3D打印在婦科中的應(yīng)用研究進(jìn)展

魯春，張成

淄博市中醫(yī)醫(yī)院 科教科，山東 淄博 255000

引言

3D 打印技術(shù)又稱增材制造或快速成型技術(shù)，是在計(jì)算機(jī)輔助下以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，利用可黏合材料通過逐層打印方式來創(chuàng)建實(shí)體[1]。目前3D 打印技術(shù)已運(yùn)用于醫(yī)療行業(yè)的各個領(lǐng)域，有助于實(shí)現(xiàn)各種疾病的高效精準(zhǔn)診治，為個性化治療提供了新思路。臨床應(yīng)用3D 打印技術(shù)常見過程為：首先獲取CT 或MRI 薄層圖像，將圖像以DICOM 格式導(dǎo)出，利用Mimics 等軟件進(jìn)行處理，最終通過各種類型3D 打印機(jī)進(jìn)行打印。從最初的3D 打印模型，到輔助臨床具體手術(shù)操作的3D 打印導(dǎo)板和3D 打印內(nèi)植入物，包括一直處于研究中的3D生物打印和3D 打印器官，3D 打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。由于婦科解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在個體差異，如何精準(zhǔn)了解解剖構(gòu)造和病變部位，制定詳細(xì)有效的術(shù)前規(guī)劃，提高術(shù)后治療效果是臨床一大挑戰(zhàn)[2]。3D 打印技術(shù)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了婦科疾病個性化、精準(zhǔn)化治療，以宮頸腫瘤為例，3D 打印個體化施源器的采用，以及組織間插植的劑量補(bǔ)充可以解決因放療劑量分布不佳而影響療效的問題[3]。近年來，3D 打印技術(shù)在婦科中的應(yīng)用報(bào)道不斷增多，在婦科疾病診治、婦科醫(yī)師技能水平提升、醫(yī)患溝通交流等方面均取得了較好的臨床應(yīng)用效果，基于此，本文旨在針對3D 打印在婦科中的應(yīng)用情況進(jìn)行綜述，以期為相關(guān)領(lǐng)域的研究奠定一定的理論基礎(chǔ)。

1 3D打印模型在婦科中的應(yīng)用

1 ∶1 等比例的3D 打印模型可以更形象地顯示婦科各組織解剖結(jié)構(gòu)，是2D、3D 圖像轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)物的巨大飛躍。利用不同3D 打印材料可以打印出顏色、質(zhì)地各不相同的具體解剖部位，有助于觀察解剖結(jié)構(gòu)以及毗鄰重要軟組織，但不同影像學(xué)檢查類型、圖像厚度均會影響3D 打印模型的創(chuàng)建。有研究指出，1 mm 厚度的MRI 掃描圖像用于生殖器官的3D 打印取得了令人滿意的結(jié)果[4]。婦科醫(yī)師與經(jīng)驗(yàn)豐富的影像科醫(yī)師相互配合、密切協(xié)作能更好地處理圖像，可以完成更高質(zhì)量的重建，打印的模型更能反映真實(shí)的解剖結(jié)構(gòu)。3D 打印模型對于婦科手術(shù)的術(shù)前規(guī)劃、手術(shù)方案制定具有重要指導(dǎo)價值，此外3D 打印模型還可用于術(shù)前的醫(yī)患溝通交流和婦科低年資醫(yī)師的教育培訓(xùn)，有利于改善醫(yī)患關(guān)系和提升婦科醫(yī)師的診療水平。

1.1 3D打印模型在輔助婦科手術(shù)治療中的應(yīng)用

對于婦科各種腫瘤和癌癥疾病，手術(shù)治療是常用的治療方式，如何精準(zhǔn)完整切除病變部位、減少機(jī)體損傷是臨床的一個重要挑戰(zhàn)。良好的術(shù)前規(guī)劃有利于降低手術(shù)時間和減少相關(guān)手術(shù)并發(fā)癥發(fā)生率，尤其是一些小的婦科病變需要進(jìn)行手術(shù)切除的患者，3D 打印模型的臨床應(yīng)用提高了術(shù)前規(guī)劃的效率和準(zhǔn)確性。3D 打印模型有助于醫(yī)師與患者溝通和解釋病情[2]，在手術(shù)前使用3D 打印模型向患者及其家屬解釋病情，更加通俗易懂，可以使他們更好地了解自己的手術(shù)過程和預(yù)后。

