揭開3D打印在醫學領域的面紗

●馬昊楠/本刊記者

3D打印技術的出現，使得全球傳統制造業發生了顛覆性的改變。在業內人眼中，隨著3D打印技術的不斷發展和完善，3D打印在制造業中的影響力不亞于蒸汽機和發電機，甚者有人預測它的發展將引領第三次工業科技革命。近年來，依靠3D打印技術制造的產品，如飛機，房屋等不停地出現在人們的視線內，甚者在醫療領域內也能見到它的身影。那么3D打印技術能為醫療帶來何種改變？3D打印技術還能在哪些方面發揮作用？就這些問題，記者采訪了北京大學附屬人民醫院骨腫瘤科主任郭衛教授。

3D打印材料是關鍵

3D打印技術最早起源于20世紀80年代的美國快速成型技術。隨著技術的發展，時至今日，3D打印技術以計算機三維設計模型為藍本，通過軟件分層離散和數控成型系統，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、特殊材料等進行逐層堆積黏結，在制造業中獨領風騷。

郭衛教授對記者說：“目前3D打印技術在術前計劃的制定以及骨骼假體的制作方面有較為廣泛的應用，可以說目前在骨科，3D打印技術運用的最為廣泛。”

“以骶骨假體為例，在進行3D打印前，首先通過CT掃描采集到患者手術部位處的骶骨數據，醫生利用這些數據在電腦上設計出骶骨假體的三維模型，最后將這個三維模型的數據導入3D打印機，由3D打印機完成最后的假體制造。”郭衛教授進一步說道：“3D打印機的打印方式是逐層打印，換句話說，3D打印就是把設計好的三維模型分割成很多薄層，再將每個薄層逐個打印出來，并按照三維模型原本的樣子，用激光燒結的方式將它們結合到一起，但是3D打印機本身并不具備打磨的功能，因此，打印好的假體還需要進一步的打磨，清除假體上細小的‘毛刺’，不過3D打印的速度很快，一般的骨骼假體，不包含設計的時間，一天制作3、4個是沒有問題的。”

目前，3D打印技術雖然能將金屬、陶瓷、塑料、甚至生物材料作為原材料打印各種產品，但在醫療領域，最常見的還是樹脂材料和鈦合金粉末。

“3D打印技術雖然能打印多種材料，但在醫療領域，選擇最合適的材料，為患者提供最佳方案才是最重要的。在3D打印技術發明之前，鈦合金材料制作的骨骼假體在臨床上已經使用了幾十年，并且經過長期的臨床驗證，鈦合金材料在人體內不會對人體產生危害，其金屬強度也得到了骨科醫生的一致認可。因此，雖然采用了3D打印技術，但在假體材料的選擇上依然使用了傳統的鈦合金材料。而在制定術前計劃方面，無論是打印手術導板還是器官模型，它們的目的都是為了能讓醫生能更好的了解患者的病情，對患者的病灶部位有更直觀的了解，達到減小手術風險的目的。因此，價格便宜的樹脂材料更為適宜。”郭衛教授進一步說道：“隨著3D打印技術的不斷發展，未來3D打印在材料的選擇上勢必會有所突破。”

“可以這樣說，如果打印材料合適，沒有什么東西是打印不出的。隨著3D打印技術的發展，如果將制作假體的材料由現今的鈦合金變為更貼近骨骼的羥基磷灰石，然后通過細胞培養技術，使活細胞附著在假體之上，使其成為一個具有生物活性的羥基磷灰石假體，這種具有生物活性又貼近人體骨骼的假體自然是最理想的。”這種具有生物活性的假體在郭衛教授眼中并非天方夜譚。

3D打印改變了傳統模式

按照郭衛教授所說，目前3D打印技術吸引了大批骨科醫生的目光，3D打印技術在骨科中的應用也較為廣泛。究竟3D打印技術有何優勢，以至于引起大批骨科醫生的關注？對此，郭衛教授表示，與傳統技術相比它具有兩大得天獨厚的優勢。

