3D打印技術在臨床中的應用現狀及展望

孫小磊，汪纓，張暉，何偉

南京醫科大學第一附屬醫院，江蘇 南京 210029

3D打印技術在臨床中的應用現狀及展望

孫小磊，汪纓，張暉，何偉

南京醫科大學第一附屬醫院，江蘇 南京 210029

3D打印是“增材制造”的主要實現形式，對于產品開發和制造來說，3D打印能夠帶來無限的可能性，特別是其在臨床中的實踐應用和發展前景引起了全球的廣泛關注。本文通過醫學模型設計、再生組織器官、醫療器械制造3個方面詳細闡述了3D打印技術在臨床中的應用現狀及意義，并根據現狀對3D打印技術在臨床中的發展提出了展望。

3D打印；增材制造；醫學模型；再生組織器官；器官移植

引言

3D打印技術出現在上個世紀，是制造業領域正在迅速發展的一項新興技術，被稱為“具有工業革命意義的制造技術”。3D打印是“增材制造”（Additive Manufacturing）的主要實現形式[1]。“增材制造”的理念區別于傳統的“去除型”制造。傳統數控制造一般是在原材料基礎上，使用切割、磨削、腐蝕、熔融等辦法，去除多余部分，得到零部件，再以拼裝、焊接等方法組合成最終產品[2]。而“增材制造”與之截然不同，無需原胚和模具，就能直接根據計算機圖形數據，通過疊加材料的方法生成任何形狀的物體，這種方法可以簡化產品的制造程序，縮短產品的研制周期，提高效率并降低成本。

1 3D打印技術概述

1.1 3D打印技術的流程原理

3D打印技術是快速成型技術的一種，運用該技術進行生產的主要流程是：應用計算機軟件，設計出立體的加工樣式，然后通過特定的成型設備（即3D打印機），用液態、粉末或絲狀的固體材料逐層“打印”出產品。3D打印的前提是需要三維數據，沒有三維數據就無法進行3D打印[3]。三維數據可以通過使用三維掃描儀、三維掃描儀+逆向設計或CAD建模等獲取。獲取的三維模型轉換為3D打印標準文件格式STL格式，其中STL格式是存儲三維模型信息的一種簡單方法，它將復雜的數字模型以一系列的三維三角形面片來近似表達。其次將三維數據分割成二維數據，即把整個三維模型沿水平面切割成一定數量的二維薄片，對應每一個薄片生成其平面尺寸數據，切成薄片的數量由制作材料和打印機本身決定的，理論上講，分割的層數越多（薄片的數量越多），打印出的產品尺寸越接近原始設計數據[4]。3D打印在數據分割完成后進行打印，實際是利用材料的自身厚度經逐層堆積后形成三維產品的，各層之間的結合是靠噴嘴中噴出的膠水來粘結，故打印時可看到噴一層材料粉末，再噴一層膠水的工藝過程，最后經過后續的處理如固化、修整、上色等即成為一件完整的3D打印產品[5]。

1.2 3D打印技術的主要類型

臨床上的常見3D打印技術有：選擇性激光燒結成型（Selective Laser Sintering，SLS）、激光光固化（Stereo Litho graphy Appearance，SLA)、熔融沉積造型（Fused Deposition Modeling，FDM）、分層實體制造（Laminated Object Manufacturing，LOM）等[6]。

（1）SLS。采用激光有選擇地分層燒結固體粉末，并使燒結成型的固化層層層疊加生成所需形狀的物件，整個過程包括建模及數據處理、鋪粉、燒結以及后處理等。常采用金屬、陶瓷、塑料等材料的粉末作為成型材料。特點是材料適用面廣，不僅能制造塑料物件，還能制造陶瓷、金屬、蠟等材料的物件，造型精度高，原型強度高。

（2）SLA。以液態光敏樹脂為材料充滿液槽，由計算機控制特定波長與強度的激光束跟蹤聚焦層狀界面軌跡，使液體樹脂固化，由點到線，由線到面順序凝固，層層疊加固化，最終得到一個三維實體模型。該方法的特點是原型件精度高，零件強度和硬度好，可制造出形狀特別復雜的空心物件，生產的模型柔性化好，可隨意拆裝，是間接制模的理想方法。

（3）FDM。以熱塑性成型材料絲為材料，利用電加熱方式將絲材加熱至略高于熔化溫度，在計算機的控制下，噴頭作平面運動，將熔融的材料涂覆在工作臺上，冷卻后形成工件的一層截面，當一層成形后，噴頭上移一層高度進行下一層涂覆，逐層由底到頂地堆積成一個實體模型或零件。該方法的特點是使用、維護簡單，成本較低，速度快，一般復雜程度原型僅需幾個小時即可成型[7]。

