3D打印技術(shù)制備主動脈彈性血管模型在主動脈疾病中的應(yīng)用

江啟迪 胡何節(jié) 方征東 王曉天 孫小杰 葛新寶 程 燦

安徽醫(yī)科大學(xué)附屬省立醫(yī)院血管外科，合肥市 230001

主動脈瘤的發(fā)病機制尚不明確，目前的主流觀點認(rèn)為其與炎癥反應(yīng)及巨噬細(xì)胞的滲透相關(guān)，這些因素引起主動脈壁彈性蛋白的降解，最終導(dǎo)致主動脈壁局部擴張[1]。主動脈瘤的危害主要為動脈瘤破裂引起致死性休克，其中腹主動脈瘤破裂的死亡率可達90%[2]。通常小的胸腹主動脈瘤的瘤體直徑平均每年約增長0.32 cm，若瘤體直徑大于5.0～6.0 cm，瘤體的破裂概率可達5%～7%，當(dāng)瘤體直徑大于7 cm時，瘤體的五年破裂率可達95%[3]。目前胸腹主動脈瘤的手術(shù)治療可分為傳統(tǒng)開放手術(shù)及瘤體覆膜支架腔內(nèi)隔絕術(shù)（endovascular aneurysm repair， EVAR），開放手術(shù)患者圍術(shù)期死亡率可達49%，而EVAR術(shù)患者圍手術(shù)期死亡率可降至15.7%[4]。EVAR手術(shù)修復(fù)有很多潛在的并發(fā)癥，如支架的移位、術(shù)后內(nèi)漏、支架覆蓋重要分支血管等，術(shù)前評估顯得尤為重要[5]。已經(jīng)有學(xué)者根據(jù)患者術(shù)前CT血管造影（CT angiography， CTA）圖像進行三維建模，運用3D打印技術(shù)制備精準(zhǔn)的動脈瘤模型，應(yīng)用于術(shù)前評估中，但大多學(xué)者都采用剛性材料打印，與正常血管的物理性質(zhì)不符，其在數(shù)據(jù)測量、血管解剖結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)方面具有一定的優(yōu)勢，但對于體內(nèi)支架釋放后血管形態(tài)學(xué)改變、支架在血管中服帖情況的評估不太準(zhǔn)確。也有學(xué)者采用3D打印機打印出了彈性的透明血管模型，但這種材料價格昂貴，且需要用到的打印機同樣十分昂貴，高成本嚴(yán)重限制了其在臨床上的應(yīng)用[6]。本文介紹了一種新型的廉價主動脈瘤彈性血管模型建立方法，以期為主動脈疾病患者的精準(zhǔn)術(shù)前評估提供一種新的工具。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選擇2018年1月至2019年1月本科室收治的胸主動脈瘤患者及假腔血栓化的主動脈夾層患者15例，排除動脈瘤破裂及嚴(yán)重主動脈粥樣硬化使主動脈狹窄＞50%者。其中，主動脈夾層6例，胸主動脈瘤9例，男性11例，女性4例，年齡（61±13）歲。患者入院后均完善超聲心動圖檢查，檢查前測量其收縮壓及舒張壓（測量三次取平均值），得出脈壓差。檢查中測量患者一個心動周期內(nèi)主動脈弓部的最大直徑及最小直徑，得出內(nèi)徑變化（多次測量取平均值），最后計算患者胸主動脈彈性系數(shù)，彈性系數(shù)K=脈壓差（mmHg)/直徑變化（mm）。

