3D打印技術(shù)在整形外科領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展

王成龍, 呂長勝

綜 述

3D打印技術(shù)在整形外科領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展

王成龍, 呂長勝

3D打印； 整形外科； 術(shù)前模擬； 個(gè)性化假體； 組織再生

3D打印是利用三維模型數(shù)據(jù)逐層堆積，快速制造三維實(shí)體模型的工程技術(shù)，是當(dāng)今數(shù)字化醫(yī)學(xué)技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一。近年來，3D打印技術(shù)逐漸被引入整形外科領(lǐng)域，并展現(xiàn)出誘人的前景。筆者通過復(fù)習(xí)國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，就3D打印技術(shù)原理、術(shù)前模擬、假體制作、整形外科醫(yī)師培養(yǎng)及組織器官再生等方面的應(yīng)用作一綜述，以期整形外科醫(yī)師對這一新技術(shù)有一定認(rèn)識。

1 3D打印技術(shù)概況

三維打印技術(shù)(3 dimensional printing technology， 3DP)，也被稱之為增材制造(additive manufacturing)、快速成型(rapid prototyping， RP)或?qū)嶓w自由成型技術(shù)(soild-free form technology)[1],是一種以三維模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用激光、數(shù)控技術(shù)將原材料逐層精確堆積，在不依賴傳統(tǒng)模具的情況下，快速制造出任意形狀而又具有一定功能的三維實(shí)體模型的工程技術(shù)[2]。3DP誕生于20世紀(jì)80年代，美國3D SYSTEMS公司的CW Hull首次提出了這一概念，并于1986年獲得光固化成型(stereolithography, SLA?)技術(shù)專利[3]。正是因?yàn)镃W Hull的貢獻(xiàn)，以及1990年Crump[4]發(fā)明的熔融沉積技術(shù)(fused deposition modeling, FDM)，使3D打印引發(fā)了制造和研究領(lǐng)域的革新。目前，3D打印技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空、汽車制造、軍事等工業(yè)領(lǐng)域制作預(yù)期產(chǎn)品的“雛形”，使得產(chǎn)品在最終生產(chǎn)之前進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)[5]。近年來，3D打印技術(shù)與整形外科聯(lián)系日趨緊密，為整形外科的發(fā)展注入了新的生機(jī)，是當(dāng)今數(shù)字化醫(yī)學(xué)技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。

2 常用3D打印技術(shù)的分類及原理

目前常用的3D打印技術(shù)，依據(jù)其制造方法可分為：⑴光固化成型(stereolithography, SLA):也稱光造型或立體光刻，是最早出現(xiàn)，也是目前研究最多且技術(shù)上最為成熟的一種3D打印技術(shù)，由美國CW Hull于1984年獲得該技術(shù)專利[3]。該工藝基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作。SLA技術(shù)具有高精度、性能穩(wěn)定、產(chǎn)品力學(xué)強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)主要是在成型產(chǎn)品后的處理過程中需要清洗去除雜質(zhì)，由此可能會造成產(chǎn)品變形。⑵選擇性激光燒結(jié)(selective laser sintering, SLS)。由美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校Beaman和Deckard于1989年研制成功[6]。其采用高能量激光束，按照計(jì)算機(jī)指定路徑掃描，使工作臺上的粉末材料(塑料粉、陶瓷與粘結(jié)劑混合粉、金屬與粘結(jié)劑的混合粉等)熔融、粘結(jié)、固化。SLS技術(shù)具有加工速度快，造型精度高(每層最小厚度可達(dá)0.07 mm)和無須使用支撐材料等優(yōu)點(diǎn)。但缺點(diǎn)是成型產(chǎn)品的表面較粗糙，需后處理，同時(shí)在加工過程中會產(chǎn)生粉塵和有毒氣體。⑶分層實(shí)體制造(laminated object manufacturing, LOM)。由Feygin等[7]提出，以熱敏感類箔料，如紙、塑料、金屬等為成型材料，激光器分層切割累積塑形。LOM技術(shù)適用于體積較大的實(shí)體制作，而且成本與其他技術(shù)相比較低。但是，其制作過程須掌控適宜的局部溫度，同時(shí)其所能利用的熱敏原材料種類有限。⑷熔融沉積(fused deposition modeling, FDM)。由Crump[4]提出，是當(dāng)今最為廣泛使用的3D打印技術(shù)之一。采用熱熔噴頭，使熔融狀態(tài)的材料根據(jù)計(jì)算機(jī)所控制的軌跡擠出、沉積，并凝固成型，經(jīng)過逐層沉積、凝固，最后出去支撐材料，得到所需產(chǎn)品。FDM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于材料利用率高，產(chǎn)品表面質(zhì)量好，過程無環(huán)境污染等；但是其缺點(diǎn)是需要較高的操作溫度且生產(chǎn)速度較慢。⑸噴墨打印。其概念由Lord Rayleigh在1878年首先提出[1]。1951年西門子公司獲得了第一個(gè)2D打印機(jī)的專利。3D噴墨打印主要是在基底表面鋪上薄層粉末原料，然后通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(computer aided design, CAD)模型控制噴頭，按照指定路徑將液態(tài)粘結(jié)劑噴在粉末指定區(qū)域，該層粉末粘結(jié)后，可上下移動操作臺，并在粘結(jié)層表面鋪上新的粉末原料，再通過逐層粘結(jié)，獲得三維實(shí)體[8]。該技術(shù)具有操作簡便，制備條件溫和，產(chǎn)品具有高孔隙率等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)在于產(chǎn)品力學(xué)強(qiáng)度較低，只能使用粉末原料等。