（4）LOM。以片材為原材料，將背面涂有熱熔膠的片材用激光切割，切割完一層后，將新的一層疊加上去，利用熱粘壓將已切割層粘合在一起，然后再切割，這樣一層層地切割、粘合，最終成為三維物件。該方法特點是模型支撐性好、成本低、效率高，常用材料是紙、金屬膜、塑料膜等，此方法除了可以制造模具、模型外，還可以直接制造結構件或功能件。

除此之外還有三維噴印技術、電子束熔化成型技術等，對于產品開發和制造來說，3D打印技術能夠帶來無限的可能性，其應用領域在不斷擴展，如今3D打印技術已經在汽車行業、航空航天、機械制造、建筑設計、模具制造、醫療行業等各個領域得到廣泛應用[8]。

1.3 3D打印材料

3D打印技術并不復雜，關鍵點在于材料。普通打印機的耗材是墨水和紙張，但3D打印機的耗材主要為膠水和粉末，而且材料必須經過特殊處理，對其固化反應速度等也要求很高。根據化學組成，3D打印材料分為金屬材料、陶瓷材料、復合材料和聚合物等[9]。

3D打印技術對打印材料要求較高，因此需要針對不同的模型選擇合適的材料，例如打印生物模型或組織，要求其材料必須具有生物相容性、可降解性[10]。目前臨床主要的3D打印材料有耐高溫及高性能的PC材料、ABS樹脂材料等[11]。ABS材料具有強度高、韌性好、耐沖擊等優點，正常變形溫度超過90℃，可進行多樣加工，且顏色種類豐富，廣泛應用于醫學模型的3D打印，打印出的模型解剖結構清晰、細節逼真。此外很多金屬材料如不銹鋼、鈦、鈦合金、鈷鉻合金、鋁合金等在臨床3D打印中也有廣闊的應用空間。鈦及其合金是非常理想的的醫用3D打印材料，與常用的不銹鋼、鈷鉻合金相比具有優異的耐腐蝕性、強度高、耐熱度高、生物相容性好，常用作人體的植入物，通過3D打印技術得到的醫用鈦合金產品，在個性化植入物、口腔、頜骨修復、人體骨架、人工關節等方面得到了成功的應用[12]。

但是，3D打印材料的單一性、材質本身特性等因素制約了3D打印技術在臨床上的應用與發展，許多3D打印材料的生物特性、功能性、相容性以及可降解性有待進一步研究，能夠滿足臨床應用要求的打印材料不夠豐富且成本較高，這些問題都需要得到解決[13]。

2 3D打印技術在臨床中的應用現狀

2.1 醫學模型設計

在臨床應用中，3D打印技術目前已在骨科、外科、牙科等各專業開始使用和發展，已成功的打印出了頭顱模型、心臟模型、骨骼模型、血管模型等各組織器官模型，其可視化三維模型有助于更好地理解相關解剖部位，有利于指導醫生個體化治療和診斷[14-15]。利用3D打印技術打印出來的模型能將器官和組織內部結構的細節逼真地顯示出來，使醫學知識變得更為直觀明了，可用于臨床、教學和術前模擬、優化手術設計方案，實現精確化、個性化手術[16]。復旦大學附屬中山醫院首次將3D打印技術應用于經導管主動脈瓣置換手術（Transcatheter Aortic Valve Implantation，TAVI），成功為一位77歲高齡的主動脈瓣重度狹窄合并關閉不全患者實施了TAVI手術規劃與導航。該案例通過3D打印技術將患者二維影像數據轉化成實物大小的心臟模型呈現在醫生眼前，提供更多傳統影像學檢查難以顯示的豐富信息，使手術更準確安全。通過采集該患者高分辨率CT及心臟超聲影像，為其打印出完整的心臟及主動脈3D模型，據此制定周密細致的手術規劃與實施方案，僅耗時1 h即順利完成TAVI手術，患者X線暴露時間比既往縮短一半，造影劑用量減少1/3，術中、術后生命體征非常平穩，復查顯示人工瓣膜定位準確、工作正常。同樣，對于復雜創傷、脊柱外科和關節外科等手術，可以通過3D打印技術設計出椎弓根、髖臼等手術導航模板，顯示出其在臨床、教學工作中良好的應用前景[17]。近年來，利用3D打印技術進行的醫學模型設計已經廣泛應用于臨床教學和骨科、整形外科、牙科等精確化、個性化手術中，為臨床發展注入了新的生命力。

