3D打印技術(shù)在肝臟外科應(yīng)用現(xiàn)狀及展望

陳康，熊力，鄭硯文 綜述 鄧小峰，文宇，苗雄鷹 審校

（中南大學湘雅二醫(yī)院 肝膽外科，湖南 長沙 410011）

3D打印是一門正在快速發(fā)展的技術(shù)，目前在機械工程、加工制造業(yè)、農(nóng)業(yè)等。近年來，3D打印技術(shù)在醫(yī)學中的發(fā)展尤為迅速[1]，比如神經(jīng)外科[2]，矯形外科[3]，頜面外科[4]等。3D打印技術(shù)在肝臟外科中的應(yīng)用主要包括復雜手術(shù)前的評估與規(guī)劃，肝臟生物模型的構(gòu)建等，生物3D打印是3D打印技術(shù)中重要的分支。本文將從以下幾個方面敘述3D打印技術(shù)在肝臟外科的發(fā)展現(xiàn)況。

1　3D打印技術(shù)在肝臟手術(shù)中的應(yīng)用

面對復雜肝臟手術(shù)，手術(shù)安全是達到手術(shù)目標和治愈疾病的基礎(chǔ)[5]，這與精準外科的理念不謀而合。精準肝臟外科與傳統(tǒng)外科的主要區(qū)別在于其具有確定性、預見性、可控性、集成性、規(guī)范化和個體化的特征[6]。3D技術(shù)在精準肝臟外科中主要通過確定性、預見性和個體化來體現(xiàn)。肝臟的精準評估技術(shù)可以分為3類，即肝臟儲備功能的精確評估、腫瘤與肝臟解剖影像學評估和肝臟手術(shù)規(guī)劃與虛擬肝切除[7]。

在三維可視化技術(shù)問世之前，肝膽外科醫(yī)生只能通過CT及MRI等二維模型來評估腫瘤的位置及與鄰近血管的關(guān)系，從而在腦海里構(gòu)建三維模型來實施手術(shù)。但是，二維模型在一定程度上是不夠準確的：第一，在復雜肝臟手術(shù)中，往往存在腫瘤與肝動脈、肝靜脈及門脈分支位置不清，CT及MRI不能完整顯示其毗鄰，導致在手術(shù)中行肝葉擴大切除術(shù)，術(shù)后殘余肝體積不足，導致患者發(fā)生肝衰竭等并發(fā)癥可能性大；第二，不同醫(yī)生對二維影像學資料認識不同，甚至存在一定的偏差，從而一定程度上加大手術(shù)難度。所以，術(shù)前構(gòu)建肝臟三維化模型意義重大。方馳華等[8]利用自主研發(fā)像三維可視化系統(tǒng)（MI-3DVS）構(gòu)建出肝癌三維可視化平臺，將原發(fā)性肝癌患者的增強CT導入至軟件中，可獲得個體化肝動脈、肝靜脈、門靜脈分型，打印出肝癌患者的3D模型，真實的反饋給外科醫(yī)生，成功指導手術(shù)進行。臨床上原發(fā)性肝癌合并肝硬化較常見，肝臟由于正常生理功能減退，其能夠耐受的肝切除量較不合并肝硬化的患者更低[9]，所以術(shù)前規(guī)劃顯得尤為重要。