3 3D打印的一般過程

3.1 三維數(shù)據(jù)的采集 三維數(shù)據(jù)的采集是決定3D打印實(shí)體質(zhì)量好壞的關(guān)鍵一步。目前，醫(yī)學(xué)領(lǐng)域三維數(shù)據(jù)的采集方式主要有CT、 MRI、激光掃描技術(shù)等；數(shù)據(jù)輸出一般為DICOM格式。

3.2 數(shù)據(jù)后期處理 上一步中獲得的DICOM格式的數(shù)據(jù)需要專用的三維建模軟件進(jìn)一步處理，形成三維模型數(shù)據(jù)。三維重建模型數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)自動轉(zhuǎn)換為3D三角網(wǎng)格，三角網(wǎng)格越多，重建模型越精細(xì)，平面越光滑[9]。最后，數(shù)據(jù)以3D打印機(jī)所識別的數(shù)據(jù)格式----STL(surface tesselation language)格式，輸送到3D打印機(jī)。3.3 3D模型的打印 3D打印機(jī)是將原材料通過逐層連續(xù)疊加形成所需要的3D實(shí)體。層與層之間都與三維模型數(shù)據(jù)中截面有對應(yīng)關(guān)系，從而得以精確打印。因此，3D打印的首要優(yōu)勢在于，其幾乎可以制造出任何復(fù)雜幾何形態(tài)的三維實(shí)體。

4 整形外科領(lǐng)域的應(yīng)用

整形外科是一門建立在交叉學(xué)科基礎(chǔ)上的臨床學(xué)科，與其他外科不同，整形外科更加重視外形的改進(jìn)與修復(fù)，有時(shí)甚至可以說改善外形是手術(shù)的唯一目的。此外，整形外科在疾病診治中需要對一些復(fù)雜、精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理(如血管等軟組織形態(tài)結(jié)構(gòu)的三維重建，顱面骨骼三維結(jié)構(gòu)的定位、移動、重建等)，以達(dá)到降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的目的。目前，3D打印技術(shù)主要側(cè)重于實(shí)體形態(tài)制作，因其具有速度快、精度高、可操作性強(qiáng)的特點(diǎn)，很大程度上滿足了整形外科的需要，為解決學(xué)科難題提供了新思路。

1992年，Stoker等[10]將3D打印模型用于顱頜面手術(shù)的術(shù)前模擬，首次將3D打印技術(shù)應(yīng)用于整形外科。近年來，隨著與3D打印技術(shù)相配套系統(tǒng)的不斷完善，該技術(shù)的應(yīng)用引發(fā)了整形外科領(lǐng)域的巨大變革，主要體現(xiàn)以下4個(gè)方面。