Mackey 等[5]報(bào)道了1 例多發(fā)性子宮肌瘤的妊娠期患者，制造的3D 打印模型準(zhǔn)確地展示了子宮肌瘤的數(shù)量、大小和位置，進(jìn)一步確定子宮切口的最佳位置。術(shù)中利用3D 打印模型可以定位所有子宮肌瘤，減少殘留肌瘤的發(fā)生率，防止復(fù)發(fā)[6]。宮頸癌是最常見的婦科惡性腫瘤，近年來，該病呈年輕化發(fā)展趨勢。研究表明，結(jié)合患者的影像學(xué)資料制作的3D 打印宮頸癌模型不僅可以清楚評估腫瘤侵襲深度和周圍淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移，還可以為晚期癌癥患者提供潛在的治療策略[7]。Baek 等[8]利用3D 打印模型對早期宮頸癌患者進(jìn)行子宮切除術(shù)的研究結(jié)果表明，3D 打印模型的應(yīng)用為癌癥患者帶來了更好的手術(shù)和腫瘤學(xué)結(jié)果。Luo 等[9]報(bào)道了3D 打印模型在子宮內(nèi)膜癌患者手術(shù)中的應(yīng)用，將40 例子宮內(nèi)膜癌患者分為A 組（按1 ∶1 的比例打印出3D 模型，用于術(shù)前評估和判斷）和B 組（根據(jù)MRI 成像檢查進(jìn)行術(shù)前評估和判斷），各20 例，結(jié)果表明，A 組手術(shù)時間、術(shù)后肛門排氣時間、術(shù)后住院時間、手術(shù)出血量均顯著低于B 組（P＜0.05）；A 組情緒、認(rèn)知、社會和整體健康生活質(zhì)量得分顯著高于B 組，差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。即在3D 打印技術(shù)的支持下，可以準(zhǔn)確地進(jìn)行復(fù)雜的手術(shù)，提高子宮內(nèi)膜癌患者手術(shù)后的療效和安全性，改善了患者的預(yù)后和生活質(zhì)量，子宮內(nèi)膜癌病灶定位精準(zhǔn)，減少腫瘤殘留。樂芳舒等[10]利用3D 打印模型輔助宮腔鏡治療了19 例妊娠物殘留患者，證明3D 模型能夠清晰顯示子宮的三維結(jié)構(gòu)，可進(jìn)行妊娠物殘留手術(shù)難易度預(yù)判和精確定位，有助于縮短手術(shù)時間，減少手術(shù)并發(fā)癥。3D 打印模型可多角度、全方位、立體地觀察病變部位與各毗鄰臟器的關(guān)系，彌補(bǔ)二維圖像的不足[11]。3D 打印模型展現(xiàn)出了良好的臨床應(yīng)用結(jié)果，有利于提升婦科疾病的診治效率。

1.2 3D打印模型在婦科教育培訓(xùn)中的應(yīng)用

婦科體格檢查需要年輕醫(yī)師反復(fù)練習(xí)，不斷積累經(jīng)驗(yàn)，傳統(tǒng)的教學(xué)模型存在一定弊端，例如，操作過程中真實(shí)體驗(yàn)較差、不能有效與臨床具體病例相結(jié)合等，降低了教學(xué)質(zhì)量效果，也嚴(yán)重影響了學(xué)習(xí)積極性。3D 打印模型應(yīng)用于婦科教學(xué)培訓(xùn)可以使醫(yī)學(xué)生、規(guī)培生和低年資醫(yī)師等受訓(xùn)人員獲益[12]。Kiesel 等[13]報(bào)道指出，3D 打印女性骨盆模型可以提高培訓(xùn)人員婦科盆腔檢查的實(shí)踐水平和對相關(guān)解剖學(xué)空間的理解能力。Kiesel 等[14]的另一研究評估了3D 打印模型在醫(yī)學(xué)生婦科盆腔檢查實(shí)踐訓(xùn)練中的價值，通過對結(jié)果數(shù)據(jù)分析顯示，醫(yī)學(xué)生更認(rèn)可3D 打印模型的技能培訓(xùn)教學(xué)方式，提高了醫(yī)學(xué)生對婦科骨盆解剖的認(rèn)識和體格檢查的技能水平。劉奇英等[15]將3D 打印技術(shù)結(jié)合多元化教學(xué)方法應(yīng)用于婦科臨床教學(xué)，以異位妊娠教學(xué)為例，將兩個外科班級隨機(jī)分為3 組，分別采用傳統(tǒng)教學(xué)方法、PBL（Problem-Based Learning，以問題為中心，圍繞某一專業(yè)問題或病案例診斷進(jìn)行研究的學(xué)習(xí)過程）+LBL（Lecture-Based Learning，灌輸式的教學(xué)方法）+CBL（Case-Based Learning，以病例為中心，利用病例提出問題，給學(xué)生以懸念，然后再講解基本知識和基本理論）多元化教學(xué)方法及3D 打印技術(shù)結(jié)合PBL+LBL+CBL 多元化教學(xué)方法進(jìn)行教學(xué)，結(jié)果顯示，3D 打印異位妊娠模型結(jié)合PBL+LBL+CBL 多元化教學(xué)方法不僅能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，還能顯著提高學(xué)習(xí)效率，值得臨床推廣。3D打印模型應(yīng)用于婦科臨床教學(xué)，是對傳統(tǒng)教學(xué)模式的一種改進(jìn)，可以顯著提升教學(xué)培訓(xùn)質(zhì)量，體驗(yàn)感更好，受訓(xùn)者更易接受這種教育培訓(xùn)形式，能夠激發(fā)受訓(xùn)者的參與熱情，為傳統(tǒng)刻板的教學(xué)方式增添了活力。

