陳揚 夏曉龍 張偉彬 楊澤雨 楊欣建

3D打印技術(shù)在硬組織領(lǐng)域的應(yīng)用進展*

陳揚 夏曉龍 張偉彬 楊澤雨 楊欣建

近年來，隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用大有增長的趨勢，國內(nèi)外不少專家、學(xué)者正在進行大量嘗試，試圖充分應(yīng)用該技術(shù)服務(wù)人類的醫(yī)療行業(yè)。文章就3D打印技術(shù)的基本原理、3D打印材料及該技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀作簡要描述與說明，使讀者對3D打印技術(shù)及其在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用有初步了解。

3D打印；快速成型；硬組織

3D打印技術(shù)（3Dprintingtechnology）是一種“快速成型（Rapid prototypi,RP）”或“增材制造（Additive manufacturing,AM）”技術(shù)，被譽為是第三次“工業(yè)革命”的代表性技術(shù)之一。隨著3D打印技術(shù)及打印材料的不斷研發(fā)，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，從航天航空到工藝制造、從建筑到娛樂、從醫(yī)療到教育，無不涉及3D打印的身影。3D打印在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用更是與日俱增，不斷協(xié)助臨床醫(yī)生解決問題，同時為患者減輕痛苦、提高生活質(zhì)量帶來新的希望。

1 3D打印技術(shù)簡介

3D打印技術(shù)是一種綜合應(yīng)用了計算機輔助設(shè)計和計算機輔助制造（CAD/CAM）、數(shù)控技術(shù)、高分子材料、激光技術(shù)、三維CT等技術(shù)的一項高科技制造方法，其依據(jù)的主要原理為離散/堆積成形，即在計算材料或粉層進行二維掃描和處理，層層堆積從而得到一個三維實體（原型）[1]。3D打印的出現(xiàn)完全顛覆的傳統(tǒng)二維打印理念。

2 3D打印技術(shù)的主要實現(xiàn)方式及其材料

根據(jù)美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）3D打印技術(shù)委員會（F42委員會）的標(biāo)準(zhǔn)，將3D打印技術(shù)分為七類，而目前應(yīng)用較多的主要有光固化成形（Stereolithography,SLA）、熔融沉積成型（Fused deposition Mmodeling,FDM）、選擇性激光燒結(jié)成型（Selective laser sintering,SLS）[2-7]等等。

SLA工藝也稱光造型或立體光刻，它是基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作的。這種液態(tài)材料在一定波長和強度的紫外光（如=325nm）的照射下能迅速發(fā)生光聚合反應(yīng)，分子量急劇增大，材料從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)。液槽中盛滿液態(tài)光固化樹脂，激光束在偏轉(zhuǎn)鏡作用下在液態(tài)樹脂表面掃描，光點照射到的地方，液體固化。成型開始時，工作平臺在液面下一個確定的深度，聚焦后的光斑在液面上按計算機的指令逐點掃描固化。當(dāng)一層掃描完成后，未被照射的地方仍是液態(tài)樹脂。然后升降臺帶動平臺下降一層高度，刮板在已成型的層面上又涂滿一層樹脂并刮平，然后再進行下一層的掃描，新固化的一層牢固地粘在前一層上，如此重復(fù)直到整個零件制造完畢，得到一個三維實體模型。由于組織相容性及可降解性生物高分子材料的應(yīng)用，SLA工藝的是目前在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用較為成熟的技術(shù)。韓國科學(xué)家應(yīng)用生物高分子光敏材料聚富馬酸二羥丙酯（PPF）通過SLA技術(shù)制備多孔支架并移植到家兔皮下，8周后周圍形成了規(guī)則的結(jié)締組織[8]。

