3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

張 亮 邱 宏

三維(three-dimensional，3D)打印起源于20世紀(jì)80年代，至今已取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于軍事、國防、工業(yè)、建筑、教育、醫(yī)學(xué)等多個領(lǐng)域。3D打印掀起了制造業(yè)的巨大變革，傳統(tǒng)減材制造是對原材料多余部分的去除，最終完成產(chǎn)品的制造，3D打印技術(shù)則是一種“從零開始”的增材制造技術(shù)，又稱之為快速成型。3D打印首先將所需制作的產(chǎn)品通過計算機(jī)以三維形式呈現(xiàn)，再采用特定的材料，相當(dāng)于二維打印機(jī)中的油墨，進(jìn)行逐層打印，直至產(chǎn)品成型。3D打印根據(jù)凝合成型技術(shù)的不同可分為光固化立體光刻、熔融沉積制造、選擇性激光燒結(jié)、疊片實體制造和3D噴印[1]。3D打印行業(yè)在全球范圍內(nèi)的市場規(guī)模呈現(xiàn)增長趨勢，其應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域多年，與傳統(tǒng)醫(yī)療技術(shù)相比，該項新興技術(shù)能夠做到個體化和個性化定制，為精準(zhǔn)醫(yī)療提供了強有力的技術(shù)支撐，實現(xiàn)了對于患者的個性化精準(zhǔn)治療，提高了疾病的診治效果。

目前，全球3D打印醫(yī)療設(shè)備市場中涌現(xiàn)出很多知名生產(chǎn)企業(yè)，包括Stratasys(以色列和美國)，3DSystems(美國)，EnvisionTEC(德國)，ArcamAB(瑞典)和Prodways(法國)等。并已開發(fā)出多種可選軟件工具，如SolidWorks、Sketchup、Autodesk計算機(jī)輔助設(shè)計(computer aided design，AutoCAD)等建模工具，以及cura、xbuilder、makerbot等切片工具。

1 用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的3D打印材料

打印材料是制約3D打印發(fā)展的主要因素之一，目前運用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的3D打印材料主要包括工程塑料、金屬、陶瓷、光敏樹脂以及高分子凝膠等[2-3]。

1.1 工程塑料

工程塑料是應(yīng)用最廣泛的一類3D打印材料，其中運用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的有聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)、PC-ISO、聚醚醚酮(poly-ether-ether-ketone，PEEK)以及Endur等材料。這些材料具有熱塑性好、強度高、耐沖擊、抗老化等優(yōu)點，可用于制造醫(yī)療器械，制成仿生結(jié)構(gòu)人工骨，仿生人工牙齒等人體植入物，在顱骨修復(fù)和手術(shù)模擬等專業(yè)領(lǐng)域也具有良好的應(yīng)用[4]。

1.2 金屬材料

金屬材料中鈦合金是最為常見的3D打印材料，其優(yōu)異的強度和韌性，加之抗腐蝕性、模量低和生物相容性，被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)醫(yī)學(xué)植入物[5]。

1.3 光敏樹脂

光敏樹脂是一種由聚合物單體與預(yù)聚體組成的膠裝物質(zhì)，遇光會產(chǎn)生化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化。具有黏度低、固化收縮小、速率快、程度高、溶脹小和濕態(tài)強度高等特性，常作為口腔科的修復(fù)填充材料，在治療前牙缺損和修補窩洞中取得良好效果[6]。

1.4 高分子凝膠

高分子凝膠主要包括海藻酸、纖維素、蛋白胨、聚丙烯酸等，是分子鏈經(jīng)交聯(lián)聚合形成的三維網(wǎng)絡(luò)或互穿網(wǎng)絡(luò)與溶劑組成的體系，具有良好的生物相容性，適用于人體內(nèi)移植。

作為3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的前沿和熱點應(yīng)用的3D生物打印，則以具有生物活性的細(xì)胞為原料，在設(shè)定的支架結(jié)構(gòu)上，輔以生長因子及生物大分子等，制造出具有結(jié)構(gòu)功能的組織器官[7]。

