3D打印技術在醫學領域中的應用研究進展

劉鳳珍，劉明信，王運華，李克義，張　彬

(聊城大學醫學院 聊城市人民醫院, 山東 聊城 252000)

3D打印技術在醫學領域中的應用研究進展

劉鳳珍，劉明信，王運華，李克義，張彬

(聊城大學醫學院 聊城市人民醫院, 山東 聊城 252000)

張　彬

摘要：3D打印技術是一種快速成型技術，通過重建的三維數字模型，將其分割成層狀后逐層堆積成實體模型。近年來隨著影像學、 數字化醫學和新材料技術的快速發展，3D打印技術在醫學領域的應用范圍越來越廣泛，越來越受到人們的重視。總結了3D打印技術在醫學領域的應用進展，分別就3D打印醫學模型、3D打印醫療器材、3D打印用于組織功能產品、3D打印活體組織和器官(如：人造肝臟組織、人造腎臟組織、人造血管、人造耳朵和人造皮膚等)以及其他方面的應用等進行了評述，并介紹了3D打印技術在現代醫學應用上的發展。最后根據3D打印技術的特點，提出應用展望，并分析未來的發展趨勢。

關鍵詞：3D打印技術；快速成形技術；醫學領域；應用進展中圖分類號：TP391

文獻標識碼：A

文章編號：1674-3962(2016)05-0381-05

1前言

“三維(3D)打印”(3D Printing)的學術名稱為“快速成形技術”(Rapid Prototyping Manufacturing, RP)，誕生于20世紀80年代后期，是基于材料堆積方法的一種制造技術[1-3]。3D打印的基本原理簡單來說就是它利用重建的三維數字模型，將其分割成層狀，然后逐層堆積成實體模型[4]。體化與精確化是21世紀醫學發展的方向。近幾年來，作為科技前沿的代表性技術，3D打印技術受到了國內外醫療行業的廣泛青睞[5]。如今，3D打印技術在醫學領域的應用范圍之廣已經遠遠超出了我們的想象，引起了廣泛的關注。

23D打印技術在醫學領域的應用

2.13D打印醫學模型

醫學模型以及醫用產品可用于醫學教學、手術前模擬和病例討論等。Waran等[6]報道了3D打印技術制備的頭顱模型協助教學、術前訓練等。Lee等[7]曾利用CT掃描獲得患者頜面缺損影像數據后進行三維重建，制備模型對缺損進行評估，并完成頜面部缺損的修復手術，體現了計算機技術與 3D 打印技術聯合并應用于臨床工作的可行性。Matthew等[8]利用CT三維重建與3D打印技術制備一名6歲小女孩肩胛骨腫瘤的模型，模型的可視化可以協助外科醫生進行病情解釋與術前病情分析。Debarre等[9]亦指出運用快速成型術對病變破壞與缺損區域進行建模比CT三維重建在臨床應用方面更有優勢，并對干骺端骨不連進行截骨術、肩關節成形術、股骨滑車成型術的不同患者進行術前建模，利用3D打印技術制備的模型或者植入物更加客觀形象地反應病變并成功地實施手術，手術效果令人滿意。Ciocca等[5]在腓骨瓣移植修復下頜骨部分切除術中用CAD/CAM技術制作模型，并用模型制作了用于指導下頜骨切除位置的裝置和腓骨瓣固定鈦板。他們認為現在用鈦板固定，也許未來可以直接制作再生支架用于骨缺損的修復。亦有文獻報道，一位美國兒科醫生成功地打印制作出人體心臟實物模型，用于復雜手術前的研究，使手術師更好地掌握了患者的心臟結構，以此減少了手術風險(如圖1)[10]。美國某醫院在實施頭顱分離手術前，首先使用3D打印機打印出了嬰兒連體頭顱模型，并對手術方案進行了充分的研究分析[11]。近年來，許多醫院也推出了3D打印胎兒服務[12]。目前，3D打印醫學模型已獲得很好的技術支持，使用多種材質進行打印，具備一定的打印速度，可有效減少制作時間，降低搬運損壞的風險，并可以根據需要隨時制作，有著非常廣闊的應用前景。