1.2 方法

石蠟?zāi)Ｐ椭谱鳎河檬炛谱?1個高15 cm、直徑3 cm的圓柱體模型，取出3個，標(biāo)記為A、B、C；涂抹彈性材料：將A、B、C三個模型分別涂上硅膠硬化劑混合物，配比為推薦配比（硅膠：硬化劑=100∶2），放入模型架上待其自然干燥（約12 h，受氣溫及硬化劑用量影響，過量硅膠會因重力作用自行流下）。干燥后于B、C模型表面再次涂抹硅膠硬化劑混合物，再次干燥后于C模型表面涂抹第三層硅膠硬化劑混合物。去除填充物：將完全干燥的模型放入約70 ℃熱水中，待石蠟軟化后去除石蠟，修剪底部硅膠沉積物，得到3個不同厚度的圓柱體模型。測量彈性系數(shù)：將模型的一端與壓力泵連接，測量每組模型的外直徑（測三次取平均值），再分別將壓力泵壓力打到40 mm Hg、50 mm Hg、60 mm Hg、70 mm Hg、80 mm Hg（1mm Hg=0.133kPa），測量每個模型的外直徑（測三次取平均值）。將結(jié)果導(dǎo)入SPSS 21.0作線性回歸分析，壓力為自變量，直徑為因變量。結(jié)果表明三組數(shù)據(jù)均符合線性關(guān)系，其斜率的倒數(shù)定義為模型的彈性系數(shù)K。結(jié)合相關(guān)文獻可知B模型彈性系數(shù)最接近于人體動脈彈性系數(shù)[4]。

1.3 硬化劑用量與硅膠模形彈性系數(shù)的關(guān)系

建立不同硬化劑比例模型：根據(jù)前次實驗結(jié)果，B模型的彈性系數(shù)最接近于人體動脈彈性系數(shù)。將其余8個石蠟?zāi)Ｐ途幪枮锽1-B8，并配制8組不同硬化劑比例的硅膠， 依 次為 100：1.4，100：1.6，100：1.8……100：2.8， 編 號為B1～B8。測量彈性系數(shù)：采用與前述相同的方法，每組模型分別用相對應(yīng)的材料涂抹表面兩次，干燥后去除填充物，以相同方法測量其彈性系數(shù)。得出函數(shù)關(guān)系：用SPSS 21.0對硬化劑用量百分比和彈性系數(shù)進行相關(guān)性分析，得出函數(shù)關(guān)系。

1.4 制作仿真彈性血管模型并驗證

CT圖像獲?。夯颊咝兄鲃用}多層螺旋CT增強掃描，應(yīng)用的對比劑是碘海醇注射液，注射流速為3.5～4.0 ml/s，注射總量為90～100 ml，掃描層厚為0.5～1.5 mm，輸出圖像為DICOM格式。數(shù)據(jù)處理：將CT原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 17.0軟件，進行閾值分割，保留動脈部分，再對胸主動脈病變部分進行三維重建，光滑化處理后以STL格式導(dǎo)出數(shù)據(jù)，接著將數(shù)據(jù)導(dǎo)入切片軟件cura15.0，打印材料選擇丙烯腈一苯乙烯一丁二烯共聚物（acrylonitrile butadiene styrene， ABS），打印床溫度設(shè)置為110 ℃以防止材料翹邊，打印精度選擇0.1 mm，壁厚1.2 mm，填充率30%，打印速度為默認(rèn)值。構(gòu)建支撐結(jié)構(gòu)后生成G-code文件保存于SD卡上，準(zhǔn)備打印。3D打印模型：本研究中使用的打印機為Anycubic 4MAX 3D打印機，采用熔融沉積造型技術(shù)。打印前在熱床上均勻涂一層ABS丙酮溶液，可有效防止翹邊，室溫應(yīng)高于25 ℃，以提高打印成功率。打印完成之后去除支撐結(jié)構(gòu)，表面用丙酮蒸汽拋光處理。涂抹彈性材料：計算動脈彈性系數(shù)，將K值代入公式，選擇最合適的硬化劑比例，將硅膠硬化劑混合物涂抹于打印出的模型表面，共涂抹兩層。溶解支撐結(jié)構(gòu)：在通風(fēng)廚中將模型完全浸泡入丙酮溶液中，待內(nèi)層ABS塑料溶解軟化后（約6 h），在丙酮溶液中反復(fù)清洗模型，直至ABS塑料完全溶解，再在流動水中沖洗模型，直至模型完全洗凈，表面無ABS塑料附著，烘干后即制備出主動脈彈性半透明模型。驗證：截取模型的降主動脈部分，將模型的一端封閉，另一端連接壓力泵，將壓力泵壓力設(shè)置為檢查前測量出的脈壓差，測出模型的內(nèi)徑變化。