3D打印技術的優勢之一便是改變了傳統的模具生產模式。“過去，我們想要生產一個產品，勢必離不開它的模具，例如制作一根圓珠筆桿，我們首先要制作出圓珠筆桿的模具，在這個模具中灌入塑料，經過加工后才是圓珠筆桿，對于金屬材料的產品亦是如此。如果我們要制作一個人工關節，就必須先生產出制作人工關節的模具，然后在模具中澆灌鈦合金，經過冷卻定型、打磨拋光等一系列工序，才能生產出人工關節，而3D打印技術的出現，使得模具不再是必需品。僅僅通過數字化的手段，就能夠制造出我們想要的人工關節。”郭衛教授進一步說道：“要知道，每位患者都是獨立的個體，人體骨骼獨特的結構以及患者病灶部位的差異，往往會使一些骨骼假體很難用模具制造，而依靠3D打印技術，可以直接生產出同一形狀、體積的假體，真正實現了骨骼的私人定制。不僅如此，由于在制作過程中不需要模具，假體的制造成本也有所降低。”

▲3D打印樣品

此外，依靠3D打印技術制造的骨骼假體還能夠和病灶部位的真骨“生長”在一起。郭衛教授說：“依靠3D打印技術，可以根據不同的患者需求在骨骼假體上設計出一系列數量、孔徑不一的網孔結構，當假體植入患者體內后，病灶部位受創的骨骼伴隨著生長，使得骨細胞能夠自然的吸附到假體的網孔結構上，使得真骨與假體之間結成一體。而傳統的以筑模方式制作的鈦合金假體并不具備這些網孔結構。”

除了在假體制作上有明顯優勢外，3D打印技術在術前計劃的制定上也可助醫生一臂之力。“以骨腫瘤為例，以前醫生們都是通過CT掃描圖像，得到患者病灶部位的平面概念，至于骨腫瘤應該如何切除，從何部位下刀，往往需要醫生在手術過程中決定。但隨著3D打印技術的出現，通過打印患者病灶部位的結構模型，醫生在手術前就可根據模型制定出嚴謹的手術方案。此外，在截骨手術中，醫生利用CT掃描采集到的患者數據精確設計截骨線，并運用3D打印技術依照截骨線制作出與患者截骨部位完全貼合的導板，在手術中將導板置入截骨部位，指導醫生精確截骨，使得截骨的準確性得到了極大提升。”郭衛教授補充道。

每個3D打印假體都需精密設計

“3D打印技術從原理上講并不復雜，如何設計出完美的假體才是最重要的。”在郭衛教授眼中，采用3D打印技術進行假體重建時，主刀醫生都會變成獨一無二的設計師。

“3D打印的假體最終是要成功的植入到患者體內，我們在設計假體結構時要充分考慮兩點因素，首先是假體本身釘道位置和截面大小。假體要固定在患者體內，固定時不能壓迫到真骨附近的神經孔，這就對假體釘道的位置有所要求，同時還要盡可能地保證假體與真骨呈現‘嚴絲合縫’的狀態，這就要求醫生在設計假體時充分考慮截面的大小。其次，醫生在設計假體時還要考慮到如何將打印好的假體在植入時，避開患者的神經和一些重要器官、組織。”

這一切在郭衛教授看來并不容易。他說：“這就要求醫生自身有大量的臨床經驗，對人體內的每塊骨骼和神經孔都了如指掌，如果醫生的經驗不足，就算假體被打印出來，也未必能順利地‘置入’患者體內。”

“可以這么說，假體的設計者必須是手術者，因為他能清楚地了解患者的整體情況，在設計假體的過程中能第一時間發現假體是否存在設計和植入的問題，并加以解決。”郭衛教授同時強調，每個3D打印假體從設計階段開始，直到假體植入患者病灶部位，這一系列的過程不僅考驗醫生的臨床技術水平，更是對醫生綜合素質的考驗。