圖1　3D打印心臟模型Fig.1　Heart model by 3D printing technology

2.23D打印骨科醫療器械

在整形外科和口腔科手術中，針對患者個體化設計的手術已成為3D打印產業服務的重要內容。目前已有一些成功案例，如通過3D打印制造的醫療植入物如鈦質骨植入物、義肢以及矯正設備等。個性化手術導板是在術前依據患者手術需要而專門定制的個性化手術輔助工具，是將術前設計與手術操作聯接在一起的定制化橋梁[13]。Flugge等[14]利用三維重建和3D打印為患者設計、制作了個性化種植鉆孔導板。Fu等[15]利用3D打印技術設計前置椎弓根螺釘導板實現頸椎前路椎弓根螺釘的準確植入。目前，國內外已將種植體導板作為常規定位工具使用；國外20%的膝關節置換手術已轉向膝關節導板(圖2)的應用，而國內尚處技術開發的探索與求證階段[16]。

圖2　3D打印的膝關節手術導板：(a)股骨導板和(b)脛骨導板Fig.2　3D printing technology fabricated knee operation guide: (a) femoral guide and (b) tibial plate

圖3　3D打印下頜骨Fig.3　Mandible by 3D printing technology

美國研究人員利用3D打印機開發骨骼打印技術，研制出類似骨骼的材料，它可被用于骨科、牙科治療或開發治療骨質疏松癥藥物[17-19]。2012年，比利時Hasselt大學生物醫學研究所采用3D打印技術為一位83歲患者制作了一副鈦合金的下頜骨(圖3)，患者術后一天就恢復語言和吞咽功能[20]。

AKE EVILL設計出針對骨折患者的治療和康復輔助工具的新的解決方案，就是通過3D打印技術制作的新型骨骼固定支架(Cortex Exoskeletal Cast)(如圖4)。首先經過X射線和三維掃描確定病人斷裂的確切位置和骨折的肢體尺寸，將這些數據輸入計算機，生成最適合患者體形的最佳支持，然后用3D打印機將支架打印出來。這種支架成本不高、生產迅速，而且是針對每位病人的特點一對一制作，有助于傷處更好的恢復，同時穿戴式的使用方式簡單可靠。這個名為CORTEX的骨骼固定支架由聚酰胺(PA)構成，采用了仿生物骨骼的網狀有機形態，具有輕質、透氣及可清洗的特點。

圖4　3D打印骨骼固定支架Fig.4　Skeletal fixation bracket by 3D printing technology

北京大學第三醫院骨科主任醫師劉忠軍帶領的團隊在脊柱及關節外科領域研發出頸椎椎間融合器、頸椎人工椎體及人工髖關節等幾十個3D打印脊柱外科植入物，目前已進入臨床觀察階段，且已有45名患者在簽署知情同意書后，植入了3D打印出來的骨骼，并接受定期追蹤檢查(如圖5)。

圖5　3D打印頸椎椎間融合器Fig.5　Cervical intervertebral fusion cage by 3D printing technology

2.33D打印活體組織和器官

2.3.13D打印人造肝臟組織

據報道，微型人體肝臟也已被成功采用3D打印技術制備出來(如圖6)，同時3D打印的人造肝臟組織對于藥物研發也非常有價值，因為它們可以更確切地模擬人體對藥物的反應，有助于從中選擇更安全、更有效的藥物。目前，蘇格蘭科學家已經使用人類細胞3D打印出了世界上第一個人造肝臟組織[21-22]。赫瑞瓦特大學Will Shu博士研究小組與中洛錫安郡的Roslin Cellab公司合作將制造出更精確的人體組織模型，可用患者自己的細胞制造出可用的微型人類肝臟組織。