1.5 模型在主動脈疾病患者中的應(yīng)用

通過模型了解主動脈弓形態(tài)，并對動脈模型主動脈弓三支分支血管的直徑、主動脈弓直徑、近端錨定區(qū)長度進行測量，與患者CT圖像進行對比，評估合適的支架尺寸。再將實驗用覆膜支架釋放入血管模型中，觀察支架釋放后模型的形態(tài)變化并預(yù)測手術(shù)中可能出現(xiàn)的問題。

2 結(jié)果

2.1 彈性材料最佳層數(shù)

A，B，C三組模型的壓力和直徑變化均符合線性關(guān)系（R2≈1），其斜率的倒數(shù)即為模型的彈性系數(shù)（表2）。結(jié)合相關(guān)文獻可知，涂抹2層彈性材料后，模型的彈性最接近真實血管彈性。

2.2 硬化劑用量與材料彈性系數(shù)的關(guān)系

每組不同硬化劑用量的模型，其壓力與直徑變化均符合線性關(guān)系（R2≈1）。硬化劑用量 X（1.2＜X＜2.8）與彈性系數(shù)K之間滿足三次方程關(guān)系（R2=0.990），解析式為K=-3.243X2+2.057X3+16.587（表3，圖1）。

圖1 硬化劑用量x值（自變量）與彈性系數(shù)k值（因變量）回歸分析

2.3 驗證彈性模型的效果

對15例患者的動脈彈性系數(shù)與對應(yīng)的模型彈性系數(shù)進行統(tǒng)計學(xué)分析，兩組K值無統(tǒng)計學(xué)差異（t=0.294，P=0.773）。

2.4 患者的治療效果

本次研究的15例患者最終均行主動脈腔內(nèi)修復(fù)術(shù)，其中有1例體外預(yù)開窗，2例封堵左鎖骨下動脈，1例患者術(shù)中支架近端內(nèi)漏，予球囊擴張后內(nèi)漏消失。手術(shù)即刻成功率100%，未發(fā)現(xiàn)手術(shù)相關(guān)的并發(fā)癥，術(shù)后1個月復(fù)查均未見明顯內(nèi)漏。

3 討論

隨著技術(shù)的發(fā)展，血管外科在過去二十年里有了很大的進步。特別是腔內(nèi)技術(shù)的發(fā)展，讓越來越多的大動脈疾病患者能夠以最小的創(chuàng)傷完成手術(shù)，極大提高了患者的住院生存率及遠(yuǎn)期生存率[5，8]。但是腔內(nèi)手術(shù)相較于傳統(tǒng)手術(shù)，由于涉及手術(shù)方案的選擇、支架的選取、錨定區(qū)的選擇，往往需要更精確的術(shù)前評估[9]。目前血管外科主流的術(shù)前評估方法為術(shù)前CTA三維重建，部分醫(yī)院開始嘗試3D可視化、虛擬現(xiàn)實以及術(shù)前3D打印血管模型以尋求更加高效準(zhǔn)確的術(shù)前評估方式[10]。3D打印模型可以使復(fù)雜的結(jié)構(gòu)可視化，可用于協(xié)助診斷、規(guī)劃手術(shù)方案、指導(dǎo)支架的選擇，同時也有助于提高與患者家屬的溝通效率[11]。盡管目前已經(jīng)有較為成熟的CT三維重建技術(shù)，但是對于復(fù)雜血管病變空間結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)，仍需要臨床醫(yī)生充分的空間想象能力，且由于術(shù)中查閱的不便，該技術(shù)在臨床實際中主要用于術(shù)前評估，術(shù)中對病變的把握仍依賴于二維的DSA造影。

