3D打印：改變醫療與未來

蔡巧玉 呂騰波

挑戰骨科手術禁區

工作人員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攝氏度高溫會讓金屬微粒自然熔解……24小時左右一件打印好的1∶1比例的金屬骨盆重建假體擺放在了上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院（以下簡稱“上海九院”）骨科專家郝永強教授的面前。過去幾年里，郝永強團隊在戴尅戎院士的帶領下率先將3D打印技術應用在骨科領域，已為近200名患者實施了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”治療模式的重大突破，成為未來醫學發展的新方向。

近年來，3D打印作為最具代表性的國際前沿技術之一，已經成為世界各國競相研究的熱點。從非金屬到金屬材料，從航空航天、國防軍事到高端制造的金屬部件，3D打印技術也將我們帶入到了具有顛覆性的個性化醫療的全新時代。

郝永強所在的上海九院是國內最早開展3D打印個性化關節假體探索的醫院，從20世紀80年代開始，戴尅戎院士就通過醫工合作開展了個性化人工關節的研發應用，奠定了3D打印在骨科領域應用的基礎。在此基礎上，作為戴院士弟子的郝永強帶領團隊繼往開來，繼續在3D打印個性化關節假體的研發與臨床轉化應用上大膽開拓，應用3D打印技術首創3D打印模型、3D打印手術輔助導板、3D打印定制金屬假體“三位一體”的骨盆腫瘤精準切除和個性化功能重建的治療模式，讓過去無法治療或療效不佳的嚴重骨盆疾病患者，有了更好的治療效果和生活質量；并將“三位一體”的治療理念、模式、技術推廣應用到骨科及口腔外科、整形外科等醫學領域。為了實現真正意義上的“個性化”與“精準化”，經過多年的努力，3D打印個性化關節假體從一種理念、一種嘗試，逐漸形成了如今臨床上已成熟應用的模式與技術規范，而這一完全由中國醫生自主創新形成的關鍵技術，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醫學前沿。

郝永強介紹說，骨盆解剖位置特殊，鄰近有消化、泌尿、生殖等臟器及重要血管、神經，解剖極為復雜。骨盆腫瘤患者面臨腫瘤切除安全邊界難以確定，重要臟器、組織易發生損傷等諸多問題，因此，長久以來骨盆腫瘤被視為手術的“禁區”，是公認的世界性難題。“尤其是20世紀80年代以前，如果患者確診了骨盆惡性腫瘤，便面臨著生死抉擇。四分之一半骨盆截肢是病人能夠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所面臨的絕境。

隨著醫學影像學、手術技術等不斷發展進步，新輔助化療、放療等療效的不斷提高，為骨腫瘤患者長期生存提供了可能，而相同生存率下，選擇生存質量高的保肢治療成為病人及家屬更強烈的愿望與需求。目前，保肢治療已成為骨腫瘤患者的主要治療模式，而骨腫瘤的異質性需要保肢治療的個體化，其中，個體化的手術規劃及個體化骨腫瘤保肢重建假體的設計、制造及術中個體化的準確安裝是實現骨腫瘤患者完美保肢的關鍵。

時至今日，3D打印個性化關節重建假體，為骨盆腫瘤等過去無法治療的骨科嚴重疾病找到了新的治療方法，不僅給患者創造了生存下來的機會，更讓原本生活質量很差的骨科疾病患者提高了生活質量。郝永強說：“3D打印技術在醫學中的應用不止于打印出骨關節修復重建假體，還包含了在3D打印骨骼病變模型上模擬切除病灶及模擬安裝假體、3D打印個性化手術導板幫助精準定位等一系列的輔助技術，從而突破了不少此前的手術禁區，也給手術帶來了更多的安全性，給外科手術方式帶來了翻天覆地的變化。一句話：將復雜手術簡單化、危險手術安全化”。