FDM工藝是通過將絲狀材料如熱塑性塑料、蠟或金屬的熔絲從加熱的噴嘴擠出，按照零件每一層的預(yù)定軌跡，以固定的速率進行熔體沉積。每完成一層，工作臺下降一個層厚進行迭加沉積新的一層，如此反復(fù)最終實現(xiàn)零件的沉積成型。FDM工藝的關(guān)鍵是保持半流動成型材料的溫度剛好在熔點之上（比熔點高1℃左右）。其每一層片的厚度由擠出絲的直徑?jīng)Q定，通常是0.25～0.50mm。近年來，利用 FDM技術(shù)，以脂肪族聚酯為原材料制備可降解性生物支架已取得了一定進展，這將為組織、器官打印提供了技術(shù)支撐。

SLS法采用紅外激光器作能源，使用的造型材料多為粉末材料，可打印金屬材料和多種熱塑性塑料，如尼龍、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯類、聚苯乙烯、聚氯乙烯、高密度聚乙烯等。加工時，首先將粉末預(yù)熱到稍低于其熔點的溫度，然后在刮平棍子的作用下將粉末鋪平；激光束在計算機控制下根據(jù)分層截面信息進行有選擇地?zé)Y(jié)，一層完成后再進行下一層燒結(jié)，全部燒結(jié)完后去掉多余的粉末，就可以得到一燒結(jié)好的零件。臨床上使用的通過3D技術(shù)打印的個性化骨替代材料、個性化鋼板及假肢等通常都是應(yīng)用該技術(shù)制造的產(chǎn)品。目前成熟的工藝材料為蠟粉及塑料粉，用金屬粉或陶瓷粉進行燒結(jié)的工藝還在研究之中。

3 3D打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

3D打印技術(shù)與醫(yī)學(xué)的結(jié)合能夠解決很多傳統(tǒng)學(xué)醫(yī)很難解決甚至解決不了的難題。傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)雖可獲得三維影像學(xué)資料，卻不能提供三維實體模型。而3D打印通過影像學(xué)手段，如X線、B超、CT及MRI等獲得病變或其他需要打印部位的三維數(shù)據(jù)，經(jīng)過無數(shù)據(jù)損失的表面繪制得到三角化網(wǎng)格圖像，再將數(shù)據(jù)輸送到3D打印機上，這樣不僅可以直接打印出所需模型，為醫(yī)生及患者提供直觀的三維實體模型，甚至可打印出個性化人工植入物，從而為醫(yī)生的術(shù)前手術(shù)方案策劃、定制模板、制作個性化假體和組織工程材料等提供實體。

3.1 打印下顎骨假體

2012年2月13日比利時和荷蘭的醫(yī)生采用3D打印技術(shù)制造的個性化下顎骨首次完成了應(yīng)用3D技術(shù)打印個性化植入物代替整個下顎的制作過程，并成功為一名83歲的女性患者植入了經(jīng)3D打印制成的下顎骨（圖1）。該制作方法耗費的材料更少，生產(chǎn)時間更短，往往只需數(shù)小時便可以制出一只下頜骨[9]，與傳統(tǒng)的制造方法相比具有明顯的優(yōu)勢。對于如何避免排斥反應(yīng)，科研人員也嘗試了很多辦法，最后，他們通過在制作完成的下頜骨上噴涂生物陶瓷涂層，從而有效避免排斥反應(yīng)的發(fā)生。通過3D打印技術(shù)，研究人員可根據(jù)移植患者的具體需求來個性化設(shè)計骨骼輪廓，然后利用高精度鐳射槍來熔解鈦粉，并將其一層層地噴涂疊加起來，最終制作出立體人造骨骼部件成品。整個過程不需要任何膠水或粘結(jié)劑。

