3D 打印在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用及其發(fā)展前景

張慧梅 馮淑瑩（等同第一作者）

（國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心材料工程發(fā)明審查部，廣東 廣州510530）

3D 打印技術(shù)作為具有前沿性、先導(dǎo)性的新興技術(shù)，正在促使傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)和傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝發(fā)生深刻變革。本文在介紹3D打印技術(shù)概念，綜合分析了3D 打印技術(shù)的在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用現(xiàn)狀，并進(jìn)一步闡述了3D 技術(shù)發(fā)展的前景。

1 3D 打印概述

3D 打印技術(shù)是快速成型技術(shù)的一種。在3D 打印中其分層逐步加工過程較之傳統(tǒng)噴墨打印，其優(yōu)勢在于三方面：第一，可對大部分的材料，如金屬、陶瓷、樹脂、纖維、食材、混凝土等進(jìn)行打印成型。第二，它采用分層加工和層層累加的方式來制造產(chǎn)品，在具體生產(chǎn)實(shí)踐過程中不會(huì)產(chǎn)生廢料或者產(chǎn)生極少廢料，大幅度降低原材料使用量。第三，3D 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，能滿足定制化的需求。3D 打印突出的優(yōu)勢非常符合醫(yī)學(xué)領(lǐng)域需求，所以引起了生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域越來越多的關(guān)注[1，2]。

2 3D 打印在醫(yī)療方面的應(yīng)用

2.1 3D 打印在脊柱外科臨床上的應(yīng)用

脊柱損傷病變?yōu)楝F(xiàn)代人的常見病變，脊柱的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)和其周圍神經(jīng)血管毗鄰關(guān)系均較為復(fù)雜，使得脊柱手術(shù)難度非常大，成為制約手術(shù)成功率的一大因素[3]。3D 打印技術(shù)脊柱外科臨床方面的應(yīng)用包括被引入到脊柱外科手術(shù)中作為手術(shù)輔助以及個(gè)性化植入物方面的應(yīng)用。在手術(shù)輔助方面，在骨折、腫瘤手術(shù)中，3D 打印技術(shù)可以“克隆”出1∶1 的實(shí)物病理模型，醫(yī)生可通過該病理模型進(jìn)行模擬手術(shù)，選擇特定的治療方案，精確手術(shù)，對復(fù)雜又有難度的手術(shù)進(jìn)行術(shù)前評估，降低手術(shù)的不確定性[4，5]。脊柱畸變的治療，可對脊柱畸變處進(jìn)行CT 掃描，然后進(jìn)行三維重建，將得到的三維數(shù)據(jù)輸入3D 成型儀器中，打印出仿真模型模擬手術(shù)，最后確定椎弓根最適的置入位置和角度[6]。個(gè)性化植入方面，3D 打印可為病人量身定制植入物，做到精確匹配，滿足不同病人的個(gè)性化需求，且3D 打印制造假體的時(shí)間較短。3D 打印個(gè)性化定制椎間融合器植入物、人工脊柱、微孔鈦假體能夠更加適應(yīng)，與損壞椎間隙的匹配十分完美，病人術(shù)后恢復(fù)良好，生活工作不受影響[7]。

2.2 3D 打印技術(shù)在康復(fù)醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

隨著3D 打印技術(shù)和數(shù)字醫(yī)療技術(shù)的融合發(fā)展，3D 打印逐漸融入到了康復(fù)醫(yī)學(xué)中，康復(fù)醫(yī)學(xué)對于3D 打印的依賴性越來越高。主要應(yīng)用在如下幾方面：第一，矯形器的個(gè)性化設(shè)計(jì)和制造成為了可能。可通過3D 打印個(gè)性化手指矯形器、前臂骨折矯形器、腕部矯形器、踝足矯形器等，通過有限元分析方法建模，實(shí)現(xiàn)對上肢矯形器的精確打印?？赏ㄟ^有限元分析、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化等技術(shù)輔助3D 打印技術(shù)，降低了材料成本，克服了影響臨床應(yīng)用的障礙[8，9]。第二，在假肢的3D 打印方面，目前3D 打印制作前臂索控假肢，通過屈曲肘關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)假手的閉合，伸直肘關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)假手的打開，實(shí)現(xiàn)了假手的基本抓握功能[10]。還有一些公司能夠?qū)ν馓峁┒ㄖ苹僦闹圃旆?wù)，3D 打印的假肢不僅具有個(gè)性化，還具有輕巧、耐用、美觀等優(yōu)點(diǎn)。第三，可以通過3D打印技術(shù)打印殘疾人生活輔助器具，利用3D 打印技術(shù)打印輪椅推桿和助聽器，也能夠?qū)崿F(xiàn)針對不同的殘疾人的需要，精確定制其所需的輔助器具。第四，在醫(yī)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用，通過3D打印技術(shù)制造逼真的醫(yī)學(xué)模型，還可呈現(xiàn)一些少見的病理解剖或正常變異形象[8]，有利于康復(fù)專業(yè)學(xué)生更好理解人體解剖結(jié)構(gòu)。

2.3 3D 打印技術(shù)在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

3D 打印技術(shù)在口腔修復(fù)領(lǐng)域中的應(yīng)用主要是在可摘義齒、口腔種植體和矯治器方面。作為替代CNC 加工技術(shù)制造義齒金屬內(nèi)冠，利用數(shù)字化口腔模型掃描、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）與3D 打印技術(shù)相結(jié)合。能夠精確的打印出義齒，人工不需要做過多的判斷和考慮，金屬內(nèi)冠的精度得到保障，使患者能夠擁有一顆高度定制的、舒適的烤瓷牙。隱形透明矯治器多采用SLA 技術(shù)、DLP 技術(shù)，3D 打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)不同矯正階段牙齒模型的批量定制化生產(chǎn)。3D 打印口腔種植體重塑患者原來的牙齒，省去預(yù)備植牙孔、植入骨粉等步驟，不僅可以避免種植手術(shù)造成的反復(fù)創(chuàng)傷，還可大幅縮短治療周期。由此可見，3D 打印技術(shù)在口腔醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用，不僅可以提高患者手術(shù)過程的舒適度，減輕患者的心理負(fù)擔(dān)，還能實(shí)現(xiàn)患者微創(chuàng)、精準(zhǔn)、快速、即刻戴牙等需求。但如何優(yōu)化軟件效率從而提高自動(dòng)化程度，以及如何優(yōu)化設(shè)計(jì)從而減少實(shí)際打印的難度和成本，是需要解決的問題。

3 3D 打印的局限性與未來展望

3D 打印目前還有一些局限性，因其制造成本篇高、準(zhǔn)備周期較長、材料來源有限，此外，模型質(zhì)量精度有待提高，臨床上3D 打印植入也存在定位不當(dāng)?shù)葐栴}，這些都是當(dāng)下待解決的問題[11]。未來的3D 打印有望能夠打印出更高度仿真的模型，即把需要打印部位周圍的軟組織也打印出來，在視覺、觸覺上更接近活體組織。打印出的假肢不僅是在人體結(jié)構(gòu)上的模擬，還能做到在功能上的模擬。隨著一些3D 打印相關(guān)專利期屆滿，這些技術(shù)逐漸公開透明化，會(huì)有更多的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域會(huì)引入3D技術(shù)，無論在設(shè)計(jì)方面還是在生產(chǎn)方面，材料和機(jī)械成本也將降低，可以預(yù)期，3D 打印在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用會(huì)越來越廣。