圖6　3D打印肝臟組織Fig.6　Liver tissue by 3D printing technology

2.3.23D打印人造腎臟組織

美國維克森林大學再生醫學研究所發布了最新科研成果，可以由一臺3D打印機放置多種類型的由活體組織提取出的細胞培育而成腎臟細胞(如圖7)，得到的產品接著被放在培養皿中進行培育。安東尼·阿塔拉博士使用的3D打印機并非采用墨水打印，而是使用一種類似凝膠的生物可降解材料，逐層打印腎臟[23]。

圖7　3D打印腎臟Fig.7　Kidney by 3D printing technology

2.3.33D打印人造血管

3D打印血管是三維彈性材料研究上的重大突破，有著廣泛的應用前景。德國研究人員利用3D打印技術，打印制作出柔韌的人造血管，并可使血管與人體融合，同時解決了血管免遭人體排斥的問題(如圖8)。該技術的應用有助于解決當前和今后人造器官短缺所面臨的困難[24]。3D 打印技術打印出的毛細血管，具有良好的彈性和人體相容性，不但可以用于更換壞死的血管，還可以與人造器官技術結合，部分取代藥物研發中的實驗動物。

圖8　3D打印人造血管Fig.8　Artificial blood vessel by 3D printing technology

2.3.43D打印皮膚

對大面積燒傷的人來說，進行植皮手術所需大面積的皮膚是很困難的，因此醫學研究中一直在尋找簡單的方法制造出植皮所需的皮膚。利用3D打印技術制作臉部損傷組織，如耳、鼻以及皮膚(如圖9)等，可以得到與患者精確匹配的相應組織，為患者重新塑造頭部完整形象，達到美觀效果。比起傳統技術，該方法更精確，材質選擇更加多樣化。威克森林大學再生醫學研究院的研究員們研究了一種用噴墨打印技術制造皮膚薄層的方法。這項技術使用的是三維打印機，制皮之前需要取傷者身上一塊不大于郵票的皮膚組織，分析這塊皮膚的層數分布后，這塊組織被放置在經過消毒的噴墨盒中，研究員進行編程并輸入打印機中，打印機將會按照程序，參照供體的細胞，利用一種膠體和特殊材料制作出與舊皮膚組織結構相同的新皮膚組織。這種方法遠遠優于傳統的皮膚移植技術，因為傳統皮膚移植技術需要患者正常的皮膚，而有些情況下，皮膚移植是痛苦的，并且對于全身燒傷的患者這種方法也不適用[25]。

圖9　3D打印皮膚Fig.9　Skin by 3D printing technology

2.3.53D打印人造耳朵

醫學界目前使用的人造耳朵主要成分為泡沫聚苯乙烯或患者人體肋骨組織。前者質感與人耳差異較大，后一種方式既困難又令患者十分疼痛，很難制成既美觀又實用的人造耳朵。研究人員認為，3D打印人造耳朵的優勢在于能夠個性化“定制”，幫助失去部分或全部外耳的人士。美國康奈爾大學研究人員利用牛耳細胞在3D打印機中打印出人造耳朵(如圖10)[26]。他們首先利用快速旋轉的3D相機拍攝數名病人現有耳朵的三維信息，然后將其輸入計算機，3D打印機會據此打印出耳朵模子。隨后在模子中注入特殊的膠原蛋白凝膠，這種凝膠含有能生成軟骨的牛耳細胞。此后數周內，軟骨逐漸增多并取代凝膠。3個月后，模子內出現一個具有柔韌性的人造外耳，其功能和外表均與正常人耳相似，其逼真度可以與人類真實耳朵相媲美。隨著3D打印技術所支持材質的增多、打印質量的精細化以及美容市場的壯大，在臉部修飾與美容方面的應用將有更加廣闊的天地，應用水平亦將得到進一步提高。