作為國內從事相關研究最早的團隊之一，郝永強與同事們突破了多項關鍵技術瓶頸，為骨盆腫瘤精準切除和個性化功能重建技術體系的創建、發展和推廣做出了國際領先的貢獻。在2019年度上海市科學技術獎勵大會上，上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院骨科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”獲得了上海市科學技術進步獎一等獎。

近30年持續不斷的3D打印技術醫學應用，形成了上海九院個性化治療的模式。郝永強特別強調，與傳統的標準化模式相比較，個性化醫療模式是一個嶄新、顛覆性的模式，根據臨床的需求，臨床醫生與影像、材料、軟件設計、裝備制造等工程師合作，形成產、學、研一體化的多學科合作模式，由此創立的基于3D打印技術的“三位一體”的創新治療模式成功實現了從研究到臨床的轉化，使得中國在骨科3D打印個性化治療上領跑于世界。

薪火相傳 更新迭代

1995年，郝永強考入上海交通大學醫學院攻讀博士學位，正式拜在戴尅戎院士門下。在此之前，他曾在上海中醫藥大學師從全國著名中醫骨傷大家施杞教授攻讀中西醫結合骨科專業碩士學位。在中國的醫學工作者之中，同時接受兩種醫學體系洗禮過的人并不多。

“東方醫學理論體系成形于兩千多年前，強調‘整體觀‘個體化等理念。而西方醫學的發展是與現代科學技術緊密結合的，這是東方醫學需要積極汲取的。”從西醫到中醫，又從中醫再回到西醫，郝永強回憶起當年求學時的經歷，直言中西醫結合的學習經歷讓自己受益匪淺，“所以我一直以為東方醫學的理念加上西方醫學的技術，這才堪稱當代完美的醫學新體系。醫學要發展、完善，就必須多學科的交叉融合，從其他學科吸取營養，我們現在用到的3D打印技術也是如此。”

師從戴尅戎院士后，郝永強開始把全部的身心投入到骨腫瘤等骨科復雜疾病的個性化治療當中。“由于骨腫瘤保肢治療中腫瘤切除后重建沒有標準化假體，所以必須由醫師自己想辦法解決，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的重建假體僅在少數發達國家能夠實現，定制費用一般要在10萬美元以上，定制周期一般需3個月左右。國內的骨腫瘤病人一來是經費上承擔不起，二來是時間上也等不起。”

早在20世紀70年代后期，戴尅戎院士就開始了骨關節的個性化假體設計的應用與轉化研究。在一次國內人工關節學術會議上，戴院士與上海交通大學精密機械系的王成燾教授相識，從此開始了兩人長達30多年的合作，國內最早醫工合作，將計算機輔助設計引入個體化假體制造領域，初步建成了直接面向臨床的個體化植入假體數字制造體系，2003年獲得了定制型人工關節的生產注冊許可證，為眾多的復雜疑難病例重建肢體功能提供了有獨立自主知識產權的定制型人工假體。20世紀80年代初，他們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，并于80年代末基本上建立起個性化假體的技術體系基礎。隨著假體設計的不斷改進，制備工藝的不斷提高，到了2000年，第二代個性化假體日臻完善，不僅完全涵蓋了骨科領域所需的個性化關節，還應用到了口腔頜面外科、眼科、整形外科等學科領域；不僅解剖形態個性化，力學性能也實現了個性化。但即便如此，臨床醫師提出的關鍵設計傳統制造技術也難以實現，假體制造時間也難以滿足臨床需求。2010年，金屬3D打印機的面世及技術的日臻成熟，郝永強在兩位前輩的研究成就基礎上，聚焦臨床需求，開始了第三代個性化假體的研究探索。