4.1 術(shù)前準(zhǔn)備和三維手術(shù)模擬 將3D打印用于術(shù)前準(zhǔn)備，主要目的有：⑴針對疾病，選擇最佳干預(yù)措施；⑵評估手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)；⑶術(shù)前明確病變與周圍正常組織的關(guān)系，從而選擇損傷最小的手術(shù)方案；⑷術(shù)前體外模擬手術(shù)操作。

整形外科在診療過程中，由于許多非體表疾病難以直觀顯現(xiàn)，因此，需要借助影像學(xué)等輔助檢查手段，但即便是三維CT重建，因受到色彩、空間、分辨率等因素限制，對病變細(xì)節(jié)仍難以準(zhǔn)確把握。一項(xiàng)前瞻性試驗(yàn)曾對3D打印模型的精確性及效果進(jìn)行了評估，結(jié)果表明，三維打印模型的診斷與傳統(tǒng)影像學(xué)診斷相比，手術(shù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性提高38.12%，診斷正確率提高了29.60%，測量誤差減少了36.23%[11]。

由于顱頜面部具有解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，血管、神經(jīng)豐富，以及與呼吸、咀嚼、吞咽及發(fā)音等功能密切相關(guān)的特點(diǎn)，因此，外傷、畸形等修復(fù)重建手術(shù)對手術(shù)器械及術(shù)者經(jīng)驗(yàn)和技巧依賴性較大。而3D打印模型一方面可用于直觀測量，另一方面可作為手術(shù)設(shè)計(jì)的仿真模具，因此，特別適用于醫(yī)師制定手術(shù)方案和進(jìn)行術(shù)前模擬。Levine等[12]利用3D打印技術(shù)制作術(shù)中引導(dǎo)裝置，在手術(shù)中實(shí)時(shí)提示截骨線、骨塊移動的目標(biāo)位置等信息，起到了指導(dǎo)手術(shù)的作用。他們將該技術(shù)用于下頜骨重建術(shù)、正頜手術(shù)、頜面部創(chuàng)傷修復(fù)和顳下頜關(guān)節(jié)重建，均取得了良好效果。Rohner等[13]利用3D打印技術(shù)進(jìn)行術(shù)前模擬，成功實(shí)施了復(fù)雜頜面部重建手術(shù)，并認(rèn)為術(shù)前模擬對皮瓣移植和骨板接合，具有重要指導(dǎo)作用。

耳郭再造術(shù)是整形外科最具挑戰(zhàn)性的課題之一，其通常采取自體肋軟骨雕刻移植。目前的方法是采用二位膠片法，對健側(cè)耳郭的二維信息記錄，并以此為參照，雕刻耳郭支架。此方法對術(shù)者的空間感覺、審美能力有很高要求。陳克光等[14]報(bào)道，應(yīng)用3D打印技術(shù)制作的耳郭和導(dǎo)板的數(shù)字及實(shí)體三維模型，有助于指導(dǎo)術(shù)中精細(xì)雕刻耳郭軟骨支架和定位，還可用于術(shù)前耳郭整形效果的預(yù)測。Jiao等[15]使用CT數(shù)據(jù)重建耳缺損患者健側(cè)外耳的三維模型，并利用該模型完成了耳贗復(fù)體的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，再使用分層實(shí)體制造了紙質(zhì)實(shí)體模型，最后翻制為硅膠贗復(fù)體，該贗復(fù)體在形態(tài)上與患者健側(cè)耳非常相似，并且與缺損區(qū)匹配良好。

4.2 個(gè)性化假體設(shè)計(jì)制作 3D打印在整形外科所需假體和體內(nèi)植入物設(shè)計(jì)制作方面，亦有很大的應(yīng)用價(jià)值。強(qiáng)調(diào)個(gè)性化假體的原因在于：⑴個(gè)體的疾病、解剖特點(diǎn)決定了無法設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的人工假體，這主要體現(xiàn)在一些解剖復(fù)雜或功能要求較高的部位，比如顱頜面缺損修復(fù)假體、關(guān)節(jié)修復(fù)等；⑵美容手術(shù)(如隆鼻、隆頦、乳房整形修復(fù)等)中，目前臨床所用假體均需經(jīng)過醫(yī)師術(shù)中自行雕刻、切削等步驟，假體置入后的效果在很大程度上取決于醫(yī)師個(gè)人的感覺及經(jīng)驗(yàn)，而個(gè)體化的3D打印人工假體或植入物能夠在很大程度上簡化手術(shù)步驟，優(yōu)化手術(shù)效果。