圖10　3D打印耳朵Fig.10　Ear by 3D printing technology

2.3.6其他醫學應用

另外，3D打印技術還可以用于藥物測試，加速改良測試過程。利用3D打印技術還可控釋給藥，可以通過特殊的藥片結構控制藥粉/藥劑的釋放過程，讓人體內的藥物吸收過程更為合理。除此之外，這項技術將大大降低藥品制作成本，使更多的患者能接受之前負擔不起的昂貴治療[27-28]。

3結語

3D打印技術的醫學應用成效明顯，利用3D打印機可制作適合個體的醫療用品，減少獲取環節和時間，臨時解決醫療用品不足的問題。隨著智能制造的進一步發展成熟，新的信息技術、控制技術、材料技術等不斷被廣泛應用到生物領域，3D打印技術在醫學領域的應用也將被推向更高的層面。未來3D打印技術的發展將體現出精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要趨勢。

一項新技術總是同時帶來利與弊，3D打印技術亦是如此。當我們享受3D打印技術帶給我們的便利時，也應考慮到它可能帶來的問題。當該技術所造人體器官的性能與適應性發展到足以替代人體多數組織器官時，人們可能會產生疑問，他們身體組織器官是否被各種打印成品所替代？在生物醫學領域，3D打印會不會面臨與克隆同樣的問題？人體的假臉、指紋和虹膜也可通過3D打印獲取，那么生物特征識別這些重要技術的有效性是否受到挑戰？隨著3D打印技術的發展，這些問題值得我們深入思考[29-30]。但是我們相信在不久的將來，3D打印結合數字化技術必然能在臨床應用中開創出一片廣闊天地。

參考文獻References

[1]Yan Yongnian(顏永年).JournalofMechanicalEngineering(機械工程學報) [J], 2010, 46(5): 93-98.

[2] Gu Liping(古麗萍).DigitalPrinting(數碼印刷) [J], 2011(10): 64-67.

[3] Berman B.BusinessHorizons[J], 2012, 55(2): 155-162.

[4]Rengier F, Mehndiratta A, von Tengg-Kobligk H,etal.IntJComputAssistRadiolSurg[J], 2010, 5(4): 335-341.

[5]Ciocca L, Donati D, Fantini M,etal.JBiomaterAppl[J], 2013, 28(2): 207-218.

[6] Waran V, Menon R, Pancharatnam D,etal.AmericanJournalRhinologyandAllergy[J], 2012, 26(5): 132-136.

[7]Lee S J, Lee H P, Tse K M,etal.CraniomaxillofacialTraumaandReconstruction[J], 2012, 5(2): 75-82.

[8] Matthew D T, Stephen D, Duncan B.JournalofRadiologyCaseReports[J], 2012, 6(1): 31-37.

[9] Debarre E , Hivart P , Baranski D.OrthopTraumatolSurgRes[J], 2012, 98(5) : 597-602.

[10] 3D打印心臟模型可使醫生手術前研究患者心臟[EB/OL]. (2013-5-23)[2014-11-27]. http://wenku.baidu.com/link?url=LLfPE1qm5EznUK1O_KXNq8r00D0Jb0Ea2ZM_LuyBpzbluhjBweCKNKf_6ypXM8WKC5mxKMxfnGKvi0j2 HyHw6oJU7kO-lKVoZ30eRwN-JPa

[11] Stephan J, Ronny G, Friedrich W M,etal.InteractCardioVascThoracSurg[J], 2008, 7 (1): 6-9.

[12] Rong An(容安). 3D打印技術為毀容者重塑面部 [EB/OL]. (2013-4-3) [2014-11-27]. http://news.xinhuanet.com/info/2013-04/03/c_132280565.htm

[13] Kfir A, Telishevsky-Strauss Y, Leitner A,etal.IntEndodJ[J], 2013, 46(3): 275-288.

[14] Flugge T V, Nelson K, Schmelzeisen R,etal.JOralMaxillofacSurg[J], 2013, 71(8): 1 340-1 346.