“經過從第一代、第二代再到第三代，個性化假體的設計與制造技術體系不斷優化完善，為此，我們做了大量原創及自主的工作，包括設計及應用軟件的研發，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3D打印病變模型上討論手術規劃，如何把腫瘤精準切除掉？如何精準地安裝個性化重建假體？為此，我們研發設計了3D打印手術輔助導板，使復雜的手術簡單化。除了讓假體解剖形態、力學性能個性化外，如何根據病人疾病的特殊需求，賦予假體個性化的特殊功能？如3D打印最常用的金屬材料鈦合金是惰性金屬，與骨骼之間無法整合，永遠存在金屬假體-骨骼界面，也是前兩代個性化失效的最主要原因。為此，我們團隊做了大量的研究，應用3D打印技術，經過不斷篩選，凡是與骨接觸的假體表面都打印了能夠骨長入的金屬骨小梁，這樣鈦合金就能跟骨骼長在一起，3D打印的個性化關節假體真正成為患者身體的一部分，改變了假體的生存周期。通過3D打印技術賦予了金屬生物活性，這種理念和技術上的突破堪稱一個里程碑。”郝永強談到當前的3D打印個性化假體技術創新如數家珍。

上海九院在3D打印醫學應用領域能如此超前，一個重要的原因還得益于醫（生）工（程師）的緊密合作。在九院骨科，醫生們的同事不僅僅是醫生，還有工程師。“醫工交叉合作已經融入到我們醫院每個醫生的血液里面去了。戴院士和王教授是醫工合作的先行者及踐行者，他們兩位前輩完全可以聽懂對方的工作語言。如果工程師聽不懂醫生說什么，醫生看不懂工程師做什么，那么產品設計、制備及應用上一定會出偏差的！”郝永強解釋道：“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。我規定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無問題？是何問題？如何優化改進？包括手術后隨訪，工程師也須參與，發現問題，解決問題。因為個性化醫療模式有別于傳統的標準化治療模式，是真正給病人‘量身定做的醫療模式，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、所付出的辛勤勞動等要比標準化醫療要多得多。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，郝永強介紹：“個性化骨骼病變模型就是根據患者真實的影像檢查數據，通過計算機軟件的融合數字化設計后，再3D打印出患者完全真實的1∶1骨骼模型。有了3D打印模型，腫瘤有多大？長在什么位置？與周圍重要臟器、血管神經等之間是什么關系等一目了然、迎刃而解。應用3D打印手術輔助導板精準切除腫瘤后，醫生就可以植入為患者‘量身訂制的個性化金屬重建假體。”

致力推廣 未來可期

上海九院的3D打印團隊，越來越受到世界同行的矚目，這個平臺不僅是一個收治全國疑難病例的接診中心，還是一個不斷創新的研究中心，培養醫學3D打印人才的培訓中心，醫學3D打印應用的轉化推廣中心。

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，中心擁有高分子、金屬、生物等多種材料與規格的3D打印設備，中心一經成立，迅速將多項3D打印技術成果在臨床轉化應用，經過不懈努力，2015年成立了上海交通大學醫學院打印中心，2016年成立了上海交通大學醫學3D打印創新研究中心，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。

不僅僅是3D打印個性化重建假體的轉化應用能力，其實從3D打印材料到設計軟件、3D打印機裝備，每一個關鍵技術環節上，上海九院及合作團隊都形成了自己原創的核心技術，形成了3D打印中心從研究到臨床的完整的轉化學科鏈。“如果某一個環節出現‘瓶頸問題，我們就難以實現整體的突破。所以，在3D打印相關領域，我們3D打印創新研究中心及合作團隊開展了大量的研發工作，希望能將這些核心技術牢牢掌控在中國人自己手里，只有這樣才不會被國外‘卡脖子，才能更好地應用我們的原創技術及產品解決醫學難題。”郝永強如是說。

近年來，上海九院3D打印中心也陸續接待了國外好多知名院校和醫院前來參觀交流。2018年，全美規模最大、設備最先進的梅奧醫學中心的骨科團隊到上海九院的3D打印中心參觀，對上海九院的醫學3D打印工作給予了高度贊許。“他們說，來之前的一個禮拜，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。而應用3D打印骨盆腫瘤模型輔助手術規劃、模擬腫瘤切除與假體設計、術中輔助手術，我們20年前就開始做了，現在已是常態。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，我們已經走在了國際前沿。”郝永強自豪地表示。

