三維打印技術(shù)的臨床應(yīng)用

鐘世鎮(zhèn) 方馳華

三維打印技術(shù)的臨床應(yīng)用

鐘世鎮(zhèn) 方馳華

近年來，三維（3D）打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用逐步展開。目前，3D打印在醫(yī)學(xué)教育培訓(xùn)、外科器械研發(fā)、假體植入等方面已經(jīng)發(fā)揮了重要作用。雖然在一定時間內(nèi)，3D打印的全面臨床應(yīng)用仍然面臨著許多挑戰(zhàn)和難題，但其蘊含著巨大的市場應(yīng)用前景。一旦技術(shù)上應(yīng)用恰當(dāng)，將會是人類醫(yī)學(xué)史上的又一次重大突破。

三維（three-dimentional，3D）打印技術(shù)也叫增材制造技術(shù)，是一種在計算機上利用斷層掃描圖像模擬立體形態(tài)，最終完成重建的新興技術(shù)，被視為帶動第三次工業(yè)革命的主要技術(shù)之一。1983年Chuck Hull發(fā)明了世界首臺3D打印機，1986年他在美國加利福尼亞州成立了3D Systems公司，標(biāo)志著3D打印技術(shù)的誕生。經(jīng)過30多年的發(fā)展，3D打印技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車制造等工業(yè)領(lǐng)域。近年來，其在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用也逐步展開。目前，3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育培訓(xùn)、假體植入等方面已經(jīng)發(fā)揮了重要作用。在未來，3D打印技術(shù)甚至可能徹底改變醫(yī)療領(lǐng)域，引發(fā)現(xiàn)代外科醫(yī)學(xué)的革新[1]。

1 3D打印技術(shù)在臨床中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)在臨床中主要應(yīng)用于構(gòu)建醫(yī)學(xué)模型、制造外科器械和植入物、研發(fā)藥物等[2]。目前，3D打印模型可大致分為三類：（1）非植入性3D打印模具，包括醫(yī)療解剖模型、康復(fù)輔具等，可用于臨床研究、手術(shù)規(guī)劃。（2）植入性3D打印模具：①具有良好的物理形態(tài)但無生理功能的模具：打印材料主要為鈦合金、生物陶瓷和高分子聚合物等，通過外科手術(shù)將模具植入體內(nèi)，如骨科3D人工定制器官，可植入體內(nèi)替代被切除的病變組織。②具有良好的物理形態(tài)和生理功能的模具：目前大多處于研究階段。（3）生物3D打印：采用細胞“墨水”等打印出具有活性的器官結(jié)構(gòu)，通過在體內(nèi)或體外培育完成，是最具價值的3D打印技術(shù)，目前正在研究初級階段。

1.1 3D打印技術(shù)在骨科的應(yīng)用 恢復(fù)人體缺失的骨骼一直是臨床醫(yī)師追求的目標(biāo)，3D打印技術(shù)可以實現(xiàn)這一愿景。手術(shù)切除有腫瘤的下頜骨后，可導(dǎo)致頜面部畸形、咬合錯位，通過計算機輔助設(shè)計建模和3D打印模具進行下頜骨重建，比傳統(tǒng)重建的匹配更精確，可使下頜骨外觀輪廓更好[3]。采用個體化定制的外科手術(shù)器械進行單側(cè)膝關(guān)節(jié)置換術(shù)，與傳統(tǒng)手術(shù)器械相比，植入位置更精確、膝關(guān)節(jié)使用時間更長，可減少患者術(shù)后的不良體驗。第四軍醫(yī)大學(xué)西京醫(yī)院郭征團隊采用金屬3D打印技術(shù)制備出與患者鎖骨和肩胛骨一致的鈦合金假體，并成功植入骨腫瘤患者體內(nèi)，是世界上首個將3D打印技術(shù)應(yīng)用于肩胛帶不定型骨重建的報告[4]。與傳統(tǒng)手術(shù)相比，3D打印的個體化鈦合金假體優(yōu)勢明顯：（1）3D打印模型大小、形狀等與腫瘤切除后骨缺損情況完全匹配。（2）表面多孔設(shè)計使軟組織更加帖服，骨長入率大幅提高。（3）假體制作成本降低，原材料消耗減少。2015年7月，北京大學(xué)第三醫(yī)院張克、劉忠軍團隊研發(fā)的3D打印人工髖關(guān)節(jié)技術(shù)獲國家食品藥品監(jiān)督管理總局批準(zhǔn)，為3D打印技術(shù)在骨科的應(yīng)用翻開了新的篇章。3D打印技術(shù)有潛力成為骨科個體化治療的有力工具，滿足不同性別、人種和職業(yè)的個體化需要，實現(xiàn)決策與治療技術(shù)的優(yōu)化[5]。

