3D 打印技術在急重癥醫(yī)學中的應用

冉珊

3D 打印又稱增材制造，是快速成型工藝的一種，實現了從原型設計到實體制作的一體化工業(yè)進程[1]。3D 打印借助計算機輔助技術設計立體模型，聯合鑄造、激光等相關工業(yè)技術實現無數個二維截面的逐層堆積，最終形成所需的實體模型[2]。不同于2D 打印只需簡單的原材料和打印設備，3D 打印技術根據所需實體模型的特性需要選擇不同的原材料，根據加工工藝的不同，3D 打印技術被分為多種類型，目前常用的技術類型主要包括光固化成形、分層實體制造、選區(qū)激光燒結、選區(qū)激光熔化、熔融沉積制造、三維印刷成形等[3，4]。

從最初的設計體外模型發(fā)展到打印體內移植物，一直到現在炙手可熱的生物打印[3]，3D 打印技術日趨先進。在急重癥醫(yī)學中，3D 打印運用最成熟的主要是制造體外模型用于模擬實踐。另外，一些3D 打印醫(yī)療器械也已經投入到臨床實際應用中，比如呼吸道支架、藥物輸送系統、即時檢測POCT，特別是新型冠狀病毒疫情[5]以來，3D 打印產品有效解決了疫情期間我國物資緊缺的問題，極大提升了疫情防控響應力度及醫(yī)務人員暴露安全性。

1 模擬實踐

對于培養(yǎng)急重癥醫(yī)學人才，為應對各種突發(fā)緊急狀況，技能操作的反復訓練必不可少，此時人體仿真模型就顯示出了不可比擬的價值。3D 打印技術憑借其低成本和保真性的特點在制作仿真人體模型方面十分突出[6]。經試驗證明，3D 人體模型在體格檢查的視、觸、叩、聽方面效果逼真，在進行技能操作時模型也具有與人體相似的手感及反饋裝置，極大地提高了操作的真實感[7]。由此可見，3D 打印技術生產的設備或模型具有巨大的教育價值和臨床價值。

1.1 心肺復蘇（CPR）模型3D 打印技術制作的模型具有高度仿真人體結構、模擬真實人體反饋以及評估操作效果的功能，可以幫助醫(yī)務人員反復模擬訓練標準的胸外按壓、氣道開放和人工呼吸，從而不斷提高CPR 的練習次數和成功率。此外，近年來體外心肺復蘇術（ECPR）逐漸興起，在傳統CPR 效果不佳時，ECPR 結合體外膜肺氧合（ECMO）技術可以實現長時間的心肺替代，保證治療期間重要臟器的灌注。然而，ECPR 的使用非常復雜，需要院前、急救和危重護理小組從首次響應到建立ECMO循環(huán)的多學科協調參與，因此需要結合3D 打印技術創(chuàng)建一部模擬從心臟停跳到ECMO 建立的ECPR人體模型[8]，以此通過不斷訓練來提高救助小組的技術水平和團隊協作能力，從而提升整體醫(yī)療水平，使更多的患者受益。

1.2 氣管插管模型氣管插管術是急重癥醫(yī)學科醫(yī)生必須掌握的操作技術，但是反復的插管失敗會對患者造成嚴重的再次傷害。利用3D 打印技術開發(fā)的氣管插管模擬器模擬了真實人體頜骨和頸椎的解剖以及張口度、舌頭移位、頭部伸展時的僵硬程度等，可向學員提供處理各種氣管插管病例的超逼真模擬體驗，縮小模擬練習和真實實踐之間的差距[9，10]?？傊统杀?、高精度的3D 打印產品是進行氣管插管訓練的有效培訓工具，可增加醫(yī)務人員氣管插管技能的訓練機會，使氣管插管技術的掌握度和首次插管成功率大大提升[11]。