在骨科3D打印個性化假體研發及轉化應用領域辛勤耕耘多年，郝永強感觸良多，骨腫瘤在骨科領域是最難、最具挑戰性的，大多數骨科醫生可能會敬而遠之。“因為需要付出太多，太累了。骨腫瘤外科醫生，不光經常要挑戰難度極高、充滿未知、風險極高的手術，還要掌握化療、放療、免疫治療等方法與技術，還要對病人及家屬做心理疏導。”郝永強解釋道，“這需要骨腫瘤外科醫生不光會做手術，還需具備多種能力，扮演多種角色。為此，多年前，我們就組建了多學科合作團隊（MDT），包括影像科、病理科、臨床手術科室、化療、放療、輸血科及中醫科等；此外，為個性化假體設計及制備，組建了醫工交叉多學科團隊，包括軟件設計、材料、機械制造等工程師。個性化醫療醫生需要參與整個過程，既是個性化需求的提出者，個性化治療方案的制定者，個性化假體設計的決定者，也是個性化醫療產品應用到病人的執行者。”正因為它復雜程度高、風險大，需要的團隊力量非常強，所以，當前國內大部分的醫院還沒有開展，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病人”。

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。在國內外受邀作主題發言、特邀報告共計108次。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、3D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23個省，56家醫院。迄今為止，醫學3D打印技術不光已推廣應用到骨科（骨盆、髖、膝、肩、踝、肘、腕、脊柱），也廣泛用于口腔、整形外科、神經外科，眼科、耳鼻喉科等全身各個部位的修復與重建。此外，3D打印技術還在康復領域如打印個性化的康復支具，推動康復醫學的發展。上海九院也成為全國開展醫學3D打印最廣泛、最成熟、最普及的領軍醫院。

一路走來，從最初的不解、質疑，甚至于嘲諷，到現在大家對于3D打印個性化醫療的逐漸接受、認可和重視，過程來之不易。郝永強非常欣慰，也非常自豪自己擁有著一支跨越行業、甚至跨越系統的“大團隊”，這支團結協作、勇于創新的隊伍里不僅有醫院的醫務人員，還有合作的材料工程師、軟件設計工程師、制造工業工程師等，這支大團隊在一步一個臺階地努力前行，解決了醫學難題，通過創新還帶動了相關高科技產業的發展。

在郝永強30年的醫療生涯中，沒有發生過一起醫患之間的糾紛。他時常告誡團隊的年輕成員，做一名醫療工作者除了練就高超的醫術，更需具有仁愛之心。醫學的發展離不開患者的奉獻與支持，任何一種醫療新方法、新技術、新產品，都需要有敢于冒生命風險的患者第一個去嘗試。病人也是醫生的老師，醫生的成長需要不斷從病人身上學習、總結經驗教訓。他意味深長地說，其實患者與醫師是守護健康與生命的命運共同體。“醫學3D打印有利于將抽象、難以說明白的疾病立體化地呈現，比如，3D打印的骨盆腫瘤模型，腫瘤大小及周圍重要臟器、血管神經關系在模型上一目了然，讓病人及家屬更加清楚地理解手術的難度及風險，便于醫患溝通。”郝永強解釋說，“從治療方案及費用等的選擇，我都會站在患者及家屬的角度替他們考慮，把病人及家屬所有的疑慮及問題都在手術前消除，這是我多年一直堅持的做法。”

沒有骨骼的健康，就無從談起“大健康”，現代醫學未來發展的方向是個體化、精準化，基于3D打印實現的個性化骨關節功能重建是個性化醫療的成功典范，帶動著個性化醫療的發展。放眼未來，郝永強表示，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，將會對人類的健康做出巨大的、前所未有的貢獻。

科技改變未來，醫學3D打印可幫助人類“脫胎換骨”夢想成真。