肝臟切除術(shù)后最主要的并發(fā)癥是肝衰竭，而術(shù)中門靜脈、肝靜脈解剖變異至擴大切除使殘肝體積不足是發(fā)生肝衰的主要原因之一，如何提前發(fā)現(xiàn)變異屬支、避免過多切除肝臟也是當今的熱點問題。Xiang等[10]報道了1例罕見的門靜脈變異，他們在術(shù)前通過3D打印技術(shù)獲得患者模型后發(fā)現(xiàn)，患者S4段門靜脈（S4PV）缺如，變異的S4段門靜脈起源于門靜脈右前支（RAPV）。如果在術(shù)中忽略了這一變異，行右半肝切除術(shù)，則殘肝體積僅剩21.37%，而行保留門靜脈右前支的右肝部分切除術(shù)后，殘肝體積增加至57.25%，大大降低了發(fā)生肝衰的風險。另一方面，肝臟由于其復雜的動脈、靜脈及膽管解剖走行和變異，使得肝切除術(shù)的風險增高。術(shù)前，從患者的CT或MRI中獲得數(shù)據(jù)，評估腫瘤的分布、切除術(shù)后殘肝體積及腫瘤與脈管的空間位置關(guān)系，以便于術(shù)前對手術(shù)進行預演，可以增加手術(shù)的安全性[11]。

3D打印技術(shù)目前尚未普及的原因之一是其成本較高， Soon等[12]報道了一種低成本的3D打印技術(shù)，他們將聚乳酸作為打印材料，使用Osirix 軟件（Version 4.1，Pixmeo，Geneva，Switzerland）及3D打印設(shè)備（MakerBot Replicator Z18，US），成功構(gòu)建出肝臟三維模型。為了同時模型制作成本高及肝內(nèi)結(jié)構(gòu)可見度低的問題，Oshiro等[13]利用高分子聚酰胺構(gòu)建透明肝臟模型，他們將從前側(cè)面的投影形成的多邊形制成框架，構(gòu)建出減體積肝臟模型（原體積的50%），肝臟內(nèi)部結(jié)構(gòu)沒有使用材料，從而減少費用，并且能更清楚顯示肝內(nèi)結(jié)構(gòu)。

在肝切除術(shù)中，外科醫(yī)生較多使用術(shù)中B超識別腫瘤位置。然而，對于術(shù)中B超探測不到的腫瘤病灶，也可以使用3D打印技術(shù)構(gòu)建模型進行定位。Igami等[14]報道了2例結(jié)腸癌發(fā)生肝轉(zhuǎn)移的病例，經(jīng)過新輔助化療后，肝臟轉(zhuǎn)移灶縮小至超聲無法探測，但是通過增強CT可以顯示，他們隨后利用3D打印技術(shù)構(gòu)建出腫瘤的空間位置，設(shè)定預切除肝臟的分界線，從而順利完成手術(shù)。因此，外科醫(yī)生可以利用三維可視化技術(shù)，更加準確、直觀的了解肝臟結(jié)構(gòu)，同時3D模型也有助于醫(yī)生與患者之間的交流[15]。

2　3D打印技術(shù)在肝移植中的應(yīng)用

作為治療各種終末期肝病的唯一方法，肝移植在國內(nèi)發(fā)展迅速[16-18]。供肝的短缺是限制肝移植數(shù)量增長的最主要因素[19]，與此同時，越來越多的患者正在接受活體肝移植?；铙w肝移植的供體可能面臨出血、損傷其他組織器官、甚至死亡的風險，因此正確預測移植肝臟的體積，避免因體積不符所導致的并發(fā)癥十分重要[20]。Zein等[21]首次報道了3D技術(shù)在肝移植領(lǐng)域中的應(yīng)用，他將3例捐獻者及患者的肝臟制成3D模型（圖1），結(jié)果表明，利用3D技術(shù)打印出來的肝臟與實際肝臟大小相比，空間誤差＜4 mm，血管直徑誤差＜1.3 mm，可以用于評估血管及膽道的解剖結(jié)構(gòu)，減少手術(shù)及冷缺血時間。3D打印技術(shù)不僅在成人肝移植中有廣泛的應(yīng)用前景，在小兒親體肝移植中也有所突破。在小兒親體肝移植過程中，往往面臨的主要問題是將成人的供肝進行修整，在保留肝體積的前提下不損傷脈管系統(tǒng)。供肝體積過大，往往容易形成門靜脈血栓，影響血流動力學，導致局部血流低灌注。Soejima等[22]報道了1例小兒活體肝移植的病例，患兒是1例9個月患有先天性膽道閉鎖，供體是患兒的父親，他利用3D打印技術(shù)將供肝及患兒腹腔結(jié)構(gòu)完整“復制”下來，從而對供肝體積及患兒腹腔容積進行精確測算，成功實施肝移植。