2 3D打印施源器設(shè)計(jì)在婦科宮頸癌治療中的應(yīng)用

婦科癌癥是一個影響全世界婦女的持續(xù)性公共衛(wèi)生問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020 年全球?qū)m頸癌約有60.4 萬新發(fā)病例和34.2 萬死亡病例，我國宮頸癌新發(fā)病例和死亡病例分別為11.0 萬和5.9 萬[16]。近距離治療是宮頸癌根治性放療不可缺少的部分，包括腔內(nèi)和/或組織間插植，其治療作用不能被任何外照射所替代[17-18]。目前臨床上近距離治療施源器配置有宮腔管、穹窿管及陰道塞，相對固定單一，無法滿足個性化治療的需求[19]。此外腫瘤體積較大、形態(tài)不規(guī)則時還會導(dǎo)致放射劑量分布不均勻從而影響治療效果，有時陰道狹窄患者無法應(yīng)用常規(guī)配置施源器。近年來，3D 打印技術(shù)的臨床應(yīng)用，使宮頸癌患者近距離治療發(fā)生了重大變化。相比于標(biāo)準(zhǔn)化施源器，3D 打印個體化施源器能貼合病灶，有顯著劑量學(xué)優(yōu)勢，且三維近距離治療的適形性更高，靶區(qū)覆蓋更全面，危及器官的保護(hù)更好[20-21]。同時根據(jù)患者陰道長短及狹窄程度，3D 打印技術(shù)可以設(shè)計(jì)出不同尺寸的個體化施源器模板來進(jìn)行定位[22]。張絲雨等[23]指出，采用3D 打印圓柱形施源器引導(dǎo)腔內(nèi)聯(lián)合組織間插植近距離治療了大體積（＞40 cm3）伴宮旁浸潤的局部晚期宮頸癌患者，結(jié)果表明，3D 打印圓柱體施源器可以實(shí)現(xiàn)大體積伴有宮旁浸潤的局部晚期宮頸癌劑量覆蓋目標(biāo)，尤其對于宮旁外1/3 浸潤者有明顯劑量學(xué)優(yōu)勢。Qin 等[24]研究評估了復(fù)發(fā)性子宮頸癌癥患者3D 打印施源器陰道近距離放射治療的療效和安全性，證實(shí)使用3D 打印施源器可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的腔內(nèi)和/或組織間近距離治療，產(chǎn)生了良好的治療效果，毒性反應(yīng)在可接受范圍內(nèi)。對于宮頸癌需要近距離治療的患者，與傳統(tǒng)施源器相比，3D 打印施源器在臨床應(yīng)用時展現(xiàn)出了諸多優(yōu)勢，例如，貼合度更高、治療過程中更加舒適、照射覆蓋面更廣、劑量分布更合理、能夠減少對臨近組織的損傷等，符合現(xiàn)代醫(yī)學(xué)發(fā)展要求，可以實(shí)現(xiàn)個性化、精準(zhǔn)化治療。