[15] Fu M, Lin L, Kong X,etal.PLOSOne[J], 2013, 8(1):e53580.

[16] Yang J C , Ma X Y , Li n J ,etal.IntOrthop[J], 2011, 35(12): 1 827-1 832 .

[17] Cohen A, Laviv A, Berman P,etal.JournalofOralandMaxiliofacialSurgery[J], 2009, 108(5): 661-666.

[18] Zhou Libin , Shang Hongtao , He Lisheng ,etal.JournalofOralandMaxillofacialSurgery[J], 2010, 68(9): 2 115-2 121.

[19] Chang H L, Jeffrey H, Takahiro S,etal.TissueEngineeringPartA[J], 2013, 20(7).

[20] Esses S J, Berman P, Bloom A I,etal.AmJRoentgenol[J], 2011, 196(6): W683 -W688.

[21] Nancy Owano. Organovo to Offer Preclinical Drug Tests Based on 3-D Liver Tissue [EB/OL]. (2014-08-13) [2014-11-27]. http://www.xconomy.com/san-diego/2014/08/13/organovo-to-offer-preclinical-drug-tests-based-on-3-d-liver-tissue/#

[22] Ben Coxworth. Functional Three-Dimensional Human Liver Tissue Created with 3D Bio-Printer. [EB/OL]. (2013-04-24) [2014-11-27]. http://medicalxpress.com/news/2013-04-organovo-ability-3d-human-liver.html

[23] DesRochers T M, Suter L,Roth A,etal.PlOSOne[J], 2013,8(3).

[24] Xiang Shunlu(向順祿), Yang Dongdong(楊冬東), He Ke(何 可),etal.VeterinaryTribune(獸醫導刊) [J], 2013, 9: 72-74.

[25] Cartié D D R , Dell’Anno G, Poulin E,etal.EngineeringFractureMechanics[J], 2006, 73(16): 2 532-2 540.

[26] Mannoor M S, Jiang Ziwen, James T,etal.NanoLett[J], 2013, 13 (6): 2 634-2 639.

[27] Genina N, Fors D, Vakili H,etal.EurJPharmSci[J], 2012, 47 (3): 615-623.

[28] Rodríguez-Dévora JI, Zhang B, Reyna D,etal.Biofabrication[J], 2012, 4 (3): 035001.

[29] Palmquist A, Snis A, Emanuelsson L,etal.JournaofBiomaterialsApplications[J], 2013, 27: 1 003-1 016.

[30] Murr L E, Gaytan S M, Medim F M,etal.PhilTransRSocA[J], 2010, 368: 1 999-2 032.

(編輯惠瓊)

Research Progress on Application of 3D PrintingTechnology in Medical Field

LIU Fengzhen, LIU Mingxin, WANG Yunhua, LI Keyi, ZHANG Bin

(Liaocheng People’s Hospital, Medical School of Liaocheng University, Liaocheng 252000, China)

Abstract：Three-dimensional (3D) printing technology is a kind of rapid prototyping technology, through the reconstruction of 3D digital model, dividing them layer by layer and depositing into solid model. In recent years, with the rapid development of 3D printing technology, its applications in medical field are wider and wider and attract more and more attentions. With the development of medical imaging, digital medicine and new materials, 3D printing technique will have a wider range of applications in medical field. This paper reviews the applications of 3D printing technology in the medical field, such as construction of medical model, medical equipments, the production of tissue and organ substitutes (such as artificial liver tissue, artificial kidney tissue, artificial blood vessel, artificial ear, artificial skin and others) and others. According to the characteristics of 3D printing technology, we also propose its forecast, and analyze the development trend in the future.

Key words：three-dimensional printing technology; rapid prototyping technology; medical field; application progress

收稿日期：2014-11-27

通訊作者：張彬，男，1956年生，教授， Email:ldcllfz@163.com

DOI:10.7502/j.issn.1674-3962.2016.05.08

第一作者：劉風珍，女，1978年生，副研究員