圖1　3D打印與實際受體的肝臟比較 A：術(shù)前3D打印構(gòu)建的受體肝臟模型和實際受體的肝臟；B：術(shù)前3D打印構(gòu)建的捐獻者肝右葉和實際肝右葉[21]Figure 1 Comparison between 3D-printed liver and actual liver A: Preoperatively 3D-printed liver and actual explanted liver of a recipient; B: Preoperatively 3D-printed right lobe and actual right lobe of a donor[21]

3　生物3D打印技術(shù)在肝臟外科中的應(yīng)用前景

3D生物打印技術(shù)又稱生物增材制造技術(shù)，是3D打印技術(shù)的一個分支[23]。3D生物打印可定義為以特制生物打印機為主要手段，以加工活性材料包括細胞、生長因子、生物材料等為主要內(nèi)容，以重建人體組織和器官為主要目標的跨學科和領(lǐng)域的新型再生醫(yī)學工程技術(shù)。生物3D打印技術(shù)的目的是重新構(gòu)建有一定功能的組織或器官，并且具有相應(yīng)的微環(huán)境，從而能輔助甚至替代器官。首先必須創(chuàng)造出適宜細胞生存的環(huán)境即細胞外基質(zhì)（extracellular matrix，ECM），3D細胞外基質(zhì)骨架可以通過使用清洗劑對同種異體或異種的組織器官進行灌洗，去細胞化獲得僅有細胞外基質(zhì)的組織[24]，這種組織最大的優(yōu)點是保留了脈管系統(tǒng)并且能提供氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)，這項技術(shù)的生物3D打印技術(shù)在肝臟外科中的應(yīng)用主要是構(gòu)建體外真實肝臟模型，作為終末期肝病缺少肝源的替代選擇[17-19,25]。許多科學家在嘗試使用肝細胞移植，然而肝細胞移植需要大量的肝細胞[26]。在Jeon等[27]利用3D生物技術(shù)構(gòu)建3D肝臟模型，他將HepG2細胞系置于含藻酸鹽的模型中培養(yǎng)，分別在1、7、14、21 d測定肝臟的生物標記物（ALB/AFP/Ki67/CK19/CYP1A2），結(jié)果他發(fā)現(xiàn)標記物已與正常肝組織相似，肝特異性基因表達增高。在2013年，Organovo公司成功打印出深500 μm的肝臟組織，能正常存活40 d，并且具有普通肝臟的功能[28]。協(xié)和醫(yī)院毛一雷[29]成功再現(xiàn)天然肝組織中細胞—細胞和細胞—基質(zhì)的生物學性能，實現(xiàn)了人體肝細胞成熟和長期功能維持，并在3D打印細胞結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)膽管網(wǎng)廣泛分布，提高了三維結(jié)構(gòu)的物質(zhì)交換能力，最終形成體外能長期存活的具有藥物代謝功能的人體類肝組織。

雖然目前國內(nèi)外還沒有科學家報道利用3D打印技術(shù)構(gòu)建的離體肝組織進行肝移植的案例，但是隨著目前生物3D技術(shù)的快速發(fā)展，相信不久的將來有機會實現(xiàn)從細胞、組織到器官的飛躍。

