3D打印技術在醫(yī)療領域的應用價值與展望

趙慶紅，郭俊卿，高 琰，高 寧，王榮杰

(1.河南科技大學材料科學與工程學院, 河南 洛陽 471023)(2.有色金屬共性技術河南省協(xié)同創(chuàng)新中心, 河南 洛陽 471023)

制造業(yè)是國民經濟的主體，是立國之本、興國之器、強國之基。美國、俄羅斯、歐盟以及日本等國家和地區(qū)先后出臺了支持先進制造的政策，將3D打印列為關鍵的制造技術之一，助力新興產業(yè)和高端制造業(yè)的發(fā)展。為了推進中國制造歷史性的轉變，緊跟“工業(yè)4.0”步伐，我國政府推出了備受矚目的“中國制造2025”，激勵國內傳統(tǒng)制造業(yè)轉型升級、逐漸向先進制造方向過渡。3D打印是基于增材制造原理發(fā)展起來的快速成型技術，最初主要用在汽車制造業(yè)以輔助完善產品設計。隨著影像學、數(shù)字化建模等科技的進步，3D打印技術作為前沿科技的一項代表性技術，其應用領域迅速擴展，迎來了在醫(yī)療領域飛速發(fā)展的契機[1-3]。將3D打印技術應用到醫(yī)療行業(yè)中能為現(xiàn)代醫(yī)學提供有力的技術支持，對促進生物醫(yī)學的發(fā)展具有重要意義。

1 3D打印技術的優(yōu)勢及其分類

1.1 3D打印技術的優(yōu)勢

3D打印是基于離散-堆積的增材制造理念，對三維數(shù)字模型進行離散處理后，借助3D打印設備按照設定的路徑逐層堆積材料來制造實體產品的技術。與傳統(tǒng)工藝對毛坯逐步切削加工得到產品的途徑截然不同，其綜合了數(shù)字建模技術、機電控制技術、材料物理與化學等諸多領域的前沿技術，在實際應用中能夠充分發(fā)揮先進制造的優(yōu)勢：

1)快速制造。采用3D打印方式進行生產的制造周期按小時計，省去了一系列復雜的中間工序，耗時短、效率高，可以快速獲得成品。

2)精確制造。目前的3D打印設備已有多種精度可供用戶選擇，制造精度最高可達0.01mm，能夠滿足不同質量要求的產品制造。

3)個性化制造。3D打印技術不受復雜形態(tài)的限制，能滿足個性化需求。

4)近凈制造。3D打印系統(tǒng)能夠精確評估所需材料量，增材制造的特性使得制造過程幾乎無余量損耗，材料利用率接近100%。

5)智能制造。設備能夠按照設定的程序自動完成整個生產過程，工作人員可通過控制軟件實時了解生產進度。

1.2 3D打印技術的分類

根據(jù)成型模式，目前應用較普遍的3D打印技術可分為以下6種：立體光固化(stereolithography apparatus，SLA)、激光選區(qū)燒結(selective laser sintering，SLS)、疊層實體制造(laminated object manufacturing，LOM)、熔融沉積成型(fused deposition modeling，F(xiàn)DM)、噴墨三維打印成型(three dimensions printing，3DP)、電子束熔融成型(electron beam melting，EBM)[4-7]。其各自對應的成型模式見表1。

表1 6種3D打印工藝的成型模式

不同成型模式的設備精度和材料類型不同，其制造精確性和成本差異較大。SLA、SLS和LOM 3種工藝都采用激光作為能源，其成本由高到低分別為SLA、SLS、LOM，皆高于其他3種工藝。SLA工藝的精確性最高，但其制件強度中等，通常需要二次固化處理。SLS和LOM工藝精確性良好，但是SLS工藝的成型材料為粉材，在制造過程中會產生粉塵且需后續(xù)表面處理，而LOM工藝可用的材料有限。FDM和3DP工藝都采用噴嘴作為工作部件，操作與維護簡單，大大降低了制造成本。FDM工藝精度優(yōu)于3DP，但其成型時間較長，3DP工藝所得制件強度較差且易變形。EBM工藝與SLS工藝的精確性相當，不同之處在于EBM工藝采用電子束作為能源，其具有安裝與維護成本較低、電力消耗較少、產出速度高等優(yōu)勢。需要注意的是電子束的操作過程中會產生X射線，因而需要額外配備真空系統(tǒng)進行隔離防護。

