空間結構復雜,是傳統意義上的解剖“死角”,其中尤以骸骨形態(tài)不規(guī)則解剖結構多而成為醫(yī)學教育的難點之一。有研究機構研制了類似的放大模型作為解剖教具,該模型涵蓋了錘骨、半規(guī)管、卵圓窗和圓窗等各種結構,以助于醫(yī)學生對其結構立體的深刻認識。應用3D打印技術能精確、快速地復制并再現稀有形態(tài)學標本,可以反復使用且能顯示人體不同解剖層面。

醫(yī)學是一個需要不斷學習的學科。隨著當今醫(yī)學教育導向從框架性知識結構記憶到PBL教學轉化,現代醫(yī)學教育理念強調個體化和以病人為中心的教學模式?；?D打印技術在醫(yī)學院校的應用,不僅可以彌補解剖標本缺乏的空白,還能更好地服務于學習基礎知識的醫(yī)學生,不僅可對經典病例到罕見臨床情況進行記錄和高度復制,還能為醫(yī)師更好地繼續(xù)學習提供保障,更好地運用醫(yī)學形態(tài)學知識服務于病患。成品的應用空間不僅限于基本知識和技能講授,更可在高級研修培訓中發(fā)揮重要作用[10-11]。

1.2 3D生物打印在醫(yī)學科研中的應用

醫(yī)學是一個不斷更新、不斷發(fā)展的學科,科研的進展大大地影響了醫(yī)學的發(fā)展。因此,無論是醫(yī)學院校還是醫(yī)院都積極地開展科學研究,利用科學研究的結果輔助臨床的治療,同時將科研融入教學中,讓學生早日接觸科研,培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力,使以后培養(yǎng)的醫(yī)學人才更符合創(chuàng)新型國家的發(fā)展需要。而目前3D打印技術也開始應用于醫(yī)學的科學研究中,比如徐銘恩教授帶領的團隊研發(fā)出了國內首款生物3D打印機,這款生物3D打印機是全球首個采用無菌條件打印的生物打印機,其打印出的細胞存活率在90%以上,被國際頂級期刊《Biomaterials》稱之為生物3D打印領域的全球最高水平[12]。2009年開始,北醫(yī)三院骨科開展3D打印骨骼技術,目前已經有近40位自愿者植入了3D打印的鈦合金骨骼,并配合定期追蹤檢查[13]。3D生物打印在牙齒治療中也逐漸被運用。北大口腔醫(yī)院唐志輝等用生物3D打印技術完成補種牙等動物口腔修復。對人來說,這意味著可以定制一顆和之前幾乎一模一樣的牙齒[14]。四川大學華西醫(yī)院再生醫(yī)學研究中心教授康裕建（也是藍光英諾首席執(zhí)行官兼首席科學家）,利用裝滿干細胞（干細胞可以分化為機體的任何一種細胞）的3D打印機打印出約2厘米長的血管樣本,然后將這些血管植入恒河猴的胸腔中,實驗動物術后存活率為100%[15]。然而從這些發(fā)展可以看出以后器官將實現預約定制,按需所“印”,可以滿足患者個性化的需求。目前已有3D打印定制的下頜植入物、矯形外骨骼、定制義肢,3D生物打印膀胱等進行器官復制,3D生物打印外耳及面部重建,3D生物打印皮膚進行燒傷治療,3D生物打印輔助心臟瓣膜置換手術,3D生物打印血管,3D打印氣管,定制醫(yī)學教具及其他植入物等[16]。眾所周知,等待關鍵器官移植的人數與實際可用的捐贈器官數量之間存在巨大的不平衡。而有了3D生物打印技術,患者不必再為了等待移植器官而苦苦煎熬,采用患者自身的細胞避免排異性,就如同有了一個實時的個人器官庫,只要有需求,就可以隨時打印完全符合自身需求的器官[13-14]?；谀壳按罅康男枨筢t(yī)學院校絕對有必要開設3D生物打印專業(yè),為國家培養(yǎng)具有3D生物打印技術的醫(yī)學人才,同時還可以對臨床專業(yè)的醫(yī)學生開設3D打印的選修課,使將來的臨床工作者更符合時代的要求。

2 醫(yī)學對3D生物打印人才的需求以及可行性分析

醫(yī)學有許多基礎課程包括解剖學、組織和胚胎學、病理學、病理生理學等,也是醫(yī)學課程中的重點和難點。由于標本的稀缺,許多知識只能靠學生死記硬背,教師累,學生也累,事倍功半。而3D生物打印正好可以解決教具缺乏的問題。那么既然要滿足各種教具的需求,也相應地需要具有3D生物打印技術且有醫(yī)學背景的人才,2017年我們國家目前有超過138所教育部和省屬醫(yī)學院校,除此之外還有許多醫(yī)學?？茖W校、衛(wèi)生職業(yè)技術學校以及一些民辦的醫(yī)學校等?？梢哉f對于這方面的人才僅僅醫(yī)學校的教師這個崗位就有很大的市場需求。無論是醫(yī)學院校還是醫(yī)院以及一些醫(yī)學或生物學實驗室都急需具有3D生物打印技術且有醫(yī)學背景的人才,因此醫(yī)學院開設3D生物打印專業(yè)迫在眉睫。3D生物打印技術及其產業(yè)化一定會在第三次工業(yè)革命浪潮中扮演越來越重要的角色,中國要在新一輪的產業(yè)競爭中搶得新的先機,必然需要這樣的人才。但是怎么建設3D打印專業(yè)并沒有統一的標準或依據,本文以3D生物打印技術應用于醫(yī)學進行專業(yè)建設為例,從以下幾個方面提出專業(yè)建設的可行性方案。

2.1 3D生物打印專業(yè)的人才培養(yǎng)目標

本專業(yè)培養(yǎng)具備醫(yī)學基礎知識與3D打印技術相結合的基本技能,具備電子技術、計算機技術等有關的基礎理論知識以及醫(yī)學基礎知識與3D打印技術相結合的科學研究能力,能夠適應3D生物打印技術與醫(yī)學發(fā)展的需求的高級應用人才。

通過生物力學、醫(yī)學基礎知識、機電技術與材料科學、三維模型設計的學習,掌握醫(yī)學形態(tài)學與3D打印技術相結合的基本能力,掌握醫(yī)學基本知識和3D生物打印技術的專業(yè)知識,具有初步制作人體標本的能力、3D生物打印設計與應用能力,掌握醫(yī)學形態(tài)學、人體器官的3D打印的基礎知識、基本理論和基本技能。

本專業(yè)作為醫(yī)學最前沿的交叉學科,利用計算機、數學與信息科學技術,進行人體信息提取、整合與分析,指導醫(yī)學科技進展與產業(yè)開發(fā),可以培養(yǎng)既具有扎實的生物醫(yī)學知識,又具有高水平3D生物打印技能,能夠在生物、信息、醫(yī)藥等相關領域從事教學、科研、開發(fā)應用等方面工作的復合型人才。

2.2 3D生物打印技術專業(yè)課程體系構建

在醫(yī)學中主要應用3D生物打印技術來完成醫(yī)學中短缺的標本,符合每名病患需求的生物打印品。因此,在3D生物打印技術專業(yè)課程體系構建過程中,應充分發(fā)掘3D生物打印技術與醫(yī)學專業(yè)的契合點,尋找專業(yè)建設的共同基礎。同時,又必須把握3D生物打印技術專業(yè)核心能力——逆向數據采集及三維建模設計,兼顧制造工藝如3D生物打印制造,開設如三維掃描技術、3D打印技術等課程。由此,構建出的3D生物打印技術專業(yè)課程體系見圖1。

圖1 3D生物打印技術專業(yè)課程體系

2.3 建設3D生物打印實驗室

由于是新開設的專業(yè),因此計劃招生60名學生,分為兩個班,理論課可以合班上課,實驗課分班分組進行。一個小班30名學生可以分為5組,因此為避免資源浪費,購置普通3D打印機5臺,精密的生物打印機1臺。普通3D打印機可以購置桌面級的國產打印機,價格在1萬元左右,使用的材料是塑料。此類型的打印機通用性較強、價格實惠、打印精度大約在0.1mm左右,能夠滿足專業(yè)技術培訓的使用。待學生進行專業(yè)綜合能力訓練時再使用價格昂貴的更精密的3D打印機。

為滿足3D打印需要計算機的輔助,所以機房的建設也必不可少,不過許多醫(yī)學院校由于已有的專業(yè)也涉及計算機,所以都有自己的計算機機房,基本可以滿足3DMAX、Geomgic、UG等軟件的配置。除此以外,還需要一個重要的儀器,即三維掃描儀,目前市場上種類與價格也有不同,有手持式三維掃描儀、拍照式三維掃描儀、激光三維掃描儀等,還有專門的人體三維掃描儀。根據這幾種掃描儀的特點,為了滿足教學的需要,可以購置5臺普通的價格也較低廉的三維掃描儀用于技能培訓,購買一臺人體三維掃描儀用于綜合能力培養(yǎng)。這樣總的成本不會太高,大部分醫(yī)學院校都有能力建設。

2.4 配備3D生物打印專業(yè)的師資力量

新專業(yè)開設還需要配備本專業(yè)的合適師資,需要具有三維建模技術、使用和維護3D打印機設備的技術,同時兼?zhèn)漭^高的設計素養(yǎng)的師資。這樣的師資配備可以通過以下來源：（1）招聘專業(yè)對口或者非常相關專業(yè)的研究生學歷的畢業(yè)生。（2）本校的醫(yī)學信息學的教師,這些教師是相關專業(yè)的教師,可以派出去進行專業(yè)培訓。（3）目前一些大城市的“三甲”醫(yī)院和一些先進的醫(yī)學院校已經有用3D生物打印做科研的醫(yī)生和教師,學?？梢哉堖@些人才作為外聘教師。

3 結語

通過課程體系構建、建設3D生物打印實驗室及師資隊伍的論述,闡明了3D打印技術專業(yè)建設的必要性及可行性。本文中的數據只是建議,主要還是根據醫(yī)學院校的資金力量、師資力量和學校的生活學習配套設施來決定招收多少學生,根據綜合因素計算應該如何建立實驗室。