4　3D打印技術(shù)在肝臟外科教學中的應(yīng)用

自從1956年Couinaud[30]提出肝臟分段解剖以后，以肝段、肝葉為解剖學基礎(chǔ)的肝切除術(shù)應(yīng)用逐漸增多。在肝臟手術(shù)教學中，對肝臟解剖清楚的認識是最基礎(chǔ)的條件[31]。然而，肝臟是一個非常復雜的結(jié)構(gòu)，不同的脈管在肝臟中穿行，并且經(jīng)常有解剖學變異，對醫(yī)學生和年輕醫(yī)生而言是不小的挑戰(zhàn)[32]。年輕外科醫(yī)生通常是通過書籍和解剖圖冊，來記憶肝臟解剖結(jié)構(gòu)。解剖鑄型模型是一種非常直觀的模型，肝內(nèi)血管走行清晰可見，其在解剖教學、研究及臨床中廣泛應(yīng)用[33]，鑄型模型可以看清楚肝內(nèi)血管分支及吻合情況[34]。但是它的使用受到了限制，因為鑄型模型需要根據(jù)真實的肝臟來構(gòu)建，因此其中的倫理問題不可忽視，其次，生產(chǎn)高精度的鑄型模型難度較大[35]。因此，發(fā)展替代鑄型模型的教學模具非常必要。3D打印技術(shù)可以將肝臟內(nèi)脈管的復雜走行通過直觀的方法表現(xiàn)出來[36]。有學者[37]通過3D打印技術(shù)構(gòu)建出3種不同的肝臟模型，然后通過向醫(yī)學生發(fā)放問卷調(diào)查的形式完成反饋，發(fā)現(xiàn)肝臟血管分段模型的教學效果要優(yōu)于無肝實質(zhì)的肝臟分段模型和有肝實質(zhì)的肝臟分段模型。因為該模型將門靜脈和肝靜脈用不同的顏色區(qū)分出來，因此能夠更好的輔助學習過程。3D打印模型不僅在臨床應(yīng)用上具有巨大優(yōu)勢，在促進醫(yī)學生和年輕醫(yī)生成長方面也有獨特的優(yōu)勢，相信通過3D模型可以輔助他們對肝臟產(chǎn)生更直觀的印象，加深對肝臟解剖的理解。

5　3D打印技術(shù)遇到的困境及未來

從理論上來講，3D打印技術(shù)可以應(yīng)用到各種學科，但是仍有幾個問題需要面對：⑴ 費用問題，隨著最近幾年的快速發(fā)展，制作實體模型的費用較前有所降低，但費用仍然較高；⑵ 時效問題，制作3D模型需要經(jīng)歷從影像學檢查到數(shù)據(jù)分析，再到模型打印數(shù)個步驟，期間可能經(jīng)歷1 d甚至1周的時間，對于急診患者來說，時間可能會影響到它的有效性[38]；⑶ 利用生物3D打印技術(shù)構(gòu)建組織器官時，細胞往往難以被精確打印出來，細胞因子等對細胞的影響也難以調(diào)控[39]；⑷ 目前3D打印技術(shù)的應(yīng)用僅限于病例報道和綜述，其在臨床中尚缺乏隨機對照實驗來證明其優(yōu)越性。因此還需要長期大量的臨床研究來證實，3D打印模型的額外花費是否與其在縮短手術(shù)時間、減少并發(fā)癥或縮短平均住院日等療效評估中是有利的。

從21世紀開始，2D和3D打印技術(shù)在醫(yī)學領(lǐng)域的影響逐漸增大，3D打印技術(shù)目前被廣泛應(yīng)用于“制造”細胞、組織、器官和醫(yī)療器械，用于構(gòu)建術(shù)前模型，還有許多其他的生物醫(yī)學領(lǐng)域方面的應(yīng)用[40]。3D打印技術(shù)在肝臟外科中的發(fā)展前景是巨大的，隨著圖像采集系統(tǒng)的不斷提高，制作出來的肝臟模型將更加精確，使得從前被視為“禁區(qū)”的復雜肝臟手術(shù)變得可視化。相信在不久的將來，通過生物3D技術(shù)打印出來的肝臟能移植到人體，引領(lǐng)肝臟外科向更加精準的時代挺進。

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