3D 打印技術(shù)在生物醫(yī)用領(lǐng)域的應(yīng)用及其研究進(jìn)展

何顯運(yùn) 原 波 劉金彥

（1、廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州510000 2、廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州510510）

3D 打印技術(shù)屬于快速成型技術(shù)，起源于20 世紀(jì)90 年代，是增材制造技術(shù)的一種，是以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD/CAM）、材料科學(xué)、機(jī)械工程等多領(lǐng)域相互融合而建立發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新興技術(shù)。

3D 打印的材料主要有金屬粉末和塑料絲材，通過(guò)逐層堆疊積累粘合在一起的方式來(lái)生成實(shí)體。近年來(lái)，3D 打印技術(shù)在臨床外科手術(shù)設(shè)計(jì)，醫(yī)學(xué)整形，臨床教學(xué)及生物組織工程支架方面都取得了較多的應(yīng)用，在這些方面的研究也得到越來(lái)越多的關(guān)注。

本文就3D 打印技術(shù)在生物醫(yī)用領(lǐng)域的應(yīng)用及其研究進(jìn)展情況進(jìn)行了綜述。

1 在骨骼修復(fù)方面的應(yīng)用

在骨骼修復(fù)方面，3D 打印技術(shù)的應(yīng)用主要在三方面。

一是利用具有良好的生物力學(xué)性能和生物相容性的鈦及其鈦合金材料以及聚醚醚酮（PEEK）等3D 打印植入物，在骨缺損、骨腫瘤修復(fù)等具有較廣泛的研究和應(yīng)用；

二是用作骨科手術(shù)輔助材料的打?。?/p>

三是以可降解生物醫(yī)用材料為基體，通過(guò)3D 打印來(lái)構(gòu)建骨組織工程支架，用于性化骨損傷修復(fù)，不同于材料植入物，可生物降解材料可降低排異反應(yīng)。

鈦及鈦合金材料由于具有良好的生物力學(xué)性能、生物相容性，可用作骨修復(fù)及硬組織植入材料。利用電子束熔化成型（EMB）進(jìn)行快速成型的方法，將鈦及鈦合金材料制備人體植入物，以滿足不同的個(gè)體患者需要，可以做到植入物細(xì)微結(jié)構(gòu)個(gè)性化和外形個(gè)性化。

目前3D 打印的骨骼植入器械中鈦合金產(chǎn)品較多，主要為金屬髖臼外杯，也有部分用于椎間融合器[1]。王旭日等采用3D打印鈦板對(duì)顴骨骨折患者進(jìn)行治療，治療效果比較理想，值得在臨床上被進(jìn)一步推廣和應(yīng)用[2]。

聚醚醚酮（PEEK）是主鏈結(jié)構(gòu)中含有一個(gè)酮鍵和兩個(gè)醚鍵的重復(fù)單元所構(gòu)成的高聚物，屬于特種工程塑料，具有耐高溫、耐化學(xué)藥品腐蝕、優(yōu)異的耐磨性和自潤(rùn)滑性，同時(shí)具有良好的生物相容性，楊氏模量接近人工光骨，所以該種材料非常適合用于制作人工骨替代物和人工關(guān)節(jié)等。

吉林大學(xué)的張鈺通過(guò)逆向工程，將人體內(nèi)踝進(jìn)行掃描，進(jìn)行3D 重建，再用熔融沉積成型（FDM）打印設(shè)備進(jìn)行仿生人體內(nèi)踝的個(gè)性化打印，得到成形質(zhì)量良好，滿足技術(shù)要求的PEEK仿生人工骨[3]。

作為骨科手術(shù)輔助材料的打印，主要體現(xiàn)在3D 打印個(gè)性化輔助手術(shù)導(dǎo)板，實(shí)物模型等。如通過(guò)3D 打印模型用于觀察骨折的形態(tài)并進(jìn)行術(shù)前評(píng)估和分型，特別是在脊椎畸形矯正、修復(fù)方面，具有很明顯的優(yōu)勢(shì)，利用傳統(tǒng)的醫(yī)療手段如CT 檢查，核磁共振（MRI）以及X 射線透射等無(wú)法顯示其準(zhǔn)確的生理結(jié)構(gòu)，形態(tài)等，而通過(guò)3D 打印的脊柱實(shí)物模型，可以清晰地顯示其畸形的形態(tài)和結(jié)構(gòu)及異常的生長(zhǎng)等情況，為手術(shù)方案提供參考。

同時(shí)，也可以通過(guò)實(shí)物模型先進(jìn)行模擬手術(shù)，以熟悉整個(gè)手術(shù)的過(guò)程，降低手術(shù)刀的風(fēng)險(xiǎn)[4，5]。劉正蓬等采用3D 打印的PLA 椎弓根螺釘術(shù)治療胸腰段脊柱骨折，2016 年2 月至2017年9 月間，治療56 例胸腰段脊柱骨折患者，療效滿意[6]。

以合成高分子材料（PLA，PLGA 等）和天然材料等為基體，應(yīng)用3D 打印技術(shù)制備骨組織工程支架，用于骨骼的損傷和修復(fù)。Sollaiman 等通過(guò)在磷酸三鈣（TCP）中摻雜了SrO 和MgO 二種成分，然后應(yīng)用3D 打印技術(shù)制備多孔的組織工程支架用于骨缺損修復(fù)，結(jié)果表明摻雜的多孔隙的TCP 支架有助于早期愈合，加速骨形成[7]。Simpson 等以配比為95/5PLGA/羥基磷灰石和β- 磷酸三鈣為基體材料，采用選擇性激光燒結(jié)（SLS）的方法，制備了骨替代材料[8]。