圖1 比利時醫(yī)生為患者植入的下顎骨假體

3.2 打印骨關(guān)節(jié)假體

3D打印技術(shù)可為患者“量身定制”高精度的手術(shù)方案，從而提高關(guān)節(jié)外科復(fù)雜高難度手術(shù)的成功率，使手術(shù)更精確、更安全。Won等[10]利用該技術(shù)為21例髖關(guān)節(jié)嚴(yán)重畸形患者打印模型，并利用模型進行髖關(guān)節(jié)置換術(shù)前規(guī)劃，從而明顯減少了手術(shù)時間及術(shù)中出血，術(shù)后影像學(xué)檢查顯示假體組件均按計劃精確植入。此外，Sciberras等[11]首次應(yīng)用該技術(shù)為1例人工全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后假體松動并伴髖臼內(nèi)陷的患者實行了復(fù)雜髖關(guān)節(jié)翻修手術(shù)，并取得良好效果。目前，3D打印技術(shù)在硬組織打印方面的應(yīng)用相對較多，技術(shù)上比較成熟。

3.3 打印支氣管

據(jù)新英格蘭醫(yī)學(xué)雜志（NewEngland JournalofMedicine）報道2012年1月[3]，美國GlennGreen利用3D打印機，成功為因左支氣管先天性缺陷而導(dǎo)致氣管塌陷患兒植入了一個3D打印的氣管，從而恢復(fù)了患兒的呼吸道暢通。成為人類首次使用3D打印的部件來幫助組織重建，對組織器官的移植做出了新的定義，大大減少了自體移植、異體移植帶來的損傷與痛苦。

3.4 打印脊椎模型

CAD-RP技術(shù)的發(fā)展為復(fù)雜寰樞椎脫位患者治療提供了一種有效的輔助方法，通過3D打印可以按1：1的比例打印出受損部位脊柱模型，為術(shù)者提供一個可供觸摸和不同角度觀察的三維實體模型，幫助判斷病變范圍及程度，確定最佳手術(shù)方案。同時，由于某些特殊部位，如寰樞椎等的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，對置釘方法及角度、內(nèi)固定的尺寸及塑形也有特殊要求。有了三維立體模型，術(shù)者可以在模型上尋找最佳的置釘角度和方向，選擇尺寸比較合適的內(nèi)固定鋼板。在正式實施手術(shù)時會更加得心應(yīng)手，降低內(nèi)固定失敗的幾率。同時，該技術(shù)也有利于醫(yī)患之間的有效溝通，應(yīng)用三維實體模型給患者講解手術(shù)方法及可能的治療術(shù)后的效果，增強患者手術(shù)信心。另外，該技術(shù)可通過打印脊柱個性化人工椎體為脊柱腫瘤、結(jié)核、創(chuàng)傷等導(dǎo)致的椎體破壞的治療提供新的治療思路。FuM[12]等通過尸體實驗，進行了椎弓根導(dǎo)板設(shè)計和三維打印，并取得了滿意效果。Kawaguchi Y[13]等進行了大量的椎弓根螺釘?shù)脑O(shè)計、改進和應(yīng)用，從而有效降低了上頸椎融合術(shù)螺釘置入術(shù)后的并發(fā)癥。Lu S[14]等人報道了在上頸椎后路手術(shù)中利用導(dǎo)向模板可有效縮短手術(shù)時間，提高置釘?shù)臏?zhǔn)確率，從而減少射線對醫(yī)生和患者的輻射量。2014年8月1日，北京大學(xué)第三醫(yī)院劉忠軍教授，成功完成了世界首例應(yīng)用3D打印技術(shù)人工定制樞椎椎體治療寰樞椎惡性腫瘤（圖2，3）。

圖2 劉忠軍等通過3D技術(shù)打印的羊C4椎體

圖3劉忠軍等進行羊C4椎體置 換術(shù)后X線片

此外，近年來研究人員不斷將3D打印引進醫(yī)療領(lǐng)域。Hanrard大學(xué)的Ingber DE[15]和ComeU大學(xué)的Sung JH[16]先后研究了通過與細胞芯片結(jié)合，實現(xiàn)抗腫瘤藥物篩選[17]；日本學(xué)者正在研究利用3D打印治療與高級神經(jīng)中樞異常刺激和相關(guān)神經(jīng)疾病，如癲癇、抑郁癥、帕金森氏病的防治及治療[18]；倫敦的一家超聲中心率先通過3D打印與超聲技術(shù)的結(jié)合，為孕婦提供3D打印出的胎兒雛形。這些探索將3D打印技術(shù)逐步引入軟組織領(lǐng)域，甚至是細胞、分子水平，為該技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的推廣應(yīng)用提供思路及理論與實踐基礎(chǔ)。

4 展望

人類醫(yī)學(xué)發(fā)展到今天，很多技術(shù)水平都已經(jīng)趨于成熟，但仍不乏困擾臨床醫(yī)生的難題，如何獲得生物相容性好、符合人體生物力學(xué)特性的個性化移植材料，如何無創(chuàng)獲取人體活組織材料等等。隨著3D打印技術(shù)的出現(xiàn)和不斷成熟、3D打印理念的不斷推廣，3D打印材料的開發(fā)，信息化、智能化程度的不斷提高，3D打印技術(shù)不斷向著精密化、智能化、便捷化及個性化的發(fā)展，將會為此類臨床難題提供越來越多的解決思路，為臨床醫(yī)生帶來攻克醫(yī)學(xué)難關(guān)的新的希望，讓患者充分享受到基于3D打印技術(shù)帶來的個性化服務(wù)。當(dāng)然，作為一項新興技術(shù)，3D打印技術(shù)想要在臨床上推廣應(yīng)用，還要克服很多難題。3D打印材料的生物相容性、生物力學(xué)性能等仍需不斷探索，這也在很大程度上限制了其在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用范圍；目前，3D打印技術(shù)在臨床上主要用于硬組織領(lǐng)域，軟組織方面的應(yīng)用還有待于進一步研究，對于一些小的血管、神經(jīng)、韌帶等組織的重建還不成熟，因此，臨床醫(yī)生在參考重建模型時應(yīng)注意把握其局限性；由于快速成型打印存在精確度的差異，打印的模型或假體可能存在變形情況，也需要醫(yī)生根據(jù)實際情況作出準(zhǔn)確判斷；原材料方面，費用較高、缺乏安全性保障及完善的監(jiān)管措施也成為制約其大規(guī)模應(yīng)用的重要因素；此外，由于醫(yī)學(xué)的特殊性，現(xiàn)階段國家相關(guān)法律法規(guī)對3D打印產(chǎn)品作為內(nèi)植物植入人體仍持保守態(tài)度，還沒有出臺完善的準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)及監(jiān)管措施，這就在法律層面限制了該項技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)上的普及，也提醒臨床醫(yī)生在應(yīng)用該技術(shù)為患者解除痛苦的同時要與患者及家屬做好溝通，掙得其理解與支持，避免醫(yī)療糾紛及相關(guān)倫理問題。所以，3D打印技術(shù)與醫(yī)學(xué)的結(jié)合任重而道遠，仍需醫(yī)療工作者不斷探索、勇于創(chuàng)新，推動醫(yī)療技術(shù)與方法的不斷進步。

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The application of 3D printing in hard tissue field

In recent years,along with the continuous development and gradually matured of 3D printing technology,its application in the medical field is shows a growing trend,many experts and scholars at home and abroad are trying a lot to make full use of this technology for human health services.This article brief description and explanation the basic principle of 3D printing technology,3D printing materials and the application status of this technology in the medical field, so that readers can have a preliminary understanding of the 3D printing technology and its application in the medical field.

3D printing;Rapid prototypi;Hard tissue

R318

B

10.3969/j.issn.1672-5972.2015.05.021

swgk2014-12-00230

陳揚（1965-）男，教授，碩士研究生導(dǎo)師，主任醫(yī)師。研究方向：脊柱外科。

2014-12-07）

深圳市科創(chuàng)委科研創(chuàng)新項目（CXZZ20140414170821148）

深圳市第二人民醫(yī)院（深圳大學(xué)第一附屬醫(yī)院）脊柱外科，廣東深圳518030