3 3D打印模板在婦科宮頸癌治療中的應(yīng)用

對于婦科宮頸癌近距離治療患者，組織間插植需要一定的臨床經(jīng)驗(yàn)積累，針道的位置、長度、方向均可能會對治療結(jié)果產(chǎn)生影響，為解決針道插植問題，臨床上提出了3D 打印個性化模板用于婦科宮頸癌的治療。3D打印模板應(yīng)用于宮頸癌癥近距離放療具有提高效率和縮短學(xué)習(xí)曲線的潛力[25]。陳媛媛等[26]指出，3D 打印模板插植后裝放療聯(lián)合深部熱療對復(fù)發(fā)性宮頸癌有較好的近期療效，同時未增加不良反應(yīng)。侯光營等[27]指出，在局部晚期宮頸癌治療中，應(yīng)用3D 打印微創(chuàng)導(dǎo)向模板插植放射治療聯(lián)合深部熱療治療較傳統(tǒng)通用施源器三維腔內(nèi)后裝放射治療的近期療效顯著提高，不良反應(yīng)較輕，在靶區(qū)受照劑量及危及器官保護(hù)上也具有明顯優(yōu)勢。Marar 等[28]指出，對70 例宮頸癌患者進(jìn)行了302 次近距離治療，其中68 次采用3D 打印模板進(jìn)行近距離治療，234 次采用非3D 打印模板的近距離治療（133 次無需插植、101 次行徒手插植），證實(shí)3D 打印模板近距離放射治療在保留正常組織的同時實(shí)現(xiàn)了更大的腫瘤覆蓋率，特別是對于大體積腫瘤。張婷等[29]對3D 打印模具引導(dǎo)與徒手插植治療宮頸癌的劑量學(xué)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)3D 打印組的劑量分布更集中，其劑量均低于徒手插植組，劑量偏差也更小。3D 打印模板的臨床應(yīng)用大大降低了徒手插植的難度，增加了年輕醫(yī)師操作的信心，在顯著提升治療療效的同時明顯減少了不良反應(yīng)的反應(yīng)，有利于在基層醫(yī)院推廣應(yīng)用。

4 3D生物打印在婦科疾病中的應(yīng)用

3D 生物打印是3D 打印技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)技術(shù)相互交叉衍生而來的，是利用活細(xì)胞作為打印材料來創(chuàng)建組織或器官。3D 生物打印技術(shù)在婦科中的應(yīng)用仍處于實(shí)驗(yàn)研究階段，距離臨床廣泛應(yīng)用尚有一定距離，仍需要大量基礎(chǔ)和臨床研究支持。

4.1 3D打印卵巢在婦科疾病中的應(yīng)用

卵巢是女性生殖系統(tǒng)的內(nèi)分泌器官，控制卵泡發(fā)育和性激素分泌。青春期、月經(jīng)周期和更年期均與卵巢的狀態(tài)有關(guān)。然而，惡性腫瘤、原發(fā)性卵巢疾病和自身免疫性疾病等疾病會破壞激素分泌和卵泡發(fā)育。此外，化療、放療和卵巢切除術(shù)引起的醫(yī)源性損傷也會在一定程度上損害卵巢功能，導(dǎo)致月經(jīng)提前或閉經(jīng)，以及生育能力下降。模仿人類卵巢的人工卵巢作為治療這些疾病的一種手段，具有潛在的意義。近年來，3D 打印在再生醫(yī)學(xué)中展示了巨大潛力，隨著3D 打印技術(shù)和細(xì)胞生物學(xué)的發(fā)展進(jìn)步，使用新型生物墨水或體外方法可以創(chuàng)造出更多通用的器官。如Wu 等[30]使用明膠-甲基丙烯?；℅elatin Methacryloyl，GelMA）研發(fā)了一種3D 打印的卵巢，這是首次使用GelMA 水凝膠構(gòu)建人工3D 卵巢的研究，研究結(jié)果證明，3D 打印支架為卵泡發(fā)育創(chuàng)造了合適的微環(huán)境，這是實(shí)現(xiàn)該技術(shù)在女性生殖疾病臨床應(yīng)用的重要步驟，并為體外卵泡生長提供了一種新方法。Laronda 等[31]報(bào)道了使用3D 打印微孔支架制作的生物人工卵巢恢復(fù)了小鼠的卵巢功能?，F(xiàn)階段3D 打印卵巢尚處于實(shí)驗(yàn)研究階段，不能用于臨床，因?yàn)槿祟惵雅葸h(yuǎn)大于小鼠卵泡，目前實(shí)驗(yàn)中的支架結(jié)構(gòu)和微孔大小需要大幅調(diào)整，此外，由于人類卵泡會快速變大，尚不清楚這種支架方法是否能支持移植的人類卵泡存活。雖然3D 打印卵巢還需要進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)完善，但它的出現(xiàn)為卵巢功能喪失患者帶來了治療希望，提供了一種可能性，拓寬了臨床思路。相信未來3D 打印卵巢可以應(yīng)用于臨床，使卵巢疾病患者獲益。

