南昌大学医学院 南昌 330006
摘要：近年来，3D 打印技术快速发展，在临床医学领域尤其在与再生重建及肿瘤相关的外科中应用广泛。3D 打印技术可用于制备医学模型及病灶模型，进行手术策划，手术辅助器械和个性化内植入物，生物打印与组织工程等方面。3D打印技术在外科的应用有以下方面：优化手术方案，实现精准化、个性化手术。本综述着重介绍了3D 打印技术在临床外科中的精准应用，并分析目前存在的问题及展望发展前景。
关键词：3D 打印技术；精准；临床外科；生物打印
近年来，3D 打印技术产业发展迅速，已广泛应用于航天、汽车、工业设计、军工、医疗等产业。从1986年第一台商用3D 打印机问世，到2013 年《新英格兰医学杂志》报道的3D打印可降解人造气管植入［1］，提示3D 打印技术已经逐步在临床医学中发挥重要作用。在外科领域，3D 打印技术打印出的物体克服了以往只能在平面屏幕显示的3D 可视化的局限性。3D 生物打印技术的出现使外科医师可更容易地控制手术过程，提高了手术的精准性，从而达到出血量小、并发症少的目的；而且3D 生物打印技术也为外科病人“量身定做”个性化器官组织以取得最好的疗效[2]。
1 3D 打印技术
1.1 3D 打印技术的概念
3D 打印技术（three dimensional printing）是一种采用计算机辅助设计以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术［3］。
1.2 3D 打印技术的原理
其原理是使用喷头喷出黏结剂，选择性地将零件的截面“印刷”在材料粉末上面，最后层层将各个截面黏结起来［4］。3D打印技术与医学的结合堪称医学史上的创造性举动。3D生物打印是指面对生物医学问题的3D打印，即通过软件分层离散和数控成型的方法，用3D打印技术成型生物材料。3D打印技术除了利用金属、陶瓷、树脂外，主要还有高分子材料、生物大分子、细胞等生物材料［5-6］。在生物医学领域，目前3D 打印技术在国际上已开始被应用于器官模型的制造与手术分析策划、个性化组织工程支架材料和假体植入物的制造、细胞或组织打印等方面。目前在医学外科领域应用的3D打印技术主要包括选择性激光烧结技术（SLA）、选区激光融化技术（SLM）、熔融沉积制造（FDM）和三维喷印（3DP）等。
1.3 3D 打印技术特点
任何一项新技术的问世及发展，都有其优势和不足，3D打印技术也不例外。
1.3.1 3D 打印的优势（1）打印精度高。目前上市的主流 3D 打印机精准度基本控制在 0.3 mm 以下，个别精准度较高的可实现 600 dpi 的分辨率，打印厚度只有 0.01 mm。（2）生产 周期短。3D 打印可在数小时内快速精确地将计算机中的数字模型打印出来。（3）满足个性化需求。理论上讲，3D 打印机能打印出计算机设计的任何形状的模型。（4）节省材料。3D 打印因其增材制作的特性在生产中不会产生边角料，通过摒弃生产线降低了成本，提高了材料利用率。
1.3.2 3D 打印的局限性（1）打印精准度受限。3D 打印技术发展到现在，虽然有了很高的精准度，但还不能实现一些特殊精密产品的打印，如照相机镜头等。（2）使用材料范围有限。基于目前3D打印机的成型原理，仅可使用金属粉末、无机粉料、光敏树脂、塑料等，像衣服纤维这样的特殊材料还显得无能为力。（3）打印尺寸受限。3D 打印应用范围虽然广泛，但对军工、航空航天和航海等领域所需要的大尺寸零部件来说暂时还难以实现。
2 3D 打印技术在临床外科医学中的应用
2.1 术前规划：优化手术方案，实现精准化、个性化手术
在过去几十年中医学模型及手术策划医学影像学发展，多排螺旋CT、MＲI、PET、单光子发射计算机断层成像（SPECT）等生成高质量影像资料。影像学数据的3D重建处理技术需要依靠高性能工作站和软件，通过分割工具将目标区域分割，由可视化工具进行渲染、投影及多平面改造重建。目前影像3D重建技术已经广泛应用于血管外科、口腔颌面外科、神经外科等疾病的诊断、术前评估及术式确定［7，8］被分割出的目标区域经过网格化处理后传输到3D打印设备进行打印，3D 打印机可以直接打印出相应的组织器官模型及病灶模型。与传统影像资料相比，实体疾病模型更直观、清晰、立体地显示内部结构，解剖信息更加丰富精准。在术前策划中，医生可以用实体模型对病情诊断分析，制定手术方案，研讨术式及模拟手术过程，使手术更加精确和个性化，更加提高了复杂高难度手术的成功率，缩短手术时间，并使手术过程更加安全精确。Gargiulo 等利用128 排螺旋CT 资料和3D 打印技术制备了复杂颅底肿瘤模型，利用此模型和手术导航系统进行术前策划和风险评估，显著提高了神经外科手术成功率。Sodian 等［9］在冠状动脉搭桥术后利用3D 打印患者心脏及相关血管模型进行主动脉瓣置换术的策划演练和术中对比，成功完成难度很大的心脏外科手术。Paeng 等［10］对一左侧颌骨缺损畸形男孩进行CT分析建模，由实验人员对3D 打印下颌骨模型分析优化，准确显示薄壁结构，制定出颌面骨修补方案。Giovinco 等［11］在夏科足重建术的策划中，利用3D 打印实体足骨模板对植入钢钉进行力学设计，术后患者恢复良好。Igami等［12］在小肝癌诊治中使用3D打印技术，手术顺利完成并获得阴性切缘的良好效果。方驰华等［13］3D打印模型立体显示肝肿瘤和脉管的空间关系，再运用3D腹腔镜行肝切除术，获得了成功。葛宏伟等［14］通过3D打印技术对10例T1期肾肿瘤患者肾脏模型进行不同切面打印，以判断肿瘤浸润范围及与周围肾组织的关系，术中局部所见与术前模型测量结果吻合。
2．2 术中导航：个性化导航模板提高手术精准性
目前3D打印技术广泛在骨科手术导板、助听器、义牙、义肢、正畸和各种内植入物等方面应用。传统骨科手术的螺钉置入需要在电磁或红外线引导下进行，其设备昂贵、操作繁琐、有放射性暴露，利用逆向3D 打印技术使个体化内固定模板与病变实体完全吻合，更加安全准确［15］。Ma 等［16］在远端桡骨畸形截骨术中使用3D 打印塑形导板，对远端尺桡骨畸形和腕部骨折的矫正效果更好。Juergens 等［17］在下颌骨部分切除再造手术中利用3D打印技术设计并制作弧形下颌牵张成骨器，使得移植骨瓣生长良好。付军等利用3D打印技术制备不同材质的骨肿瘤手术导板，在术中更准确地贴附于骨表面，确定肿瘤范围、截骨角度和内植入物固定，避免了手术盲目性并减少透视次数。在心脏外科领域，复旦大学附属中山医院为1例高龄主动脉瓣重度狭窄合并关闭不全患者实 施了经导管主动脉瓣置换术的术前规划与导航，结果显示，患者X线暴露时间比既往缩短一半，造影剂 用量减少1/3，人工瓣膜定位准确、工作正常[21]。
2.3 假体制作：个性化、定制化假体
在个性化假体和植入物方面，需要利用患者自身数据制备的匹配程度高的物体嵌入形状不同的缺损中，并且要求固定和保证应力分布，解剖结构特殊或疾病特异的患者更加需要医疗定制。戴尅戎等［18］运用3D打印技术在骨盆模型上设计人工半骨盆假体，保证了与股骨的精确匹配。He 等［19］运用3D打印技术在陶瓷和钛铝合金复合材料制作符合个性化半膝关节，并在陶瓷结构内附着微管道用于辅助降解和成骨，解决了全膝关节置换导致青少年腿部发育延缓的难题。3D打印人工定制枢椎用于恶性肿瘤手术治疗，是3D打印技术在全球脊柱外科的首例应用，为了这一刻的到来，刘忠军团队已在3D打印脊柱植入物领域探索、研究了4年，相关研究成果已发表在世界权威的杂志［20］。3D技术打印的义齿修复牙套使得牙冠修复时间由7天缩短到1小时，带来一场金属3D打印口腔修复革命［21］。Kozakiewicz 等［22］运用3D打印技术钛合金内植物修复眶底骨折，取得良好的固定效果和适配度。比利时Hasselt 大学完成了首例人工全下颌置换术，术后患者恢复大部分说话、吞咽功能［23］，该人工下颌是基于MＲI 数据，利用纯钛粉末用高能激光烧结融铸形成，并在表面增加防止免疫排斥的生物陶瓷。美国一名医生将3D 打印气管应用于先天性呼吸缺陷婴儿，并且几年后人造气管自行降解［24］，不会影响患儿自身气管的发育和功能。以上研究说明3D打印技术已经开始用于人体器官移植。
2．4 生物打印与组织工程
关于生物打印组织器官的研究尚处于发展阶段，3D 打印技术目前已适用于打印细胞、组织工程支架、细胞活性因子等。英国学者开发出双喷嘴打印机，两个“墨盒”分别装人体胚胎干细胞和培养基，通过精准控制墨水流量和打印速度，用于打印人体胚胎干细胞，结果显示打印过程并不杀死细胞。美国Organovo生物技术公司成功打印出微型肝脏，是通过逐层打印20 层肝脏细胞和血管内皮细胞实现的，这种微型肝脏有肝脏的部分生物功能，能合成白蛋白和胆固醇。Ormiston 等［25］已经将3D 打印可吸收冠状动脉支架用于人体，Wake Forest 再生医学研究所也打印出具有一定功能的肾脏原型，而国外处于实验性阶段打印的还有膝软骨、心脏瓣膜等。
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目前3D生物打印技术主要包括以下六个步骤：第一步，用CT、MＲI等影像学技术采集受损组织器官的解剖形态及周围环境的数据；第二步，用生物拟态、自身装配、自身组织这三种方法［26］进行组织设计；第三步，选取天然或人工合成多聚体材料用于制造组织器官的“支架”，例如生物可降解水凝胶、多孔组织工程支架等；第四步，选择合适的细胞来源，如多能干细胞、自体已分化细胞等；第五步，利用3D生物喷墨、纤维挤压成型、激光辅助细胞打印技术等方法将选择好的细胞植入该支架的指定位置［27］；第六步，待组织器官成熟后进行体外功能试验，并应用于临床移植。理想的生物打印材料需要具有黏度及流变学合适的可打印性，不发生排斥反应的生物相容性，降解动力学性质与组织相匹配而降解产物无毒、密度合适的结构和机械动力性。
3 目前存在的问题及前景展望
目前我国部分3D打印技术已达到国际前沿水平，但其应用于临床的情况相对滞后，这与我国科研工作缺乏对临床实践的重视及监管机构对３D打印产品审批过程缓慢有一定关系，加之对于普通医疗机构，将３Ｄ打印技术广泛应用于临床、服务于大众与缺乏专业技术人员、打印设备及模型制作费用息息相关的，需要一个漫长的过程，再加上缺乏大样本数据支持与评价等。目前存在一些亟待解决的问题：第一，打印材料问题，目前3D打印技术使用金属、陶瓷、塑料等材料，但是这些材料都有各自缺点，生物相容性不足。而且3D打印植入物缺乏生物力学实验支持，机械韧性、耐久度、强度等并没有科学系统评价。第二，安全性问题，目前没有关于生物3D打印机技术工艺的行业标准出台，不属于注册的医疗器械，导致了临床应用的安全隐患。第三，隐私及伦理问题。第四，3D打印技术在组织工程研究中还存在很多问题。例如，如何使细胞更加精准地排列、定位于生物支架，并构建营养血管通道，喷墨打印中热能和流体力学对细胞活性的影响，如何使纳米生物材料降解速率与患者组织生长速率匹配等。
３Ｄ打印这一新兴的快速成型技术正日趋成熟，介于其具有高分辨率、能进行个体化设 置、构建模型具有高保真度等优点，可以根据手术患者的具体情况提出个性化治疗方案、进行模拟手术、定制个性化手术辅助器械或组织工程材料等，相比传统的仅仅依靠影像学图像能起到缩短手术时间、减少术中出血、降低手术风险、提高患者术后恢复的作用。随着影像学、生物工程、生物材料等学科的发展和交叉学科的兴起，相信在不久的将来，3D 打印技术能做到高效、高精准、低成本，而且对于特定患者定制个性化植入物甚至组织器官都有可能，相信通过专家和学者的不懈努力，最终实现以人自身细胞为原料，３D打印构建高度仿真且具有全部生理功能的人造器官，继而取代人源器 官进行器官移植的构想将不再是梦。
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通讯作者简介：陈艰 男 1968年9月 江西南昌人 教授主任医师 博士研究生 单位：江西省人民医院（心胸外科） 方向：心胸外科
论文作者:韩溢洪,陈艰
论文发表刊物:《健康世界》2016年第15期
论文发表时间:2016/9/1
标签：技术论文; 手术论文; 生物论文; 模型论文; 外科论文; 组织论文; 材料论文; 《健康世界》2016年第15期论文;