表1 對A、B、C三組數(shù)據(jù)進行線性回歸分析

表2 硬化劑用量與材料彈性系數(shù)的函數(shù)公式

3D打印技術(shù)，也稱為快速成型制造或增材制造技術(shù)，其概念最早由Hull在1986年提出，他運用計算機數(shù)據(jù)資料，以光敏樹脂為原料，通過逐層增材打印的方式，制造出了精準(zhǔn)的三維模型[12]。由于早期3D打印設(shè)備比較昂貴，最初僅限于汽車和航空航天工程，隨著技術(shù)的進步，商業(yè)打印機造價逐漸低廉，再加上數(shù)據(jù)處理軟件的普及，3D打印技術(shù)開始進入各行各業(yè)[13]。2001年，Lermusiaux P等[14]報道了3D打印技術(shù)在血管外科領(lǐng)域中的首次應(yīng)用，他們運用3D打印技術(shù)制備了腹主動脈瘤的三維血管模型用于患者的術(shù)前評估。這種直觀的血管模型相較于三維CT顯然更受血管外科醫(yī)生歡迎，自此，越來越多運用3D打印技術(shù)進行血管外科手術(shù)術(shù)前評估的報道被發(fā)表，3D打印技術(shù)在血管外科的應(yīng)用越來越多。

目前國內(nèi)學(xué)者選擇的3D打印材料大多為聚乳酸（Polylactic acid， PLA）、ABS工程塑料[15-16]等剛性材料，其優(yōu)勢包括：（1）便于測量動脈瘤的相關(guān)數(shù)據(jù)，如瘤頸長度、各分支距瘤體距離、瘤頸角度等；（2）可以直觀地觀察病變血管的結(jié)構(gòu)及與周圍組織的關(guān)系，特別是腹主動脈瘤及腹腔動脈動脈瘤的模型，可以直觀地將瘤體部位、瘤體周圍血管與瘤體的關(guān)系、血管分支的解剖學(xué)變異呈現(xiàn)給血管外科醫(yī)生，協(xié)助醫(yī)生選擇合適的手術(shù)方案、合適大小的支架；（3）在腹腔動脈動脈瘤患者的手術(shù)過程中，血管模型可以協(xié)助醫(yī)生順利地將導(dǎo)絲旋入遠(yuǎn)端分支血管，避免反復(fù)多角度造影增加手術(shù)時間、造影劑用量及X線的暴露時間[15-17]。但剛性模型也有其局限性，它無法模擬支架釋放后血管的形態(tài)改變，在支架體外預(yù)釋放中的應(yīng)用受限。國外已經(jīng)有學(xué)者打印出了具有彈性的血管模型，但是高昂的造價嚴(yán)重限制了其應(yīng)用于臨床，且彈性材料的打印精度可能差于剛性材料。

為了解決剛性模型的不足以及彈性3D打印材料價格昂貴的問題，本研究采用3D打印支撐結(jié)構(gòu)，再用硅膠翻模的方式，在提高精度的同時降低了成本。ABS塑料具有抗沖擊強度較高、化學(xué)穩(wěn)定性、電性能良好等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于3D打印材料。其耐水、無機鹽、堿和酸類，不溶于大部分醇類和烴類溶劑，而容易溶于醛、酮、酯和某些氯代烴中[18]。硅膠是一種化學(xué)性質(zhì)極為穩(wěn)定的材料，除了強堿和氫氟酸，幾乎不與任何溶劑反應(yīng)。本研究中使用的翻模硅膠在常溫下呈粘稠的液態(tài)，加入硬化劑后可緩慢固化成富有彈性的固體結(jié)構(gòu)。鑒于硅膠和ABS的這種特性，研究人員以ABS為材料打印出血管模型后，在模型表面涂抹液態(tài)硅膠，待硅膠干燥硬化后用丙酮解掉ABS，最終保留硅膠外殼，保留精確的彈性模型。在實際使用中，發(fā)現(xiàn)只涂一層硅膠常常會出現(xiàn)最終制作的模型有多處孔洞，可能與ABS支撐結(jié)構(gòu)表面不平滑有關(guān)。且即使模型結(jié)構(gòu)完整，在用壓力泵加壓后仍經(jīng)常出現(xiàn)模型破裂。在嘗試涂兩層硅膠后，上述情況發(fā)生的機率大大減少。制作過程中，還發(fā)現(xiàn)模型的彈性性能與涂抹層數(shù)及硬化劑比例有較大的相關(guān)性，所以本研究設(shè)計了兩組試驗。在第一組中，研究者選擇了相同的硬化劑比例，分別涂抹不同的層數(shù)，結(jié)果顯示只涂抹一層硅膠，模型的強度不夠，且彈性系數(shù)與人體血管實際的彈性系數(shù)相差過大，而三層硅膠使模型顯得過于臃腫，部分分支血管無法看清，且模型彈性變差。最終研究者選擇了兩層硅膠，它兼顧了模型彈性和強度，且與實際血管情況相接近。在第二組實驗中，建立了一組硅膠層數(shù)為兩層，硬化劑用量不同的模型。由于固化時間的差別，每組模型厚度也不一致，隨著硬化劑使用量的增加，模型固化速度加快，厚度增加，彈性也相應(yīng)降低，且添加的硬化劑本身就有讓硅膠變硬變脆的特性。在雙重因素的影響下，硬化劑用量與模型的彈性系數(shù)呈三次函數(shù)的關(guān)系。得到方程后，只要知道患者大動脈的彈性系數(shù)，就可以知道最佳的硬化劑使用量，得到的模型就更加準(zhǔn)確。在第三部分驗證實驗中，由于主動脈弓部解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于測量，且有時會出現(xiàn)模型漏水的情況，最終決定截取模型的降主動脈部分進行驗證，最后的結(jié)果表明這種模型制作方法是可行的。

本研究15名患者最終均行主動脈腔內(nèi)修復(fù)術(shù)，術(shù)后即刻成功率為100%。分析彈性模型有著剛性模型無法比擬的優(yōu)勢：（1）更好地服務(wù)于體外預(yù)開窗：3D打印模型輔助覆膜支架預(yù)開窗很多醫(yī)院已經(jīng)常規(guī)開展，但這些中心大多采用中空的剛性模型。在實際使用中，經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)輸送系統(tǒng)無法順利放入剛性模型內(nèi)部，特別是動脈狹窄或主動脈弓嚴(yán)重扭曲的病例，且由于模型內(nèi)部不是絕對光滑，可能會損傷支架的外膜，增加內(nèi)漏風(fēng)險，改用彈性模型就不存在這種問題。（2）提供更真實的體外實驗：彈性模型可以很好地模擬真實的支架釋放過程，因為其具有良好的擴張性特征，且解剖形狀與患者本人相一致。（3）新技術(shù)的測試：在評估新器械或者新技術(shù)在人體的適用性方面，彈性模型有著獨到的優(yōu)勢。它既不像動物模型那樣與人體結(jié)構(gòu)差距過大，也避免了直接應(yīng)用于人體可能帶來的傷害。

3D打印技術(shù)作為一個新型的工具，在血管外科中應(yīng)用前景廣闊。本研究介紹了一種新型的彈性動脈模型制作方法，該模型制作方法簡單，費用低，旨在為廣大臨床醫(yī)生提供一個新的血管實體模型制作方案，以便3D打印技術(shù)更好地為血管外科服務(wù)。