3D打印在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

摘? 要：隨著打印材料的研發(fā)和3D打印機(jī)設(shè)備的完善，其應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛。我國(guó)3D打印技術(shù)不斷發(fā)展和完善，3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域逐漸得到應(yīng)用。為了研究3D打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用，本文主要介紹了3D打印技術(shù)的概念及3D打印相對(duì)于傳統(tǒng)加工工藝的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)介紹了3D打印在各醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用：在骨科手術(shù)中的應(yīng)用、在口腔醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用、胚胎模型的打印、人體心臟的打印、在老年退變性腰椎側(cè)彎手術(shù)中的應(yīng)用、在全耳再造中的應(yīng)用等。最后本文從3D打印機(jī)技術(shù)專(zhuān)利及成本方面對(duì)3D技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展前景做出展望。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù);醫(yī)學(xué)應(yīng)用;3D打印機(jī)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.73;R319 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）19-0177-02

Abstract：With the development of printing materials and the improvement of 3D printer equipment，its application fields are becoming more and more extensive. With the continuous development and improvement of 3D printing technology in China，3D printing technology has gradually been applied in the medical field. In order to study the application of 3D printing technology in the medical field，this paper mainly introduces the concept of 3D printing technology and the advantages of 3D printing compared to traditional processing technology. At the same time，this paper introduces the application of 3D printing in various medical fields：application in orthopedic surgery;application in stomatology;printing of embryo model;printing of human heart;application in elderly degenerative lumbar scoliosis;application in ear reconstruction，etc. Finally，the article looks forward to the development prospects of 3D technology in the medical field from 3D printer technology patents and costs.

Keywords：3D printing technology;medical application;3D printer

0? 引? 言

3D打印是一種快速成型（Rapid Prototyping）技術(shù)，根據(jù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）數(shù)據(jù)通過(guò)粘合材料逐層打印方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)物模型的制作。

3D打印技術(shù)不同于傳統(tǒng)的加工工藝，這一加工過(guò)程不需要使用傳統(tǒng)的如車(chē)床、刀具、模具等機(jī)械設(shè)備就可以打印制作任意形狀的物品。3D打印技術(shù)原理類(lèi)似于傳統(tǒng)的打印機(jī)，只是兩者所用的打印材料有較大區(qū)別，傳統(tǒng)打印機(jī)使用紙張、硒鼓等進(jìn)行打印，而3D打印技術(shù)采用的打印材料為陶瓷、金屬、塑料等，通過(guò)電腦控制可以把不同的打印材料層層累加起來(lái)最終打印出實(shí)物，如：牙齒、手臂、玩具車(chē)甚至是食物。

3D打印的優(yōu)勢(shì)：3D打印所使用的原料和傳統(tǒng)的加工工藝不同，它采用分層加工和層層累加的方式來(lái)制造產(chǎn)品，在具體生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生廢料或者產(chǎn)生極少?gòu)U料，大幅度降低原材料使用量。同時(shí)3D打印具備的精準(zhǔn)化、個(gè)性化、遠(yuǎn)程化等特征和一次成型的產(chǎn)品制造模式，非常符合醫(yī)學(xué)領(lǐng)域需求，所以引起了生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域越來(lái)越多的關(guān)注[1，2]。3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在仿生模型的制造、骨科植入體制造、組織工程支架、生物體器官打印、口服控釋給藥、美容整形等方面。

1? 3D打印機(jī)的發(fā)展歷史

1987年，專(zhuān)利3D打印機(jī)誕生（US4575330），3D Systems發(fā)明第一臺(tái)3D打印機(jī)。1991年，F(xiàn)DM打印機(jī)商品化，Stratasys商品化全球第一部FDM打印機(jī)，利用熱熔技術(shù)，成為3D打印的一大突破。1992年，SLS技術(shù)用于3D打印。2000年，彩色3D打印機(jī)商品化，Z Corp商品化全球第一部具備多重顏色選擇的3D打印機(jī)。2007年，Objet（現(xiàn)為Stratasys一部分）制作出全球第一部可同時(shí)打印多種材料的3D打印機(jī)Connex。2013年，家用3D打印機(jī)普及化，MakerBot（已于2013年被Stratasys收購(gòu)）發(fā)明家用3D打印機(jī)，提供一系列價(jià)格便宜、操作簡(jiǎn)單、體積較小的3D打印機(jī)，成為市場(chǎng)最近急速發(fā)展的原因之一，F(xiàn)DM的專(zhuān)利權(quán)（US5121329）于2009年屆滿(mǎn)。2014年4月光固化成型（SLA）專(zhuān)利屆滿(mǎn)（US5597520A）。

2? 3D打印在醫(yī)療方面的應(yīng)用

2.1? 3D打印技術(shù)在骨科中的應(yīng)用

蚌埠醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院孫曉亮等[3]為8例病人進(jìn)行了距骨骨折切開(kāi)復(fù)位內(nèi)固定術(shù)，術(shù)前將踝關(guān)節(jié)行64排螺旋CT掃描，將所獲DICOM格式進(jìn)行三維掃描生成STL格式數(shù)據(jù)，將STL數(shù)據(jù)傳至3D打印機(jī)進(jìn)行1：1模型打印，結(jié)果優(yōu)5例，良2例，可1例，優(yōu)良率87.5%。后期隨訪過(guò)程中所有病人均未出現(xiàn)復(fù)位丟失或內(nèi)固定松動(dòng)及距骨壞死等并發(fā)癥。