1.2 3D打印技術(shù)在肝膽外科的應(yīng)用 目前在肝膽外科，主要是運用3D打印技術(shù)制作忠于患者真實情況的肝臟、血管、腫瘤物理模型。3D打印技術(shù)可以輔助術(shù)者對術(shù)中的復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)或變異進行空間對比認(rèn)知；明確解剖間隙，防止重要管道的損傷；預(yù)見肝門部三級肝管的離斷位置及斷端數(shù)目；實時、有效導(dǎo)航圍肝門解剖和肝管離斷。2015年，上海市第一人民醫(yī)院彭志海團隊采用3D打印技術(shù)成功地打印出捐獻肝臟者的肝臟仿真模型，順利完成了1例復(fù)雜的小體積移植物原位肝移植[6]。董家鴻團隊為10例肝門部膽管癌患者的目標(biāo)病灶及肝門區(qū)脈管結(jié)構(gòu)制作出個體化等比例3D模型，并將3D模型消毒（環(huán)氧乙烷）后置入術(shù)野，與術(shù)中結(jié)構(gòu)進行實時比對，指導(dǎo)肝門部管道系統(tǒng)解剖，結(jié)合距離測算數(shù)據(jù)，實時導(dǎo)航肝管離斷。在3D模型輔助指導(dǎo)下，10例肝門部膽管癌根治術(shù)均成功完成，無圍手術(shù)期死亡[7]。方馳華等[8]將三維可視化、3D打印及3D腹腔鏡技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用于22例肝臟腫瘤的外科診治中，通過三維可視化技術(shù)可清晰辨認(rèn)腫瘤位置、肝臟脈管結(jié)構(gòu)，以及其立體空間關(guān)系。

3D打印技術(shù)實現(xiàn)了三維圖像向?qū)嶓w三維物理模型的跨越式轉(zhuǎn)變。進行腹腔鏡肝切除時，將3D打印模型帶入手術(shù)室與術(shù)中實時手術(shù)進行比對，通過調(diào)整3D打印模型并置于最佳解剖位置，可為手術(shù)關(guān)鍵步驟提供直觀的實時導(dǎo)航，有利于關(guān)鍵部位的快速識別和定位。3D打印技術(shù)使外科醫(yī)師跳出了“憑空想象”的窘境，為術(shù)前規(guī)劃和實際手術(shù)的精準(zhǔn)實施提供了保障。

一般認(rèn)為，3D打印不適合用于解剖結(jié)構(gòu)相對簡單的常規(guī)手術(shù)，尤其對有經(jīng)驗的外科醫(yī)師。3D模型不能替代或削弱外科技能訓(xùn)練、術(shù)中風(fēng)險控制意識和能力的培養(yǎng)。但個體化3D模型可輔助術(shù)者制定手術(shù)規(guī)劃和進行術(shù)前討論，以預(yù)見術(shù)中風(fēng)險，提高肝臟手術(shù)的確定性。