1.3 模擬穿刺、抽液及引流胸穿、腹穿、腰穿、骨穿、心包穿刺術[12]是急重癥醫(yī)學非常重要的高危操作，根據實際應用后的反饋，3D 打印模型在觸診、穿針和通過韌帶落空感方面表現良好，而且其肋骨結構和肋骨間隙很容易通過體格檢查或超聲識別，從而有助于有效地模擬抽液、引流等[13]。此外，還可以在頭骨模型上進行腦血腫的穿刺引流、鉆孔清除甚至去骨瓣減壓訓練，從而有機會把握治療的最佳時機，將潛在生命威脅或植物狀態(tài)轉變?yōu)榱夹缘呐R床過程[14，15]，這反映了3D 打印技術在穿刺模型應用中具有很大的臨床潛能。市場上雖然有許多類型的穿刺模型，但其高昂的價格讓人望而卻步，利用3D 打印，低成本的、耐用的、高保真的穿刺模型不斷被開發(fā)設計，為我們提供了一種可負擔的并有望實現大規(guī)模商業(yè)化生產。

2 臨床實際應用

2.1 新型冠狀病毒疫情期間3D 打印產品的產業(yè)化生產新冠肺炎大流行期間憑借3D 打印技術低成本和高保真的特點實現了產品的大規(guī)模工業(yè)生產，鼻咽拭子、呼吸機共用閥、個人防護用具[16]等消耗性醫(yī)療資源得到了極大的保證，有效地解決了疫情期間物資供應鏈中斷問題，這對于抑制病毒傳播、快速度過疫情時期起到了積極作用。而且3D 打印制造的新型鼻咽拭子具備更好的使用性能，比如通過優(yōu)化針尖幾何形狀和軸的形狀及斷點位置，在提高產品靈活性、易操作性、檢測可信度的同時實現了最大化的樣品收集，而且此拭子可與各種運輸介質結合而不影響檢測結果[17，18]；3D 打印防護面罩在材料密封性、透氣性、濕度分散、溝通能力以及環(huán)境影響方面更具優(yōu)勢[19，20]；3D 打印的分離器可以使單一呼吸器同時向多名患者供應氧氣，從而最大化利用現有呼吸機資源，一種新型的直列式呼吸末正壓閥甚至可以特異性設置同一呼吸機不同端口的使用參數以適配不同的患者[21]，從而解決呼吸機嚴重缺乏的問題；3D 打印技術搭建的隔離空間可形成一個負氣流隔離病房以防止患者呼出的病毒釋放到室外，隔離室外部還留置多個外接端口用于氧氣輸送及霧化治療[22]。由此可見，3D 打印產品在疫情防控工作中可行且實用價值極高。

2.2 喉鏡檢查的人體工學手柄直接喉鏡下氣管插管是挽救生命的關鍵性程序。然而，這項技能對于新手和實習生來說很難掌握，反復嘗試也會進一步增加口咽損傷、血流動力學不穩(wěn)定和低氧血癥的風險[23]。借助3D 打印技術設計的符合人體工程學的喉鏡手柄對于氣管技術的插管掌握有一定的積極作用，其可以提供更好的聲門視角且使用更舒適。一項研究[24]表明，使用此種喉鏡練習的學生首次插管成功率顯著上升，而且其他指標包括插管時間、插管嘗試次數、CL 評分和使用舒適度評分等，人體工程學手柄都更勝一籌。這說明3D 打印的符合人體工程學的手柄有助于提示臨床實施氣管插管的成功率。

2.3 腦出血穿刺定位導板CT 或超聲引導是目前腦出血微創(chuàng)穿刺引流使用最廣泛的定位方式，3D打印的血腫穿刺定位導板可根據影像學數據顯示的顱腦結構及血腫位置，制造具有精確的穿刺體表定位標志及穿刺路徑的3D 導板，從而有可能實現精準定位，不受臨床操作經驗的制約[25]。有學者研究腦出血患者，考慮到患者高齡且出血量大，行開顱手術創(chuàng)口大、麻醉風險高等因素，于是選擇在局麻下聯合3D 打印定位導板分區(qū)精準定位引導腦內血腫穿刺清除加腦外引流術，術后7 天患者復查CT 提示血腫完全吸收，未見出血等并發(fā)癥，術后15天康復出院，生活部分可自理[26，27]。由此可見，3D打印定位導板對于急性腦出血血腫穿刺清除定位確實具有顯著優(yōu)勢，在急診醫(yī)學科中具有較大的應用潛能。