許楓等[16]通過對1例先天性小耳畸形患者在實(shí)施全耳再造的Ⅱ期顱耳角重建時(shí)，聯(lián)合應(yīng)用三維建模技術(shù)和快速成型技術(shù)，設(shè)計(jì)出個(gè)性化顱耳角支撐物，為獲得對稱性良好且持久穩(wěn)定的顱耳角創(chuàng)造了條件。Karatas等[17]認(rèn)為，利用快速成型技術(shù)制作高質(zhì)量個(gè)體化外耳模型，克服了傳統(tǒng)印模易使軟組織變形、操作復(fù)雜、耗時(shí)長等缺點(diǎn)。Wu等[18]報(bào)道，利用3D打印制作鼻假體具有自動化、適合面部整體輪廓等諸多優(yōu)點(diǎn)。

金屬3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，給顱頜面外科植入物的設(shè)計(jì)和制造提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持。Ciocca等[19]通過激光燒結(jié)金屬鈦粉末制作個(gè)性化骨板、髁突-下頜骨骨板，進(jìn)行下頜骨缺損的腓骨瓣游離移植術(shù)，并總結(jié)該方法的優(yōu)勢在于避免術(shù)中反復(fù)修改調(diào)整鈦板，術(shù)后鈦板松動、斷裂，最大程度地恢復(fù)了下頜骨外形，同時(shí)減少了手術(shù)時(shí)間及術(shù)后并發(fā)癥。國內(nèi)夏德林等[20]利用CT數(shù)據(jù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造，預(yù)制個(gè)體化鈦合金修復(fù)體修復(fù)26例創(chuàng)傷后顱骨缺損患者，獲得了滿意的臨床效果。近年來，隨著材料科學(xué)的發(fā)展，有學(xué)者開始嘗試?yán)媒饘兮佉酝獾纳锊牧蟻泶蛴】芍苯佑糜谌梭w的植入物。Saijo等[21]采用磷酸三鈣粉末等生物材料制備個(gè)性化假體，經(jīng)過后處理，術(shù)中無需雕刻，直接置入人體。沈聰聰?shù)萚22]應(yīng)用3D打印技術(shù)，將羥基磷灰石粉作為個(gè)體化人工骨材料修復(fù)下頜角截骨整形術(shù)后骨缺損，取得了令人滿意的矯正效果。但作為外來植入物，在3D打印材料選擇方面需綜合考慮材料的組織相容性、生物力學(xué)特性，是否獲得國家相關(guān)部門批準(zhǔn)等因素。因此，還有待更多的臨床試驗(yàn)與研究驗(yàn)證。

4.3 整形外科醫(yī)師的培養(yǎng)與訓(xùn)練 目前已有較多文獻(xiàn)報(bào)道，將3D打印技術(shù)應(yīng)用于年輕外科醫(yī)師的培養(yǎng)與訓(xùn)練，但主要集中在神經(jīng)外科[23]、心血管外科[24]、耳鼻喉科[25]等臨床學(xué)科。在整形外科醫(yī)師的培養(yǎng)與訓(xùn)練方面，也同樣具有重要意義。