1.3 3D打印技術(shù)在其他臨床學(xué)科的應(yīng)用 （1）3D打印技術(shù)在神經(jīng)外科開展比較緩慢，2015年加拿大薩斯喀徹溫大學(xué)Ivar Mendez將3D打印大腦模型用于術(shù)前規(guī)劃。此外，還可以利用3D打印技術(shù)輔助腦血管硬化診斷、腦動脈瘤的測量，采用3D打印個體化顱骨植入物修復(fù)顱骨缺損。（2）在心胸外科，可以通過3D打印生物可降解夾板并植入體內(nèi)治療氣管軟化癥，避免主支氣管的塌陷[9]。（3）在血管外科，3D打印技術(shù)可以用于個體化血管模型、血管支架和人工血管的構(gòu)建。3D打印技術(shù)的應(yīng)用可將影像學(xué)圖像轉(zhuǎn)變?yōu)槟M的真實血管條件，從而利于醫(yī)師進行評估并進行預(yù)手術(shù)模擬手術(shù)過程；3D快速血管支架制造系統(tǒng)可以自行調(diào)節(jié)參數(shù)選擇支架大小，通過改變支架結(jié)構(gòu)使其具有更好的支撐力。其制作過程僅需幾分鐘，相對于傳統(tǒng)的金屬切割制作工藝更能節(jié)省材料。（4）在口腔頜面外科，可以按照醫(yī)師的要求制作出各種復(fù)雜的個體化托槽，打印出個體化的隱形義齒、頜面部骨骼等。3D打印為口腔頜面外科帶來的益處主要有：輔助手術(shù)設(shè)計和實施，完成高性能修復(fù)。研制新型頜骨修復(fù)體，節(jié)約材料，在獲得同樣性能或更高性能的前提下，顯著減輕金屬修復(fù)體質(zhì)量[10]。

1.4 3D生物打印的初步探究 生物打印是3D打印技術(shù)研究中最前沿的領(lǐng)域。如仿生耳的3D打印是將具有功能的電子元件與生物組織細胞通過3D打印交織在一起，并在體外進行培育而形成，具有感知接收無線電波的功能[11]。Lee等[12]利用細胞和生物材料并采用開放電極導(dǎo)管與3D技術(shù)結(jié)合制作出了一種新型的人工血管，這種血管具有一定的生理功能。2013年4月26日，美國Organovo公司成功打印出一個深度為0.5mm、寬度為4.0mm、具備真實肝臟多種功能的微型肝臟。一旦生物器官3D打印獲得實質(zhì)性突破，將會引起醫(yī)學(xué)史上的又一次飛躍。

2 3D打印臨床應(yīng)用的不足與展望

目前來說，3D打印技術(shù)在各個學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展參差不齊，面臨的問題主要包括：（1）費用昂貴，包括硬、軟件設(shè)備的購置及人員培訓(xùn)，費用從數(shù)千美元至百萬美元。（2）處理耗時，一般打印一個模具需要5h以上，有些甚至超過24h，使其無法應(yīng)用于大量生產(chǎn)，也不適合急診手術(shù)，尚不能在臨床大范圍推廣。（3）打印材料的種類和性能受限。（4）生物打印尚處于實驗室研究階段，仍需攻克許多技術(shù)難題。雖然在一定時間內(nèi)，3D打印技術(shù)的臨床應(yīng)用仍然面臨著許多挑戰(zhàn)和難題，但其蘊含著巨大的市場應(yīng)用前景。一旦取得技術(shù)上的突破，將會是人類醫(yī)學(xué)史上的重大突破，價值是無法估量的。因此，有必要投入更多的資金與技術(shù)進行深入研究，解決關(guān)鍵技術(shù)問題。

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[12]Lee VK,Kim D Y,Ngo H,et al.Creating perfused functionalvascular channels using 3D bio-printing technology[J].Biomaterials,2014,35(28):8092-8102.

（本文轉(zhuǎn)載自《中華外科雜志》2016年第54卷第9期）

510515 廣州，南方醫(yī)科大學(xué)解剖研究所（鐘世鎮(zhèn)）；南方醫(yī)科大學(xué)附屬珠江醫(yī)院肝膽一科（方馳華）

鐘世鎮(zhèn)，E-mail：zhszh@fimmu.com