2 3D打印醫(yī)學(xué)模型的應(yīng)用

2.1 3D醫(yī)學(xué)模型在教學(xué)中的應(yīng)用

人體解剖學(xué)是醫(yī)學(xué)教育的基礎(chǔ)學(xué)科，由于人體解剖結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，目前傳統(tǒng)的授課方式主要借助于二維圖譜和尸體標(biāo)本來幫助剛剛?cè)腴T的醫(yī)學(xué)生理解和記憶，二維圖譜很難在這些毫無臨床經(jīng)驗的醫(yī)學(xué)生腦中形成清晰且正確的三維立體結(jié)構(gòu)圖，而尸體標(biāo)本存在來源不足、保存困難和醫(yī)學(xué)倫理問題，且尸體標(biāo)本多為正常結(jié)構(gòu)，無法展示病理結(jié)構(gòu)。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)及其制作的3D模型納入醫(yī)學(xué)教學(xué)，在一定程度上有利于醫(yī)學(xué)生對真實結(jié)構(gòu)的空間理解，有助于記憶，使得年輕的醫(yī)學(xué)生們不再感覺枯燥無味，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，在一定程度上加快了年輕醫(yī)生的成長速度。國內(nèi)外學(xué)者均報道過3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)教學(xué)領(lǐng)域中所呈現(xiàn)出的優(yōu)勢。Waran等[8]利用腦積水患者的CT和MRI影像學(xué)數(shù)據(jù)，建立3D模型，利用3D打印技術(shù)制作出頭顱復(fù)制品，將其用于神經(jīng)外科學(xué)員的內(nèi)窺鏡相關(guān)操作訓(xùn)練，學(xué)員們一致認(rèn)同3D模型有助于第三腦室底造瘺術(shù)，內(nèi)鏡活組織檢查以及腦室鏡導(dǎo)航整合的技能訓(xùn)練。薛恩興等[9]發(fā)現(xiàn)，3D打印有助于醫(yī)學(xué)生在短時間內(nèi)理解骨折的分型，并幫助其掌握骨折的治療方案。董慶等[10]的研究發(fā)現(xiàn)，3D打印肺段模型在胸外科解剖教學(xué)中的效果明顯優(yōu)于三維重建圖像。

2.2 3D醫(yī)學(xué)模型在臨床診療中的應(yīng)用

利用影像學(xué)的成像數(shù)據(jù)，如64排螺旋CT和(或)MRI等，提取個性化數(shù)據(jù)，利用圖形處理軟件的CAD模塊，建立數(shù)字化3D模型，利用3D打印機(jī)打印出3D模型，該模型可以精準(zhǔn)呈現(xiàn)出患者發(fā)生病變部位的解剖結(jié)構(gòu)，在手術(shù)前能夠幫助醫(yī)生精確深入地掌握患者病情，同時便于醫(yī)生向患者及其家屬介紹病變的復(fù)雜性和手術(shù)的風(fēng)險程度?？梢酝ㄟ^在模型上進(jìn)行模擬手術(shù)幫助醫(yī)生確立最佳手術(shù)方案，以便指導(dǎo)實際手術(shù)，最終使手術(shù)得以精準(zhǔn)和快速完成，在很大程度上提高手術(shù)的成功率，降低其風(fēng)險[11-12]。

倫敦超聲中心引入3D技術(shù)，將超聲探測子宮中胎兒的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行計算機(jī)軟件處理，得到胎兒的3D模型，再運用3D打印出立體模型，可以幫助醫(yī)生對胎兒先天性缺陷的診斷。周燁等[13]利用計算機(jī)建模和3D打印技術(shù)成功對8名下頜骨腫瘤患者進(jìn)行了個性化精細(xì)化的切除手術(shù)，術(shù)前利用3D模型與患者和家屬進(jìn)行充分交流，減輕患者的心理負(fù)擔(dān)，增加患者自信心，同時醫(yī)生模擬手術(shù)過程中的腫瘤切除和重建，減少了手術(shù)中的創(chuàng)傷及出血，縮短了手術(shù)時間，術(shù)后降低了并發(fā)癥的發(fā)生概率，未出現(xiàn)感染和骨折等現(xiàn)象。Wu等[14]在針對嚴(yán)重的先天性脊柱側(cè)凸患者的治療中，通過比較3D快速成型技術(shù)和傳統(tǒng)的熒光鏡透視技術(shù)兩種方法，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用3D打印技術(shù)指導(dǎo)手術(shù)螺釘?shù)闹踩霚?zhǔn)確率比傳統(tǒng)方法提高了近10%，兩種方法差異具有統(tǒng)計學(xué)意義，快速成型技術(shù)應(yīng)用于先天性脊柱側(cè)凸手術(shù)在精準(zhǔn)性和安全性方面具有顯著優(yōu)勢。

3 3D打印人體骨性植入物

3D打印技術(shù)在骨性結(jié)構(gòu)置換中的應(yīng)用較為成熟，目前在腦外科、耳鼻喉科、胸外科等外科手術(shù)中發(fā)揮了重要的作用，骨骼體外打印也為殘疾人士和肌肉萎縮患者提升了行動能力，而骨性結(jié)構(gòu)缺失常用的材料選取是與人體相容性較好的鈦合金[15-16]。