悉尼大學(xué)的HalaZreiqat 教授研究出一種可以用3D 打印進(jìn)行加工的骨骼替代的新材料，該材料與在結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和多孔性方面與自然骨十分相似，同具有良好的生物相容性，植入體內(nèi)，不會(huì)產(chǎn)生排異性反應(yīng)，能促進(jìn)骨質(zhì)細(xì)胞的再生，且是一種可降解材料，會(huì)溶于體內(nèi)而排泄出來(lái)[9]。

2 在口腔領(lǐng)域的應(yīng)用

在口腔方面應(yīng)用的材料主要有合金，生物陶瓷及光敏樹(shù)脂等。合金材料主要用選擇性激光熔化成型技術(shù)來(lái)3D 打印制作活動(dòng)假牙支架、牙釘、烤瓷牙金屬內(nèi)冠、牙橋內(nèi)冠、舌側(cè)正畸托槽等，用于牙齒的修復(fù)[10]。3D 打印生物陶瓷使用的材料主要有β-磷酸三鈣、羥基磷灰石等。

由于其與牙齒具有相似的理化性質(zhì)，主要用于口腔頜面骨組織修復(fù)及牙周骨缺損修復(fù)，尤其是牙槽嵴重建[11，12]。用于口腔領(lǐng)域的聚合物材料主要是光敏樹(shù)脂，是利用光固化3D 打印技術(shù)將光敏樹(shù)脂材料與氧化鋁、氧化鋯等生物陶瓷粉一起加工用于打印口腔種植體。

Lee 等發(fā)現(xiàn)添加4，4'- 二（N，N- 二甲氨基） 二苯甲酮（DEABP）作為共同引發(fā)劑能提高打印材料光固化樹(shù)脂的轉(zhuǎn)化效果，增強(qiáng)牙模型的強(qiáng)度[13]。吳江等報(bào)道應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）和激光3D 打印技術(shù)制作全口義齒鈦基托，進(jìn)而評(píng)估其與無(wú)牙頜石膏模型之間的適合性，為今后該技術(shù)在臨床上的廣泛應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)[14]。

3 在矯形外科方面的應(yīng)用

矯形外科也叫矯形骨科，通過(guò)手術(shù)矯形使病殘廢用的肢體恢復(fù)部分或全部的功能。而隨著愛(ài)美人士的增多，其中對(duì)頜面骨缺損和面部（鼻、耳）微整形在矯形外科占有很大的比重。通過(guò)逆向工程來(lái)構(gòu)建缺損部位的結(jié)構(gòu)，再應(yīng)用3D 打印將該缺損部位打印出來(lái)，形成個(gè)性化植入物，可以很好地將植入物與個(gè)體頜面部的結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)吻合，從而使缺損組織的形態(tài)和功能得以恢復(fù)及美化。文獻(xiàn)[15]國(guó)內(nèi)首例3D 打印鈦合金已經(jīng)成功應(yīng)用于頜面部整形。

通過(guò)逆向工程完成植入體的設(shè)計(jì)與修飾，然后運(yùn)用鈦合金粉末進(jìn)行3D 打印植入體，用于植入取得了較好的結(jié)果。周冰等用3D 打印的方法制作出鼻贗復(fù)體蠟型，將蠟型翻制成的硅橡膠贗復(fù)體，用于修復(fù)外鼻缺損，獲得了滿意的臨床效果[16]。康一帆等報(bào)道了北京大學(xué)口腔醫(yī)院口腔頜面外科利用3D 打印輔助設(shè)計(jì)模擬使用髂骨瓣修復(fù)頜骨缺損，效果良好[17]。

4 用于醫(yī)學(xué)模型設(shè)計(jì)

利用3D 打印技術(shù)制作病理器官模型，近年來(lái)，3D 打印的醫(yī)學(xué)器官模型已經(jīng)廣泛應(yīng)用于臨床實(shí)踐和教學(xué)中，為臨床的發(fā)展注入了新鮮的血液。

利用3D 打印的醫(yī)學(xué)模型能將病理器官及相關(guān)組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)形象地顯示出來(lái)，使身體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變得更為直觀明了，用于輔助術(shù)前計(jì)劃和手術(shù)治療分析及臨床教學(xué)等。特別是對(duì)于復(fù)雜創(chuàng)傷、脊柱外科和關(guān)節(jié)外科等手術(shù)，可以通過(guò)3D 打印技術(shù)設(shè)計(jì)出椎弓根、髖臼等手術(shù)導(dǎo)航模板，顯示了廣泛的應(yīng)用前景。

同時(shí)，通過(guò)3D 打印的方式將一些疾病的形態(tài)學(xué)變化制作成醫(yī)學(xué)模型，對(duì)于影像技術(shù)學(xué)課程來(lái)說(shuō)，疾病的形態(tài)學(xué)變化更形象，更直觀，更好地展現(xiàn)教學(xué)效果，得到了學(xué)生的普遍肯定[18-22]。

5 展望

雖然3D 打印技術(shù)在醫(yī)用領(lǐng)域中的個(gè)性化、精準(zhǔn)化治療方面表現(xiàn)出了極大的優(yōu)勢(shì)，并且已經(jīng)在臨床應(yīng)用中取得了很大的進(jìn)展，且在這方面的應(yīng)用與研究受到了越來(lái)越多的關(guān)注。但由于受到3D 打印設(shè)備和材料的限制，目前該技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域還沒(méi)有達(dá)到規(guī)模化的應(yīng)用。而隨著研究者對(duì)3D 打印設(shè)備，工藝研究的不斷更新，打印材料的不斷改進(jìn)，3D 打印技術(shù)在生物醫(yī)用領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣。