郝永強:讓3D打印助力脫胎換骨

胡德榮

來自天山腳下的新疆哈薩克族大姐伊娜，前幾天回到上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院骨科復診。新冠肺炎疫情期間，該院骨科郝永強教授團隊，幫助患有骨盆巨大腫瘤的伊娜解決了大問題。

伊娜說不清楚自己這個手術里面那些復雜的專有名詞。其實，她接受的是基于3D打印“三位一體”的個性化醫療模式。通過手術，醫生幫助伊娜精準切除了右側半骨盆腫瘤，并精準安裝了3D打印定制型半骨盆假體。

術后兩周，伊娜順利出院。這次回醫院復診，她最滿意的是身體的功能恢復。

截至目前，郝永強教授團隊已經為200多名患者實施3D打印個性化金屬骨盆功能重建，實現了骨科手術從“削足適履”到“量體裁衣”治療模式的重大轉變，也讓中國以骨腫瘤切除重建為代表的個性化骨科醫療，走在了世界前沿。

買不起也等不起

“由于骨腫瘤的保肢治療中，腫瘤切除后骨關節缺損形態各異，傳統的標準化假體無法重建或效果不佳，因此，我們醫師必須想辦法解決這個問題！”郝永強教授介紹說，個性化重建假體，是骨腫瘤保肢治療的剛需。但在增材制造出現之前，減材制造制備的個性化重建假體，僅在少數發達國家能夠實現。定制費用一般在數萬美元，定制周期至少需要3個月。這對于國內的骨腫瘤患者來說，一是經費上承擔不起，二是時間上也等不起。

早在20世紀70年代后期，中國工程院院士、骨科大咖戴尅戎就開始了個性化骨關節假體的設計、應用與轉化研究。20世紀80年代始，他們的團隊就設計出包括人工半骨盆、人工踝關節、肩關節的第一代個性化假體，并基本上構建了個性化假體的基礎技術體系，發展出更先進的第二代假體。但是，假體的關鍵設計和制造時間，仍是巨大的瓶頸。

郝永強師從戴尅戎院士攻讀骨外科學專業博士學位后，開始把全部的精力投入到骨腫瘤等骨科復雜疾病的個性化治療當中。2010年前后，金屬3D打印機的面世及技術的日臻成熟，讓郝永強看到了機會。他在前輩研究成就的基礎上，聚焦臨床需求，開始了第三代個性化假體的研究探索。

這其中，郝永強團隊開展了大量的原創及自主創新工作，包括設計及應用軟件的研發。“如今，我們可以應用自己研發的CT/MRI數字融合計算機軟件，來重建腫瘤真實邊界，并通過3D打印把病變模型打印出來，在模型上討論手術規劃。如何把腫瘤精準切除？如何設計手術輔助導板？如何安裝個性化重建假體？復雜的手術操作，被一個一個仔細討論后，變得相對簡單了。”郝永強說。

還有一個問題，受到越來越多的關注：如何根據患者疾病的特殊性，賦予假體個性化的特殊功能呢？即便是3D打印最常用的金屬材料鈦合金，也是惰性金屬，與骨骼之間無法整合，永遠存在金屬假體—骨骼的界面。這個難點，也是第一代第二代個性化假體失效的主要原因。

郝永強帶領他的團隊做了大量的研究，經過不斷篩選，在與骨接觸的假體表面打印出能夠讓骨長入的金屬骨小梁，實現了鈦合金跟骨骼的完美融合。3D打印個性化骨關節假體，真正成為了患者身體的一部分。“3D打印技術賦予了個性化假體表面金屬骨小梁，從而實現了金屬假體—骨界面整合，這種理念和技術的突破，堪稱一個里程碑。”郝永強說。

個性化與安全化

3D打印又稱增材制造技術，是制造技術的一次革命性突破。目前來看，大型醫院建立醫學3D打印技術科室服務臨床，已經成為一種趨勢。

那位新疆患者伊娜，發現行走時右髖部疼痛，到當地醫院就診后，接受了右側股骨頭壞死的手術治療。術后一年半，伊娜右髖疼痛不適復發，當地醫院再次為她做了手術，切除的局部病灶組織的病理檢查結果提示為“軟骨肉瘤”。2020年年初，伊娜的右髖部再次出現疼痛不適。拍片顯示，她的骨盆腫瘤已經非常巨大，手術異常困難。

經多方打聽，她得知上海九院骨科團隊應用3D打印技術解決過許多醫學難題，尤其在骨盆腫瘤治療方面有著豐富的臨床經驗。時值全國新冠肺炎疫情形勢嚴峻，各地防控要求嚴格，但伊娜的病情發展已容不得更多猶豫。幾經周折，他們一家來到了上海。

結合相關檢查數據，郝永強團隊反復討論后，為伊娜量身定制了一套手術方案：骶髂關節、恥骨聯合離斷和3D打印個性化骨盆假體保肢重建。3D打印中心為伊娜在短期內設計、制備了3D打印個性化骨盆腫瘤模型、3D打印個性化手術輔助導板、3D打印個性化骨盆重建金屬假體。

導入設計好的數字文件，給3D打印機鋪上一層細若微塵的鈦粉，輕輕按下“開始”按鈕，電子束在照射區形成的1100攝氏度高溫，讓金屬微粒自然熔解……只一天時間，1∶1比例的3D打印產品都準備好了。

手術中，郝永強團隊采取了3D打印“三位一體”的創新治療模式，完整切除了帶有腫瘤的半骨盆，同時安裝上3D打印假體。伊娜不僅免去了截肢之苦，更保住了生命。

郝永強介紹說，骨盆的解剖位置特殊，骨盆腫瘤患者面臨腫瘤切除安全邊界難以確定，重要臟器、血管神經易發生損傷等諸多問題。長期以來，骨盆區域曾被視為手術的禁區，骨盆腫瘤切除與保肢重建是公認的世界性難題。“尤其是20世紀80年代以前，如果患者確診為骨盆惡性腫瘤，便面臨著生死抉擇。1/4半骨盆截肢是病人存活下來的唯一治療選擇，但即便僥幸活下來，生存質量也極差。”郝永強描述了當年骨盆腫瘤患者面臨的絕境。

現在，新的治療模式讓重度骨盆疾病患者有了更好的治療效果和生活質量，實現了真正意義上的“個性化”與“精準化”。對醫生來說，也實現了復雜手術簡單化、危險手術安全化。在2018年度上海市科學技術獎勵大會上，郝永強領銜完成的項目“骨盆腫瘤精準切除與個性化功能重建的關鍵技術創新與推廣應用”，獲得上海市科學技術進步獎一等獎。

醫工合作好看病

上海九院在3D打印醫學應用領域能如此超前，一個重要的原因是得益于醫（生）工（程師）的緊密合作。在上海九院骨科，醫生的同事不僅僅有醫生，還有工程師。

“醫工合作已經融入我們醫院每位醫生的血液里面了。戴尅戎院士就是醫工合作的先行者。如果工程師聽不懂醫生在說什么，醫生看不懂工程師在做什么，那么產品設計、制備和應用上一定會出偏差！”郝永強說。

說到醫工交叉，責任首先在醫，因為醫生是個性化需求的提出者，也是最后把個性化治療方案與個性化醫療產品應用到病人的執行者。所以，上海九院的3D打印中心，在這方面已經建立了非常好的制度。醫工交互過程中經反復討論，最后由富有個性化醫療經驗的醫生確定方案。參與其中的工程師其實也非常重要，他會把醫生提出的醫療需求通過工程學得以實現，再讓醫生應用到患者身上。這個過程，每一環都是關鍵。

郝永強說：“所以，我們首創了3D打印接診中心，工程師跟醫生一道看病，一道討論手術規劃、假體設計的工作模式。工程師必須進手術室看手術，看自己的設計在實際應用中有沒有問題、如何優化改進。包括術后隨訪，工程師也要參與，發現問題，解決問題。個性化醫療模式有別于傳統醫療模式，是真正為病人‘量身定做的服務，是一種醫療理念及實踐的顛覆性革命。”

理念的轉變至關重要。醫生所承擔的醫療責任、所付出的辛勤勞動，要比標準化醫療多得多。每次手術前，醫生和工程師都會反復多次討論，應用計算機模擬骨盆腫瘤的邊界及腫瘤切除后的骨盆缺損狀況，再設計并3D打印個性化的骨骼病變模型及定制的個性化金屬假體。很多時候，這個過程少不了反復推敲。

多發力多點開花

上海九院的3 D打印團隊，越來越受到世界同行的關注。在這個領域辛勤耕耘多年，郝永強感觸良多。骨腫瘤在骨科領域是最難、最具挑戰性的，有些骨科醫生可能會敬而遠之。“因為需要付出太多，太累了。”郝永強解釋道，“骨腫瘤外科醫生不光會做手術，還要具備多種能力，扮演多種角色。我們多年前就組建了多學科合作團隊（MDT），為個性化假體設計及制備，又組建了醫工交叉多學科團隊。”正因為這個工作復雜程度高、風險大，需要的團隊力量非常強，所以目前國內大部分醫院還沒有開展。

這讓郝永強感覺到肩上的擔子很重：“我們需要盡快將個性化醫療理念及相應技術推廣至全國， 造福于千千萬萬亟須治療的患者。”

2013年，上海九院在全國發起成立了第一家醫院的3D打印技術臨床轉化中心，由3D打印接診中心、3D打印創新研發中心、3D打印后處理中心組成。2015年，上海交通大學醫學院打印中心成立。2016年，上海交通大學醫學3D打印創新研究中心成立，并在全國20多個省、直轄市成立分中心，通過技術交流輻射，進一步推動了國內醫學3D打印的發展。

2018年，全美規模最大、設備最先進的梅奧醫學中心骨科團隊，前來參觀上海九院的3D打印中心。此前一周，梅奧醫學中心骨科才開始利用打印骨盆模型來輔助完成骨盆腫瘤切除手術。“這件事，我們20年前就開始做了，現在已經是常態。所以，從治療理念、應用模式、核心技術以及病人的復雜程度等綜合來看，我們非常自信，我們走在了國際前沿。”郝永強自豪地說。

為了更好地推廣個性化醫療理念及醫學3D打印技術，這些年來，郝永強團隊不遺余力地開辦國家級繼續教育學習班14次，國際會議12屆。通過舉辦學習班、手術示教、創立醫學3D打印創新研究中心全國聯盟、遠程會診等多種形式，將個性化醫療理念、3D打印骨骼模型、3 D打印手術輔助導板和3D打印個性化植入體“三位一體”治療模式及技術推廣到全國2 3個省、56家醫院。

“沒有骨骼的健康，就無從談‘大健康。現代醫學發展的方向是個體化、精準化。放眼未來，3D打印會越來越多地應用在醫學各個領域，同時以打印活性組織細胞、器官為代表的生物打印，有望在不久的將來應用于人體。科技改變未來，醫學3D打印可以幫助人類‘脫胎換骨，夢想成真。”這是郝永強對學科的期待，對醫學的期待。