2.4 藥物輸送傳統的給藥模式無法根據患者的個體差異來精確地控制給藥方案，導致患者的依從性差[28]，特別是對重癥老年及兒童患者的治療，甚至經常會因服藥劑量不足或過量而導致不良反應的發(fā)生。3D 打印在藥物輸送和個性化藥物領域發(fā)展迅猛，是傳統給藥模式理想的替代方案，而且表現出優(yōu)異的藥物釋放動力學性能，從給藥途徑、給藥劑型到多藥物聯用，3D 打印都能夠設計和生產具有特異性釋放曲線的藥物輸送產品[29，30]。在重癥監(jiān)護室中，3D 打印生產的藥物輸送裝置可以通過設計一劑多藥分隔來避免同時使用多個藥物帶來的藥物相互作用或其他不良反應，此類裝置還可以通過將其設計為患者適合的劑型來解決多數重癥患者進食或吞咽困難的問題，如快速崩解的片劑[31，32]。

2.5 床旁即時檢測（POCT）床旁POCT 作為一種快速、便攜、即時的檢測方法，可顯著縮短從首診到臨床干預的時間，是ICU 和急診科醫(yī)生常用的臨床評估工具，有助于醫(yī)生對危重患者快速做出診斷并明確診治策略或對高危人群進行床邊監(jiān)測和采取預防措施[33]。微流控器件是POCT 技術的主要實現平臺，可實現實驗室研究轉向臨床實際應用。但是現有工藝難以滿足微流控芯片加工精度高、速度快、成本低的要求，而3D 打印憑借其在材料選擇范圍廣泛、可設計復雜結構以及高度自動化和定制化等方面的優(yōu)點，實現了微流控芯片的低成本、高質量、高精度批量快速制造[34，35]。各類設備的端口連接部件也可以通過3D 打印設計生產，大大簡化了研究設備與現有醫(yī)療設備集成所需的耦合步驟[36]，顯著增強了POCT 的臨床實用性及可行性。此外，利用3D 打印技術設計的智能傳感器，可實現精確液體控制、生化監(jiān)測、抗體檢測以及運動傳感，這在重癥患者的POCT、液體管理、感染預防及生命體征監(jiān)測等方面具有很好的應用前景[37，38]。

3 3D 打印發(fā)展趨勢與展望

3D 打印之所以能在醫(yī)學領域迅猛發(fā)展，主要是因為其有以下幾個主要優(yōu)勢：①醫(yī)技傳承，培訓青年醫(yī)生。實習醫(yī)生可通過術前模擬演練、術中觀察及術后復盤訓練，更好地掌握醫(yī)學技能[39]。②個性化的精準醫(yī)療方案。醫(yī)生根據影像數據打印出患者特異的病理模型進行術前規(guī)劃和模擬演練，了解患者之間的差異，將實踐錯誤從手術室移至培訓室，使手術更加精準。③醫(yī)患交流更直接有效。通過3D 模型，患者能更加了解自己的病情，而醫(yī)生通過模型演示更易獲得患者及家屬的支持和理解，更快地明確治療方案，減少醫(yī)療糾紛的發(fā)生[40]。

3D 打印可以使人們獲得低成本和高保真度模擬的機會。雖然市場上有較多商業(yè)化的模型產品，但其價格高昂難以在教學和臨床中普及，而3D 打印產品的生產成本更低，且能獲得更高的保真度，故3D 打印技術在醫(yī)學領域的發(fā)展具有很好的應用前景。目前其在急重癥醫(yī)學領域的應用尚淺，可能與該學科操作的高風險和侵入性特點有關，但隨著模擬訓練機會的增多，醫(yī)務人員對技術的掌握更有信心。