作為整形外科醫(yī)師，對于局部解剖知識的熟練和精確掌握，是實(shí)施手術(shù)的前提。通常，復(fù)雜的解剖知識首先是在醫(yī)學(xué)院校尸體教學(xué)的過程中獲得，然后經(jīng)過長年的手術(shù)集中訓(xùn)練進(jìn)一步深化。然而，一方面，由于受到傳統(tǒng)思想的影響，尸體標(biāo)本日趨缺乏；另一方面，當(dāng)今患者維權(quán)意識增強(qiáng)，對于年輕整形外科醫(yī)師，在為患者手術(shù)之前，獲得相關(guān)解剖部位的手術(shù)經(jīng)驗(yàn)的途徑非常難得。普通計(jì)算機(jī)屏幕上2D或3D的可視化影像對于復(fù)雜部位解剖結(jié)構(gòu)，特別是精細(xì)結(jié)構(gòu)的理解尚不充分。3D打印實(shí)體模型可以克服上述困難，幫助理解復(fù)雜病變解剖部位的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步通過體外的手術(shù)訓(xùn)練來提高手術(shù)技能[26]。Lo等[27]在對頜面部外傷患者進(jìn)行手術(shù)前，反復(fù)利用3D打印模型進(jìn)行體外訓(xùn)練，使得術(shù)后患者面部輪廓重建的對稱性和美感均達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。因此，經(jīng)過體外模型的充分訓(xùn)練，整形外科醫(yī)師在實(shí)際手術(shù)過程中會更加從容，而且術(shù)前模擬訓(xùn)練有助于選擇最佳的手術(shù)方案，這在一定程度上也會增加整形外科醫(yī)師術(shù)中的自信心。

4.4 再生醫(yī)學(xué)與組織工程 近年來，利用生物學(xué)及工程學(xué)方法修復(fù)、再造缺失或功能障礙的組織和器官是整形外科基礎(chǔ)研究的熱點(diǎn)，并提出了3D生物打印技術(shù)的概念。目前，3D打印技術(shù)在組織和器官再生方面的應(yīng)用主要在制備生物工程支架方面。

組織工程支架是天然細(xì)胞外基質(zhì)的人工模擬物，可誘導(dǎo)組織再生或修復(fù)替代受損的組織或器官。目前應(yīng)用較多的是合成支架，其主要缺點(diǎn)在于不能充分模擬體內(nèi)組織生長的微環(huán)境[28]。3D打印支架在一定程度上可以克服這一缺點(diǎn)，從而構(gòu)建不同形態(tài)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工程支架。Gauvin等[29]于3D打印支架上被覆人上皮細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)該上皮細(xì)胞既能夠保持其原有細(xì)胞種類，又形成了一定密度的融合覆蓋。Zopf等[30]成功將3D打印制作的可降解氣道夾板用于治療1例支氣管軟化癥的患兒。

5 前景及展望

綜上所述，3D打印對于整形外科手術(shù)方案的制定以及術(shù)前模擬訓(xùn)練有著重要意義，同時(shí)在整形修復(fù)、組織再生方面也有著巨大發(fā)展?jié)摿ΑＤ壳?，在?fù)雜骨結(jié)構(gòu)的修復(fù)和重建中的應(yīng)用已趨于成熟，對整形醫(yī)師的培養(yǎng)及組織再生方面的應(yīng)用，還須進(jìn)一步發(fā)展完善。此外，由于3D打印原材料的多樣性，因此在軟組織形態(tài)修復(fù)方面亦有廣闊前景。

然而，3D打印實(shí)體仍存在成本高、數(shù)據(jù)共享困難等不足，故在一定程度上限制了其應(yīng)用，尚不能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。3D生物打印技術(shù)所需相關(guān)材料和打印成品，也需要政府相關(guān)部門審批，同時(shí)也將帶來醫(yī)學(xué)倫理學(xué)方面的挑戰(zhàn)。人類歷史上每一次的科技進(jìn)步，若與醫(yī)學(xué)聯(lián)系起來，將對整個(gè)社會產(chǎn)生巨大影響，目前CT、MRI的廣泛應(yīng)用便是最好的例證。整形外科是目前應(yīng)用3D打印技術(shù)較多，并且能夠與3D打印產(chǎn)物特點(diǎn)相適應(yīng)的臨床學(xué)科。相信隨著材料學(xué)、制作和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步成熟，未來3D打印將引發(fā)當(dāng)前的許多組織、器官修復(fù)方式的革命，更有望打印出“人造組織器官”，并應(yīng)用于臨床。

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100144 北京，中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院整形外科醫(yī)院 整形六科

王成龍(1989-)，男，山東濟(jì)寧人，碩士研究生.

呂長勝，100144，中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院整形外科醫(yī)院 整形六科，電子信箱：changsheng331@sina.com

10.3969/j.issn.1673-7040.2015.05.008

2015-01-28)