實際醫(yī)療應用中，應根據(jù)產品質量要求、成本控制及時間限制等因素綜合考慮，選取最有利于實現(xiàn)所需產品制造的3D打印工藝。

2 3D打印的醫(yī)學應用價值

個體化與精確化是21世紀醫(yī)學發(fā)展的方向[8]，3D打印技術作為一種先進制造技術能為現(xiàn)代醫(yī)學的進步與發(fā)展提供助力。三維數(shù)字模型的獲得是3D打印流程中必不可少的環(huán)節(jié)。獲取三維數(shù)字模型的方法有以下兩種：1)首先使用計算機輔助設計(computer aided design，CAD)軟件繪制出三維數(shù)字模型，然后采用計算機輔助分析(computer aided engineering，CAE)軟件對模型進行分析完善。2)對CT/MRI等醫(yī)學影像掃描獲得的DICOM數(shù)據(jù)進行三維重建，從而獲得三維數(shù)字模型。將通過上述途徑獲得的三維數(shù)字模型另存為通用的STL格式文件，導入3D打印系統(tǒng)完成分層切片處理與成型路徑規(guī)劃后，即可制作三維實體，其技術流程如圖1所示。

圖1 3D打印技術流程圖

2.1 解剖學模型

醫(yī)學教學培訓中的人體標本以遺體捐獻為主，受傳統(tǒng)倫理觀念制約，認捐數(shù)量非常有限。標本匱乏增加了實際操作障礙，難以保證醫(yī)學培訓質量。3D打印技術結合DICOM數(shù)據(jù)可以仿制出高分辨率的人體樣本，較為真實地反映解剖學狀況[9]?？捉鹈返萚10]將3D打印的脊柱腫瘤模型用于臨床教學，借助病例實體模型直觀生動地進行講解演示，有助于引導學生形成臨床診斷思維、掌握治療技能，是行之有效的教學手段。KNOEDLER等[11]通過評估3D打印腎損傷實體模型對醫(yī)生實習的輔助效果，證實3D模型能夠形象地描述患者病情，有助于學員正確理解和判斷。

此外，3D打印在臨床治療中也發(fā)揮著巨大的作用。臨床醫(yī)學以治療為本，一旦出問題會對患者的生理功能產生很大影響，設計治療方案需十分慎重。對于一些復雜病例，醫(yī)生通常借助影像學檢查所得圖像進行診治，由于二維圖像的空間局限性，醫(yī)生只能結合自己的經驗和想象在腦海中整理信息，難免發(fā)生誤診。HARRYSSON等[12]將僅根據(jù)二維CT圖像與全程采用3D打印物模型來進行傳統(tǒng)骨切開術的規(guī)劃過程做了比較，實體模型的采用使手術的準確性得到了明顯提高，對臨床效果有積極影響?；颊卟∏閺碗s時，手術操作中難免會出現(xiàn)因預估不足等問題而臨時調整手術方案，這不僅增加術中耗時，而且大大增加手術操作風險。李濤等[13]采用3D打印技術制作出三例復雜髖臼骨折的1∶1模型，如圖2所示，借助模型對髖臼骨折處的詳情有了直觀的了解，明確的診斷結果方便醫(yī)生制定詳細可靠的手術方案。3D打印的患者病損部位實體模型，一方面有助于醫(yī)生更好地了解病情，進行手術預演，完善治療方案；另一方面，方便醫(yī)患溝通，使患者及家屬對病情有直觀認識，使患者能增強康復信心、積極配合治療。MAO等[14]在治療重度脊柱側凸畸形患者時將CT數(shù)據(jù)與SLS快速成型技術結合起來，直觀精確的三維模型不僅是反映解剖學信息的術前規(guī)劃道具，而且便于醫(yī)患溝通，確保矯正手術的實施與后期治療的開展。