2.2 再生組織器官

人體組織器官移植一直是臨床醫學上的一個難題，器官來源阻礙了移植醫學的發展，很多患者也可能會因此喪失生命。隨著3D打印技術的發展，3D打印人體組織器官已經成為可能[18]。生物3D打印是3D打印技術最前沿、最有價值的領域之一。利用3D生物打印技術，以含有活體細胞的“生物墨水”為材料，打印出一層細胞組織架構，然后按3D成型技術進行制造，逐漸形成立體的細胞組織架構，最終獲得所需的人工器官和組織。德國研究人員利用3D打印技術制作出柔韌的人造血管，可以與人體組織融合，不但不會發生器官排斥，而且還可以生長出類似肌肉的組織，該研究成果有望用于人體試驗和藥物測試等臨床應用[19]。在器官移植的制造方面，3D打印技術有著廣闊的空間，目前器官移植的來源主要靠捐贈，而捐贈的器官存在免疫排斥的風險，常常會導致器官移植失敗。利用人體自身干細胞，通過3D打印技術打印出的器官可以避免這一風險。目前已經有學者已成功打印出耳朵、鼻子、微型人體腎臟、肝臟等人體器官。例如，有外國科研人員采用3D打印技術成功配合人體自身細胞，使用加入細胞混合物凝膠的可生物降解腳手架，逐層構建出了腎臟[20]。相信隨著科技的進步，移植組織或器官不足的難題必將得到解決。

2.3 醫療器械制造

利用3D打印技術打印制造醫療器械有著顯著地優越性，可以顯著提高醫療器械的精確度，科研人員利用3D打印技術打印制造的矯正器解決了矯形手段與輔助工具不能靈活調整的問題，能夠做到矯形部位與矯形器完全匹配，提高了矯形器的擬合效果[21]。同時，3D打印大大地簡化了產品的制造程序，縮短產品的研制周期，提高效率并最終降低成本。例如3D打印技術打印一顆牙齒只需10 min，而傳統種牙技術牙則需要3 d[22]。3D打印的助聽器可把傳統復雜的工序縮短為簡單的3個工序，即掃描、建模、打印。同樣3D打印技術在各類醫療器械的制造方面已被廣泛應用，在輔助治療中使用的醫療裝置方面，3D打印技術打印的如矯正器、助聽器、導航板、關節支架等諸多醫療器械，已經成功地在臨床上得到應用[23]。在手術器械方面，個性化的手術必將使傳統醫療設備適應新的醫療模式，個性化、定制化的手術和其他功能治療過程需要配備個性化的手術器械，這些新的手術器械開發、制造可通過3D打印技術來實現。總而言之，在各類體內外器械、手術器械、輔助醫療器械等的研發與制造過程中，3D打印技術正發揮著巨大的作用，也可以說3D打印技術正引領著醫療器械研發、制造的技術革命。

3 前景展望

目前，3D打印技術還沒有在臨床上得到普遍化應用，其主要局限在打印材料上，3D打印材料的材質特性與單一性制約著其發展。例如，利用金屬粉末打印出假體的生物力學性能達不到傳統工藝制造的假體性能，生物打印的材料只能利用單一的活性細胞打印組織器官，并不能實現人體組織器官功能的復雜多樣性[24]。除此之外，3D打印技術在臨床應用的法律法規還不夠完善，各類3D打印技術在臨床中的行業規范與標準的制定等諸多問題，例如對知識產權的保護，對危險物品設計與制造的限制等[25]。此外，3D打印人體器官組織等涉及到社會道德和倫理問題。但3D打印技術的應用前景是十分廣闊的，機遇與挑戰并存，應當將3D打印技術限定在合理的、不至于威脅人類社會生存與發展的范圍之內，使之更好地造福于全人類。

隨著材料技術的不斷發展與完善、打印材料質量不斷提高，先進材料如智能材料、納米材料、新型聚合材料、合成生物材料、石墨烯材料等也開始成為3D打印材料，使打印材料更加多樣化、成本更低，這些都有利于3D打印技術在醫療領域發展。我國制定的首部關于3D打印技術的產業發展規劃《國家增材制造產業發展推進計劃（2014-2016）》，從醫用3D打印材料的研發生產、醫用3D打印裝備的研制、醫用3D打印裝備應用進程和加強醫用3D打印人才培養4個方面作出了規劃，相信在未來的5～10年，隨著臨床技術的不斷進步和市場需求的不斷擴大，也隨著3D打印技術的打印精度和效率等的不斷提高以及3D打印設備的成本降低等，3D打印技術在臨床上的應用將會更加高效化、精確化和普遍化[26]。

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本文編輯 劉峰

Clinical Application Status and Prospect of 3D Printing Technology

SUN Xiao-lei, WANG Ying, ZHANG Hui, HE Wei
the First Affiliated Hospital of Nanjing Medical University, Nanjing Jiangsu 210029, China

3D printing is the main implementation of additive manufacturing, and can bring infinite possibilities for product development and manufacture. It has drawn widespread concern across the world, especially its clinical application and development prospect. This article elaborated the clinical application status and significance of 3D printing technology from aspects of medical model design, tissues and organs regeneration, medical devices manufacturing, and put forward development prospect of 3D printing technology in clinical application.

3D printing; additive manufacturing; medical model; regenerative tissues and organs; organ transplantation

TG665；TH774

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.01.026

1674-1633(2017)01-0099-04

2016-03-14

2016-03-29

作者郵箱：749856490@qq.com