2011年，比利時和荷蘭研究人員成功為一名83歲婦女植入3D打印制成的整個下頜骨，該下頜骨重量與生理下頜骨相近，易于患者使用，且該手術(shù)僅耗時4 h，術(shù)后1 d患者即可說話和吞咽，4 d后出院，與傳統(tǒng)手術(shù)相比，極大縮短了手術(shù)時間和恢復(fù)時間。2014年，解放軍第411醫(yī)院實現(xiàn)了國內(nèi)首例采用鈦合金3D打印技術(shù)制作的人造下頜骨植入手術(shù)，并取得了很好的恢復(fù)效果[17]。

采用3D打印技術(shù)制作出個性化的假體在復(fù)雜關(guān)節(jié)損傷治療中顯示出一定優(yōu)勢，可以很好的與患者的關(guān)節(jié)適配，減少松動，提高患者的滿意度。許志慶等[18]利用3D打印技術(shù)對一名56歲女性假性軟骨發(fā)育不全雙膝骨性關(guān)節(jié)炎患者進(jìn)行畸形的矯正，取得了良好的手術(shù)效果和患者的滿意。2015年我國首個3D打印人體植入物——人工髖關(guān)節(jié)獲得國家食品藥品監(jiān)督管理總局注冊批準(zhǔn)，這標(biāo)志著我國3D打印植入物已經(jīng)成功邁進(jìn)產(chǎn)品化階段。2012年6月至2015年7月間已有32例患者接受了人工髖關(guān)節(jié)的植入手術(shù)，并取得了良好的治療效果[19]。

骨骼受到輕微的局部創(chuàng)傷時，骨組織具備一定的自我修復(fù)能力，完全能夠恢復(fù)到健康狀態(tài)。然而，當(dāng)發(fā)生大范圍嚴(yán)重的骨損傷或病變時，骨組織工程在修復(fù)治療中具有重要的作用。骨工程支架一方面需要被植入人體內(nèi)，決定了制作材料必須無毒無害并且可以被降解。此外，具有活性的細(xì)胞負(fù)載于支架上經(jīng)過體外培養(yǎng)后再移植入人體，要求材料必須具有良好的細(xì)胞組織相容性，且具備促進(jìn)細(xì)胞粘附和增值分化的能力。目前，用于骨組織工程支架的原材料主要有聚合物材料、生物陶瓷以及金屬材料。黨瑩等[20]通過對近10年來有關(guān)3D打印技術(shù)在骨組織工程中應(yīng)用的國內(nèi)外文獻(xiàn)的總結(jié)歸納，展示了3D打印技術(shù)制作的骨工程支架在機(jī)械強度、3D孔隙結(jié)構(gòu)和可定制性方面獨特的優(yōu)勢和該技術(shù)在骨組織損傷修復(fù)治療中廣泛的應(yīng)用前景。

4 3D打印人體組織器官

器官移植被譽為21世紀(jì)“醫(yī)學(xué)之巔”，造福了無數(shù)疑難雜癥患者，已被越來越多的人們所接受。然而，由于所產(chǎn)生的倫理學(xué)問題和器官資源的極度短缺問題，對該項醫(yī)學(xué)新技術(shù)的發(fā)展具有相當(dāng)?shù)淖璧K作用。3D生物打印的出現(xiàn)和發(fā)展，有望使器官移植在不遠(yuǎn)的將來取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展。

3D生物打印是3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域最高層次的應(yīng)用，首先以生物降解材料為“油墨”搭建細(xì)胞生長繁殖所需的微環(huán)境和三維空間構(gòu)架，采用以自身的成體干細(xì)胞經(jīng)體外誘導(dǎo)分化來的活細(xì)胞和包含蛋白質(zhì)在內(nèi)的胞外基質(zhì)作為具有活性成分的“油墨”，共同制作出具有生物活性的人造組織器官。這一概念由美國克萊姆森大學(xué)的Boland等[21]于2000年提出，并于2003年首次實現(xiàn)器官打印。人體組織器官布滿著紛繁復(fù)雜維持著氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)運輸?shù)难?，人造組織器官血管化是組織工程學(xué)所面臨的首要問題，而打印出具有功能性的血管網(wǎng)絡(luò)并嵌入人造組織器官發(fā)揮生理功能，成為了3D生物打印首要突破的瓶頸問題。國外研究報道了多例成功打印人造血管的案例，Kolesky等[22]于2016年成功研制出一個多材料生物打印平臺，該項技術(shù)將血管通路與活的人體細(xì)胞以及胞外基質(zhì)結(jié)合起來，使血管嵌入組織內(nèi)部，制作出的人造組織能夠維持活體組織功能超過六個月。2017年東京大學(xué)的Kizawa等[23]采用3D打印技術(shù)成功制造出迷你版具有生物活性的人類肝臟組織，這一被稱之為“獨特的”肝臟組織能代謝藥物、葡萄糖以及脂質(zhì)，分泌膽酸，其功能可以維持?jǐn)?shù)周。近期，歐洲科研人員將水凝膠中加入細(xì)菌共同作為3D打印的“油墨”，根據(jù)加入細(xì)菌的不同功能，可將其應(yīng)用于不同領(lǐng)域，如加入具有合成纖維素功能的木醋桿菌，可用于皮膚和器官移植[24]。

目前，3D生物打印仍處于早期試驗階段，存在許多瓶頸問題亟待解決。3D生物打印的實現(xiàn)，涉及到多個學(xué)科領(lǐng)域的共同進(jìn)步和發(fā)展，這些科學(xué)領(lǐng)域包括機(jī)械工程學(xué)、自動化工程學(xué)、計算機(jī)工程學(xué)、材料學(xué)、化學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)以及醫(yī)學(xué)。3D打印組織器官具有廣闊的應(yīng)用前景，終將成為廣泛應(yīng)用的醫(yī)療技術(shù)，徹底改變器官移植供體不足的現(xiàn)狀。

5 我國3D打印技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用情況

隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展和成熟，這項新興技術(shù)帶來的科學(xué)成果開始進(jìn)入我國的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，并發(fā)揮著重要的作用，推動了我國醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)的進(jìn)步和發(fā)展。目前，3D打印的醫(yī)學(xué)模型和個性化手術(shù)植入物的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，在口腔醫(yī)學(xué)、骨科、血管外科、腦外科等多個臨床領(lǐng)域發(fā)揮著無可替代的作用。北京大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院唐志輝教授致力于3D打印個性化種植牙，提出錐形束計算機(jī)斷層掃描(cone beam computed tomography，CBCT)結(jié)合電子束熔融技術(shù)，由此新技術(shù)制作的個性化根形種植體的整體制作精度較高[25]。復(fù)旦大學(xué)附屬兒科醫(yī)院骨科鄭一鳴等[26]通過在3D模型上進(jìn)行模擬手術(shù)，并將3D模型應(yīng)用于術(shù)前診治、手術(shù)規(guī)劃以及術(shù)中參照，成功完成12例先天性脊柱側(cè)凸兒童的矯正治療。為了便于對作用機(jī)制復(fù)雜的心血管疾病進(jìn)行深入研究，浙江大學(xué)賀永教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊建立了一種血管3D打印工藝，該工藝既能實現(xiàn)宏觀尺度的打印，用于各種機(jī)械力的加載，又能實現(xiàn)微觀尺度的打印，可用于營養(yǎng)運輸及化學(xué)物質(zhì)的加載[27]。在腦外科方面，國內(nèi)的醫(yī)療工作者已經(jīng)具備采用3D打印技術(shù)對顱骨缺損患者進(jìn)行顱骨修補的技術(shù)，對于腦腫瘤手術(shù)而言，則是采用3D技術(shù)打印出精確的腫瘤病變部位及周圍的神經(jīng)和血管組織，便于手術(shù)方案的設(shè)計和手術(shù)的順利實施[28-29]。

6 展望

3D打印在為醫(yī)學(xué)提供便利的同時，也為相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品的管理帶來了巨大挑戰(zhàn)。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織增材制造委員會(ISO/TC261)頒布了增材制造標(biāo)準(zhǔn)化的通用原則；美國材料與試驗協(xié)會(ASTM F42)頒布了增材制造設(shè)計、軟件、原料、工藝以及產(chǎn)品的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或草案；我國于2016年4月21日成立全國增材制造標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(SAC/TC562)，2017年6月審查通過了“增材制造 主要特性及測試方法”和“增材制造工藝和材料分類”2項國家標(biāo)準(zhǔn)送審稿[30]。然而，目前國內(nèi)外缺乏對3D打印醫(yī)療器械的安全及有效性進(jìn)行評價的標(biāo)準(zhǔn)和法律規(guī)范，標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)法律法規(guī)缺失制約著3D技術(shù)的發(fā)展，甚至發(fā)生一些安全事故。組織起草3D打印相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范性文件是目前亟待解決的重要問題，這也將有賴于科研工作者獲得更多基礎(chǔ)性的科研數(shù)據(jù)。

3D打印技術(shù)的發(fā)展受制于適宜材料的開發(fā)、計算機(jī)成型軟件的優(yōu)化、打印機(jī)設(shè)備設(shè)計的完善及專業(yè)人才的培養(yǎng)等，目前還遠(yuǎn)不能滿足醫(yī)學(xué)方面的高端需求，這項技術(shù)仍處于發(fā)展的初級階段，需要得到廣泛的關(guān)注和重視，以積極推動3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)行業(yè)領(lǐng)域更多更深層次的應(yīng)用。

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