對(duì)于復(fù)雜的距骨骨折病例，3D打印技術(shù)可以提供準(zhǔn)確的術(shù)前規(guī)劃，能夠提高切開(kāi)復(fù)位內(nèi)固定術(shù)的成功率，減少術(shù)后并發(fā)癥，達(dá)到精準(zhǔn)化及個(gè)體化治療的目的。這充分符合當(dāng)代骨科個(gè)體化治療的主要需要，在臨床上的應(yīng)用也取得了良好的效果。

2.2? 3D打印技術(shù)在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

在口腔醫(yī)學(xué)（包括口腔種植學(xué)、修復(fù)、矯正以及內(nèi)科學(xué)等）領(lǐng)域，3D打印技術(shù)應(yīng)用較為廣泛。Ozkol等[4，5]配置含量為27%的氧化鋯陶瓷漿料，通過(guò)噴墨打印制作了氧化鋯陶瓷冠，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)比不同固相含量的氧化鋯陶瓷漿料，從粒徑、Zeta電位、粘度、表面張力以及液滴的分布、性狀等因素分析，總結(jié)了氧化鋯陶瓷漿料的配制方法，制造出相對(duì)密度達(dá)96%、抗彎強(qiáng)度達(dá)834MPa的陶瓷冠橋修復(fù)體。

3D打印鋯陶瓷假牙的材料利用率超過(guò)90%，成本相對(duì)較低。但目前，氧化鋯材料的3D打印工藝仍存在一些問(wèn)題，如內(nèi)應(yīng)力大、燒結(jié)后易開(kāi)裂、體積收縮大，這些問(wèn)題可能影響其性能和臨床適用性，仍需進(jìn)一步展開(kāi)研究。

2.3? 3D打印用于胚胎模型

日本工程公司Fasotec將3D打印技術(shù)和核磁共振掃描相結(jié)合，通過(guò)3D打印設(shè)備利用掃描數(shù)據(jù)打印胚胎模型。準(zhǔn)媽媽們可以通過(guò)核磁共振掃描，打印出整個(gè)胎兒的模型，然后利用樹(shù)脂模型包裹，這份胎兒模型可以作為媽媽們的紀(jì)念禮物。

2.4? 3D打印出人類(lèi)心臟

以色列特拉維夫大學(xué)的研究者公布了器官移植領(lǐng)域的重大突破：使用人體組織3D打印出全球首個(gè)完整心臟，該心臟大小與兔子心臟類(lèi)似，其中包含有細(xì)胞及血管，打印材料來(lái)自人體細(xì)胞及組織。因?yàn)檫@顆心臟還不具備泵血能力，暫時(shí)還不能真正應(yīng)用到人體。

2.5? 3D打印技術(shù)在老年退變性腰椎側(cè)彎手術(shù)中的應(yīng)用

趙暉等[6]探討3D打印技術(shù)應(yīng)用于老年退變性腰椎側(cè)彎手術(shù)的效果和可行性，20例老年退變性腰椎側(cè)彎患者采取3D打印腰椎模型和術(shù)中椎弓跟定位-定向?qū)О宓暮舐窚p壓植骨融合椎弓根螺釘內(nèi)固定側(cè)彎糾正術(shù)，結(jié)論顯示3D打印腰椎模型及椎弓根導(dǎo)板可以提高老年退變性腰椎側(cè)彎患者手術(shù)椎弓根螺釘置入的精確性，節(jié)約了手術(shù)時(shí)間，減少了術(shù)中出血及術(shù)中C臂機(jī)透視次數(shù)。

2.6? 3D打印技術(shù)在全耳再造中的應(yīng)用

上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院張如鴻教授將3D打印技術(shù)運(yùn)用到全耳再造中，大大節(jié)省了手術(shù)時(shí)間。全耳再造手術(shù)要先取一段病人的肋骨軟骨，然后植入耳朵部位的皮膚下，抽掉空氣，讓它像真空吸盤(pán)那樣貼緊患者頭側(cè)豎起來(lái)。當(dāng)然，軟骨植入前先要精雕細(xì)刻，塑造形狀，所以過(guò)去做這樣一臺(tái)手術(shù)，張教授得需要在手術(shù)室里耗費(fèi)6小時(shí)。如今運(yùn)用3D打印機(jī)，張教授可以事先得到每個(gè)病人“未來(lái)耳朵”的塑料模型，手術(shù)中的軟骨雕刻有了實(shí)物參照，提升了手術(shù)速度，全耳再造手術(shù)由此縮短到2個(gè)小時(shí)。

3? 結(jié)? 論

隨著以上專(zhuān)利期屆滿(mǎn)，這些技術(shù)逐漸公開(kāi)透明化，會(huì)有更多的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域會(huì)引入3D技術(shù)，無(wú)論在設(shè)計(jì)方面還是在生產(chǎn)方面，人們可以合理地預(yù)測(cè)一些重要的3D打印領(lǐng)域，很多公司都可以參與這類(lèi)研發(fā)。這些3D設(shè)備根據(jù)消費(fèi)者的需求在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)定制產(chǎn)品，隨著越來(lái)越多的個(gè)人和公司采用這種技術(shù)，材料和機(jī)械成本也將大幅下降。材料和設(shè)備成本的降低也會(huì)帶來(lái)3D打印機(jī)數(shù)量的增長(zhǎng)，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，3D打印在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣。

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作者簡(jiǎn)介：史云濤（1984.11-），女，漢族，江蘇溧陽(yáng)人，市場(chǎng)部經(jīng)理，中級(jí)職稱(chēng)，畢業(yè)于鄭州大學(xué)，碩士，研究方向：藥物化學(xué)。