圖2 3D打印的復雜髖臼骨折1∶1模型

2.2 矯形器械

先天性畸形或因疾病、事故等導致的肢體功能障礙，需要依靠矯形器輔助治療。傳統(tǒng)方式生產矯形器周期長、不能及時調整或更換，且對人工經驗依賴程度高、舒適度不易保證。成長發(fā)育期的兒童患者需頻繁更換矯形，對制造的靈活性要求高。3D打印可以將經過優(yōu)化設計的器具快速制作成患者所需的產品，不僅大大縮短提貨期，還能提高產品的安全性和患者的使用舒適度。VIJAYARAGAVAN等[15]通過CT掃描獲得畸形足患兒的足部數(shù)據(jù)，用FDM工藝制作畸形足模型避免了時間延誤，能夠高效分析患兒畸形足的發(fā)育狀況，并快速設計、改進矯形器，如圖3所示，有效避免因矯正器與患足發(fā)育不匹配產生的不良后果。

圖3 畸形足矯正器模型

2.3 骨科植入物

一些受損或病變嚴重的骨組織需要植入材料進行修復，標準化生產的植入物型號分類有限，而患者的情況因人而異，無法保證修復效果最優(yōu)化，術后可能出現(xiàn)植入物與人體匹配度差引起的各類問題，增大手術失敗的風險。殷慶豐[16]針對骨缺損的個體化修復，探索結合3D打印技術的可行方案。首先通過CT掃描獲得患者膝關節(jié)骨缺損部位的DICOM數(shù)據(jù)，然后采用DIOCM數(shù)據(jù)構建三維數(shù)字模型，以此為基礎來設計用于修復骨缺損的墊塊，最后經過3D打印得到墊塊實體，如圖4所示。研究結果表明，3D打印所得墊塊與臨床實際需求具有一致性，匹配度高、臨床療效穩(wěn)定。張帆[17]采用新型復合材料借助3D打印技術快速制備個體化頸椎間融合器，打印精度超過95%，制得的實體頸椎間融合器與目標間隙匹配性好。3D打印技術與醫(yī)學掃描結合能夠滿足不同患者的個體化需求，定制植入物可以大幅提升修復效果。作為一種先進制造技術，3D打印為疑難雜癥的治療提供了解決途徑，定制高度精確復雜的耳框架在3D打印技術的支持下得以實現(xiàn)。CHEN等[18]將三維表面成像、計算機輔助設計與3D打印技術結合起來，使用具有生物相容性的丙烯酸材料為小耳癥病人定制耳框架，術后雙耳對稱性好、形狀美觀、植入效果佳，患者反饋滿意度高。

圖4 3D打印獲得的個體化骨缺損墊塊實體

2.4 組織工程支架

組織工程是一門結合細胞生物學和材料科學構建特定組織，致力于解決人體組織功能障礙的新興學科，3D打印技術為組織工程的發(fā)展提供了有力的技術支持。

創(chuàng)傷性周圍神經損傷易殃及重大神經功能，是嚴重影響患者生活質量的臨床問題。目前最主要的修復方式是自體神經移植，但結構不同的神經纖維可用性有限、再生效果不理想，人工神經支架的研究有望解決該問題。LEE等[19]基于3D打印技術制作多孔結構納米復合材料仿生支架，該支架能提高初級皮層神經元的平均神經突長度，較大的孔隙度使神經細胞的黏附性得到了顯著提高，研究表明3D打印技術在人工神經支架研究和神經功能修復方面具有很大的潛力。

心臟類疾病已成為21世紀危害人類健康的重大醫(yī)學問題。LUEDERS等[20]為了實現(xiàn)人工心臟瓣膜的個性化快速制造，以可吸收的聚合材料為基礎，結合病人CT數(shù)據(jù)通過3D打印的方式構建出精細的心臟瓣膜支架，如圖5所示，然后將人臍帶血管細胞在其上培養(yǎng)獲得完整的、具有一定生物活性的心臟瓣膜，證明該思路具有可行性。

圖5 3D打印的心臟瓣膜支架

2.5 藥品研發(fā)

藥品研發(fā)的常規(guī)途徑是借助大量的動物進行初期試驗，后期再對臨床患者進行試用藥與跟蹤觀察，不僅成本高、周期長，而且可靠性不易保證。BHISE等[21]運用3D生物打印、微流體芯片和水凝膠生物支架等綜合知識制造出肝臟、子宮、乳腺的復合生物芯片，如圖6所示。3D打印生物反應器官芯片有助于創(chuàng)造接近現(xiàn)實的器官，縮小試驗研究和臨床藥物測試之間的差距。3D打印器官芯片的使用使得藥物開發(fā)和測試能夠更安全、更可靠的進行，將體外藥物測試推向了新高度。

