3D打印技術在醫(yī)學中的應用

覃麗苗，繆季峰，韋燕枝，王朋朋

（廣西醫(yī)科大學護理學院，廣西 南寧 530000）

3D打印技術是基于聚合和離散成型思維的一種新型快速成型技術，它有別于傳統(tǒng)意義上的打印技術，可根據(jù)數(shù)據(jù)精確計算并打印出與患者肢體吻合的假肢。隨著3D打印技術的不斷發(fā)展和應用，其已經(jīng)滲透到各個領域。臨床上，許多患者由于使用吻合度較低的假肢導致患肢皮膚磨損、破潰從而引發(fā)感染，造成患肢疼痛，大大降低了患肢使用舒適度。3D打印所用的均為生物相容性較高的材料，并且根據(jù)患者具體情況，精確、精細地打印出所需假肢，這種假肢不僅吻合度高而且完全貼合患肢，抗壓性能良好，有助于患者更好地適應和使用，因此這也是它廣泛應用于臨床的原因。

1 3D打印技術

3D打印（Three Dimensional Printing，3DP）技術誕生于20世紀80年代末，經(jīng)過研究者多年努力創(chuàng)新，目前，已經(jīng)成為許多技術成熟的加工及成型體系中不可或缺的部分，并逐步應用于醫(yī)學領域。它可根據(jù)具體要求迅速、準確、精確地打印零件或物體的實體模型[1]。

3D打印技術對傳統(tǒng)制造業(yè)生產(chǎn)方法、模式、理念的革新都產(chǎn)生了重大影響，并逐漸向各領域滲透[2]。隨著3D打印技術的不斷發(fā)展，其被應用到各個領域特別是醫(yī)學領域，對醫(yī)學研究的不斷深入和解決臨床疑難問題具有重要意義。

2 醫(yī)學應用

2.1 在骨科的應用

由于3D打印技術能夠根據(jù)具體的骨骼數(shù)據(jù)打印出精細且穩(wěn)固的模型結構，同時具有良好的力學特性，相對支撐性和承受力都較強，因此目前主要應用于骨科術前方案設計、臨床教學、康復支具打印、骨科內(nèi)植物和生物組織打印等方面[3]。

2.1.1 術前方案設計 由于3D打印是根據(jù)精確的數(shù)據(jù)進行材料打印，因此，臨床上可根據(jù)患者的具體情況通過打印所需材料，構建1∶1實物模型。這不僅有助于術前診斷，也有助于手術方案設計、術前模擬手術。醫(yī)生可以在手術前利用這些實物模型進行操作演練，并針對手術中出現(xiàn)的問題設計處理方案。只有通過多次體外操作訓練，醫(yī)生才能在手術過程中有條不紊、熟練操作，同時也能有效縮短手術時間、降低患者在手術中遇到的風險[4-5]。柳鑫等[6]選取53例髖臼骨折患者進行研究，實驗組的19例患者根據(jù)CT數(shù)據(jù)打印3D模型，術前模擬手術；常規(guī)組的34例患者則按照常規(guī)方法進行手術。實驗結果顯示，實驗組術中出血量、圍手術期輸血量均比常規(guī)組少，手術用時也比常規(guī)組短，大大降低了手術難度，減少了術中突發(fā)事件。

2.1.2 臨床教學 對于剛剛走上臨床的醫(yī)生來說，由于課本知識抽象，而人體骨骼模型的可控性又低，因此臨床教學就顯得十分枯燥。將3D打印技術應用于臨床教學不僅能讓醫(yī)生對該技術有所了解，同時也能提升醫(yī)生臨床操作與應變能力。通過3D打印并在模型上模擬手術，不僅有助于年輕醫(yī)生對課本知識的吸收與利用，掌握疾病解剖變化，而且也可以讓剛剛進入臨床一線的醫(yī)生學習新知識，收獲不一樣的人生感悟。這種實踐教學方法能明顯提高教學質(zhì)量[7-8]。

李忠海等[9]將3D打印技術應用于臨床教學，先介紹3D打印技術的理念和技術要點，再讓學生動手打印模型加強操作練習。與傳統(tǒng)（知識講授和病例分析）教學方法相比，這種生動形象、動手機會多的新型教學方法不僅有助于提高實習生讀片能力和疾病診斷能力，同時也能加深實習生對解剖關系和病變類型的理解，還能使其掌握新的知識與技術。此外，引入3D打印技術的教學方式更加多元化，教學效果和質(zhì)量都顯著提升。

2.1.3 康復支具打印 骨折術后患者都是依靠石膏、夾板、繃帶等固定損傷部位，不僅限制患者的活動還容易壓迫皮膚血管、減少患部血供和氧供，使肌肉失用性萎縮，不利于恢復。廖政文等[10]根據(jù)患者具體情況通過3D打印技術打印出精確且個性化的前臂矯形康復支具，該支具貼合患者生理解剖結構，佩戴起來更加舒適、透氣性更好，患者滿意度和舒適感明顯提高。陸亮亮等[11]利用FDM技術根據(jù)患者拇指指骨的具體數(shù)據(jù)精確計算并打印出指骨骨折康復支具，和傳統(tǒng)的骨折固定器相比，利用3D打印技術打印的拇指指骨康復支具更加貼合患者的骨骼生理構造，佩戴和使用也更加方便、美觀，伸屈幅度更大，承受性能更強。因此，3D打印技術在制作康復支具方面具有巨大的優(yōu)勢。

2.1.4 骨科內(nèi)植物打印 相對于傳統(tǒng)的金屬內(nèi)植物，利用3D打印技術打印的個性化內(nèi)植物與個體匹配度更高，患者術后恢復時間大大縮短，功能恢復也更快更好。而以往的研究都是通過在金屬內(nèi)植物中添加相應藥物來刺激成骨的生成并治療疾病[12-13]。

黃淦等[14]根據(jù)患病部位的數(shù)據(jù)將利用3D打印技術打印的鋼板應用于骨盆骨折患者，結果表明，使用3D打印技術打印的鋼板的骨盆骨折手術患者術中出血量比常規(guī)手術患者少，且透視次數(shù)也顯著減少，術后隨訪發(fā)現(xiàn)，前者愈合時間更短，療效更好。

2.1.5 生物組織打印 3D生物組織打印是指通過對患者自身細胞進行聯(lián)合培養(yǎng)，從而精確地制作出患者所需的功能組織，或者直接根據(jù)數(shù)據(jù)打印所需組織或器官的先進技術[15]。Wang等[16]利用新型低溫3D打印技術制作（rhBMP-2）-（Ca-P）納米粒子/聚L-乳酸（PLLA）的組織復合支架，促進骨髓間充質(zhì)干細胞增殖分化、提高細胞活力與附著能力以及成骨細胞生成。張明等[17]對原有3D打印技術進行探究，打印出了復合鎂骨支架，這種復合鎂骨支架具有較高的生物活性，為植入部位骨的再生及功能重建創(chuàng)造了許多有利條件。

2.2 在口腔科的應用

近年來3D打印技術得到了巨大發(fā)展，被廣泛應用于口腔外科、修復、正畸和牙體根管預備等眾多領域。從早先出現(xiàn)的口腔個性化外科手術導板，到最新的口腔個性化修復冠和牙根形種植體，3D打印技術在口腔醫(yī)學領域的應用日益廣泛，并取得了良好效果[18]。

2.2.1 口腔頜面外科 口腔頜面腫瘤術后患者的咀嚼功能和外在形象會受到很大影響。對于頜面腫瘤切除形成的骨缺損一般需要進行軟硬組織重建以恢復形態(tài)和功能，相對于傳統(tǒng)的重建鈦板和移植自體骨，3D打印技術可根據(jù)骨缺損的形狀進行精確打印，由于其運用的都是生物材料，因此具有更好的組織相容性。

Azuma等[19]對口腔腫瘤患者進行單側下頜骨節(jié)段性切除，實驗組預先打印下頜骨模型并彎制鈦板，對照組僅采用常規(guī)方法進行治療。結果表明，實驗組患者下頜骨的對稱性明顯優(yōu)于對照組。3D打印手術導板簡化了手術操作，縮短了手術時間，同時也具有較高的手術精確度[20]。

2.2.2 口腔種植 隨著經(jīng)濟水平的不斷提高，人們對口腔唇齒的美觀要求也在不斷提高，因此，近年來對根形種植體的研究也在不斷深入。由于3D打印技術能很好地模仿牙根，具有良好的抗旋轉性，因此，被認為可以更好地模擬天然牙的傳力特性和牙根的受力分布特性以及貼合牙齒生理結構。研究結果表明，將錐形束計算機斷層掃描數(shù)據(jù)聯(lián)合計算機輔助設計與制作（CAD/CAM）技術與3D打印技術相結合可以更好地制作個性化牙根種植體，并且在為期一年的跟蹤隨訪中展現(xiàn)出良好的功能和美學特征[21]。

2.2.3 口腔修復 3D打印技術在制作口腔修復體方面與傳統(tǒng)石蠟法相比，具有制作時間短、精度高、材料利用率高、個性化和數(shù)字化等優(yōu)勢，因此，得到廣泛關注與巨大發(fā)展。Lee等[22]研究發(fā)現(xiàn)，3D打印技術在牙冠邊緣和口腔內(nèi)部的修復、貼合性方面明顯優(yōu)于CAD/CAM切削法。對上頜中切牙相關病例的研究表明，使用CAD和快速成型技術復制切牙的形態(tài)，據(jù)此制作牙冠能夠解決患者咬合時舌側不適的問題[23]。此外，3D打印技術還可打印可摘除口腔局部義齒支架和全口義齒支架模型，并可以此分析義齒精度以及與組織面的吻合度。研究表明，利用3D打印技術打印的義齒支架能很好地與組織結構吻合，滿足患者需求，取得良好的臨床效果[24]。

2.2.4 口腔正畸口腔矯正畸形治療是一個復雜而漫長的過程，不僅需要事先了解患者牙齒排列情況和咬合狀況并對其進行分析，還要在不同階段制訂相應的治療方案。傳統(tǒng)石膏印模不僅材料粗糙而且舌側托槽的精密性及穩(wěn)定性較差，不能與牙面完全貼合，粘貼不便，浪費時間。使用激光融化3D打印技術制作的個性化舌側托槽能夠完全與舌側牙面貼合，粘接定位準確，操作簡便，從臨床效果來看，這種個性化舌側托槽不易脫落，大大簡化了治療程序[25]。

2.3 在整形美容中的應用

3D打印技術在整形美容方面的應用研究還處于起步階段。隨著生活水平的不斷提高，人們對外表的要求也不斷提高，鼻梁過低的人會在條件允許的情況下做隆鼻手術，而目前的隆鼻手術所用的骨通常取自患者肋軟骨，雖然這樣不會造成排斥反應，但是精確度低且在一定程度上給患者健康造成影響。

相較于傳統(tǒng)整形美容技術，3D打印技術能更好地滿足患者需求。Honrado等[26]從醫(yī)學影像和軟件系統(tǒng)等方面證實了3D打印技術應用于面部整形美容修復的可行性。上海大學附屬人民醫(yī)院的醫(yī)生利用Mimics軟件根據(jù)患者的CT數(shù)據(jù)對其顱骨進行三維重建，運用3D打印技術制作頭顱三維模型及缺損部位的下頜骨模型，并成功為23例患者進行了下頜角截骨整形術[27]。

2.4 在軟組織再生中的應用

3D打印使用的材料都是生物相容性高并且含有生物降解聚合物基質(zhì)的高性能材料（如生物活性陶瓷，水凝膠[28-29]等），不但可以快速成型而且精確度高，可以大大節(jié)省時間和有效利用材料。

BellaSeno（德國）、Tensive（意大利）及 Neopec（澳大利亞）等團隊在軟組織再生方面做了較多工作。BellaSeno及Neopec團隊已經(jīng)分別進入臨床前和臨床實驗階段并取得了令人滿意的實驗結果（脂肪組織生長充分、完整，無明顯炎癥反應）[30]。BellaSeno團隊研究的PDLLA支架，脂肪組織填充率在15周后上升了25%。Neopec團隊采用不可降解的PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）在女性患者身上進行了6～12個月的實驗，結果顯示脂肪組織生長率最高可達150%。Tensive團隊已發(fā)表多項基于軟組織再生支架設計的學術成果[31]，該團隊使用的PAMAM（聚乙二胺）發(fā)泡支架彈性模量為4.5 kPa左右，在重復載荷作用（200次）下其模量保持穩(wěn)定，且體外脂肪細胞培養(yǎng)結果良好。

3 發(fā)展前景

3D打印技術從提出時便受到廣泛關注，至今已經(jīng)取得巨大成果，3D打印技術具有精確度高，成型速度快，生物相容性較高，排異反應少，根據(jù)患者情況按需制作等優(yōu)點，可滿足不同患者的需求。但目前3D打印技術的應用仍不夠廣泛，在醫(yī)學領域，僅骨科和口腔科的研究較深入，針對軟組織（如血管、細胞、心臟）等方面的研究還需不斷深入探索。此外，3D打印技術還有許多不足，需要不斷深入研究，包括生物力學的控制、材料的選擇、無菌環(huán)境的保證、抗感染的作用、打印構建物的血供和營養(yǎng)傳輸、打印構建物的長期存活等。

3D打印技術是一項有待深入研究的技術，需要廣大研究者不懈努力，攻克難題，造福人類。