4.2 3D生物打印子宮內(nèi)膜在婦科疾病中的應(yīng)用

宮腔粘連的形成與子宮內(nèi)膜干細(xì)胞所處的基底層損傷直接相關(guān)，因此也被認(rèn)為是干細(xì)胞缺乏或功能障礙相關(guān)的疾病[32]。夏瑞琦等[32]探討了3D 生物打印的子宮內(nèi)膜再生細(xì)胞生物支架用于治療宮腔粘連的可能性。子宮內(nèi)膜嚴(yán)重受損會導(dǎo)致瘢痕形成和子宮內(nèi)膜功能障礙，最終出現(xiàn)不孕或妊娠相關(guān)并發(fā)癥。由于子宮結(jié)構(gòu)、內(nèi)部環(huán)境和功能比較復(fù)雜，目前還沒有有效的方法來治療這種損傷。Nie 等[33]提出了一種基于藻酸鈉-透明質(zhì)酸水凝膠的3D 生物打印雙層子宮內(nèi)膜，16 只嚴(yán)重子宮內(nèi)膜受損的小鼠植入后，12 只小鼠恢復(fù)了生育能力。3D 生物打印技術(shù)是子宮內(nèi)膜病變治療一種新的選擇，3D 生物打印子宮內(nèi)膜具有重要臨床價值和意義。

5 總結(jié)與展望

目前3D 打印技術(shù)在婦科領(lǐng)域中的應(yīng)用尚處于探索階段，臨床應(yīng)用報(bào)道有限，但其展現(xiàn)出了巨大應(yīng)用前景，為更好地診治婦科各種疾病提供了一個新的研究思路。3D 打印技術(shù)在婦科中的應(yīng)用展現(xiàn)出了巨大潛力，為婦科疾病診治提供了便利，具有自身獨(dú)特的優(yōu)勢。3D 打印模型將復(fù)雜的婦科組織解剖關(guān)系形象地展現(xiàn)出來，更加真實(shí)可靠，可以為婦科手術(shù)成功實(shí)施進(jìn)行良好的術(shù)前規(guī)劃，包括手術(shù)入路選擇和避免關(guān)鍵臟器組織損傷等，能夠顯著降低手術(shù)時間和術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率，有利于患者術(shù)后快速康復(fù)。應(yīng)用3D 打印模型進(jìn)行術(shù)前談話，使得復(fù)雜的病情和手術(shù)操作過程變得通俗易懂，有助于醫(yī)患間的溝通交流，改善醫(yī)患關(guān)系。此外1 ∶1 等比例的3D 打印模型為婦科教學(xué)培訓(xùn)提供了巨大助力，提升了教學(xué)培訓(xùn)的整體效率，使得受訓(xùn)者體驗(yàn)感更佳。3D 打印施源器和3D 打印模板在宮頸癌近距離治療中的應(yīng)用使得3D 打印技術(shù)真正進(jìn)入婦科臨床實(shí)際操作，實(shí)現(xiàn)了婦科疾病的個性化、精細(xì)化和精準(zhǔn)化治療，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)通用施源器的不足，提高了治療療效，減少了不良事件的發(fā)生，是經(jīng)過臨床實(shí)踐證實(shí)了的安全、有效的治療措施。3D 生物打印技術(shù)為婦科一些疑難雜癥的治療提供了新方向，雖然許多研究尚處于實(shí)驗(yàn)階段，尚未普遍應(yīng)用于臨床，但均取得了不錯的階段性成果，應(yīng)用市場巨大，發(fā)展前景光明。當(dāng)然3D 打印技術(shù)臨床應(yīng)用也存在一定不足，例如，3D 打印材料有限，3D 打印費(fèi)用在國內(nèi)仍較高、3D 打印行業(yè)發(fā)展尚需要針對性法律法規(guī)的正確規(guī)范引導(dǎo)、3D 打印計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)程序操作比較繁瑣、宣傳力度不夠等。未來3D 打印技術(shù)在婦科中的應(yīng)用推廣需要醫(yī)工密切結(jié)合，切實(shí)貼合臨床需求，制定更加規(guī)范市場準(zhǔn)入機(jī)制，努力實(shí)現(xiàn)3D 打印卵巢和3D生物打印用于臨床疾病治療。在3D 打印的基礎(chǔ)上，4D打印技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其可以充分模擬人體組織愈合與再生的動態(tài)系統(tǒng)[34]。3D 打印技術(shù)在婦科中的應(yīng)用是跨時代的變革，為婦科疾病診治增添了新的活力，3D 打印在婦科中的應(yīng)用值得期待。