圖6 肝臟、子宮、乳腺的復合生物芯片

3 3D打印在醫(yī)療領域的展望

現(xiàn)階段3D打印技術的醫(yī)學臨床應用以顱骨、關節(jié)、牙齒等硬組織為主，器官、血管等方面的打印技術仍處于探索開發(fā)階段。隨著國內人口老齡化加劇以及人們對生活品質的追求，醫(yī)療行業(yè)面臨更高的要求和更大的需求。醫(yī)療產品在制造業(yè)中的比重持續(xù)高速增長，市場規(guī)模不斷擴大?！爸袊圃?025”將高性能醫(yī)療器械評定為十大重點領域之一，提高醫(yī)療器械的創(chuàng)新能力和產業(yè)化水平是重中之重。因此了解不同3D打印工藝在醫(yī)療領域的應用特點對于推廣該先進制造技術十分必要。本文提及的6種3D打印工藝中，SLS工藝是目前可使用材料種類最多、應用最為廣泛的3D打印方式。該工藝可選用金屬、陶瓷及塑料等粉材作為原材料，能夠滿足醫(yī)療中對不同材質的需求。與SLS工藝相比，EBM工藝受材料導電性能的制約，可選用的材料種類相對少一些。以上兩種3D打印工藝都能夠實現(xiàn)孔隙結構成型，在制造仿生骨組織植入物方面具有顯著優(yōu)勢。LOM工藝與生物陶瓷帶材相結合也可制造人工骨，但難以構建孔隙結構，此外受材料的制約，該3D打印工藝在醫(yī)療領域的應用較少。SLA和FDM工藝針對塑料成型，制件強度有限，一般不用于對力學性能要求高的產品，在醫(yī)療領域的應用主要集中在器官模型、外用矯形器以及模具制造的中間環(huán)節(jié)。3DP工藝結合生物材料可用于人造皮膚、生物芯片的探索與研究。

3D打印技術在醫(yī)療領域的應用已取得了一定進展，但仍有很大提升空間。首先，設備和材料是發(fā)展醫(yī)療3D打印技術的關鍵。設備是實現(xiàn)3D打印的工具，性能優(yōu)良的設備能為制造穩(wěn)定性提供保障，推動先進制造技術的產業(yè)化進程。醫(yī)療領域的產品要求高于一般制造業(yè)，組織、器官結構復雜需微米級分辨率，現(xiàn)有的3D打印設備制造精度有待進一步提高，專業(yè)軟件有待深入開發(fā)與集成。材料是3D打印技術成果的載體。以骨科植入物為例，材料與人體彈性模量不匹配會出現(xiàn)“應力屏蔽”導致植入失效；生物相容性不佳的材料進入人體后會對周圍組織產生毒副作用[22]。研制力學性能好、生物相容性佳、成型性能優(yōu)良的材料是3D打印技術在醫(yī)療應用中長足發(fā)展的必經之路。其次，行業(yè)標準是一個行業(yè)逐步走向成熟的智慧體現(xiàn)。該行業(yè)發(fā)展至今尚無統(tǒng)一標準，各廠家開發(fā)研制的設備與材料功能品質參差不齊，應制定詳細、完善的行業(yè)標準促使3D打印技術逐步規(guī)范。此外，該類物料的使用與維護成本較高，需專業(yè)人士管理，人才缺口會給先進技術的應用推廣帶來不利影響。綜上所述，結合不同類型醫(yī)學制品的需求，提高設備性能、開發(fā)新材料是該技術發(fā)展的重要突破口，同時也應制定完善的行業(yè)標準并不斷強化行業(yè)核心競爭力，加強對專業(yè)技術人員的培養(yǎng)，推廣跨界合作與應用。

中國雖然已走入全球3D打印研發(fā)競賽的行列，但相比發(fā)達國家仍然存在很大的差距，崛起之路任重道遠。3D打印技術的應用前景十分廣闊，該技術的進一步成熟與推廣必將助力醫(yī)療行業(yè)的發(fā)展。相信經過各個行業(yè)的協(xié)作創(chuàng)新，在不久的將來人們可以充分享受3D打印技術帶來的高效、精確、舒適、成本可控的定制化醫(yī)療服務。

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