劉鳳珍，劉明信，王運(yùn)華，李克義，張　彬

(聊城大學(xué)醫(yī)學(xué)院 聊城市人民醫(yī)院, 山東 聊城 252000)

3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用研究進(jìn)展

劉鳳珍，劉明信，王運(yùn)華，李克義，張彬

(聊城大學(xué)醫(yī)學(xué)院 聊城市人民醫(yī)院, 山東 聊城 252000)

張　彬

摘要：3D打印技術(shù)是一種快速成型技術(shù)，通過重建的三維數(shù)字模型，將其分割成層狀后逐層堆積成實(shí)體模型。近年來隨著影像學(xué)、 數(shù)字化醫(yī)學(xué)和新材料技術(shù)的快速發(fā)展，3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍越來越廣泛，越來越受到人們的重視?？偨Y(jié)了3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展，分別就3D打印醫(yī)學(xué)模型、3D打印醫(yī)療器材、3D打印用于組織功能產(chǎn)品、3D打印活體組織和器官(如：人造肝臟組織、人造腎臟組織、人造血管、人造耳朵和人造皮膚等)以及其他方面的應(yīng)用等進(jìn)行了評述，并介紹了3D打印技術(shù)在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)應(yīng)用上的發(fā)展。最后根據(jù)3D打印技術(shù)的特點(diǎn)，提出應(yīng)用展望，并分析未來的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；快速成形技術(shù)；醫(yī)學(xué)領(lǐng)域；應(yīng)用進(jìn)展中圖分類號：TP391

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-3962(2016)05-0381-05

1前言

“三維(3D)打印”(3D Printing)的學(xué)術(shù)名稱為“快速成形技術(shù)”(Rapid Prototyping Manufacturing, RP)，誕生于20世紀(jì)80年代后期，是基于材料堆積方法的一種制造技術(shù)[1-3]。3D打印的基本原理簡單來說就是它利用重建的三維數(shù)字模型，將其分割成層狀，然后逐層堆積成實(shí)體模型[4]。體化與精確化是21世紀(jì)醫(yī)學(xué)發(fā)展的方向。近幾年來，作為科技前沿的代表性技術(shù)，3D打印技術(shù)受到了國內(nèi)外醫(yī)療行業(yè)的廣泛青睞[5]。如今，3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍之廣已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我們的想象，引起了廣泛的關(guān)注。

23D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

2.13D打印醫(yī)學(xué)模型

醫(yī)學(xué)模型以及醫(yī)用產(chǎn)品可用于醫(yī)學(xué)教學(xué)、手術(shù)前模擬和病例討論等。Waran等[6]報(bào)道了3D打印技術(shù)制備的頭顱模型協(xié)助教學(xué)、術(shù)前訓(xùn)練等。Lee等[7]曾利用CT掃描獲得患者頜面缺損影像數(shù)據(jù)后進(jìn)行三維重建，制備模型對缺損進(jìn)行評估，并完成頜面部缺損的修復(fù)手術(shù)，體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)技術(shù)與 3D 打印技術(shù)聯(lián)合并應(yīng)用于臨床工作的可行性。Matthew等[8]利用CT三維重建與3D打印技術(shù)制備一名6歲小女孩肩胛骨腫瘤的模型，模型的可視化可以協(xié)助外科醫(yī)生進(jìn)行病情解釋與術(shù)前病情分析。Debarre等[9]亦指出運(yùn)用快速成型術(shù)對病變破壞與缺損區(qū)域進(jìn)行建模比CT三維重建在臨床應(yīng)用方面更有優(yōu)勢，并對干骺端骨不連進(jìn)行截骨術(shù)、肩關(guān)節(jié)成形術(shù)、股骨滑車成型術(shù)的不同患者進(jìn)行術(shù)前建模，利用3D打印技術(shù)制備的模型或者植入物更加客觀形象地反應(yīng)病變并成功地實(shí)施手術(shù)，手術(shù)效果令人滿意。Ciocca等[5]在腓骨瓣移植修復(fù)下頜骨部分切除術(shù)中用CAD/CAM技術(shù)制作模型，并用模型制作了用于指導(dǎo)下頜骨切除位置的裝置和腓骨瓣固定鈦板。他們認(rèn)為現(xiàn)在用鈦板固定，也許未來可以直接制作再生支架用于骨缺損的修復(fù)。亦有文獻(xiàn)報(bào)道，一位美國兒科醫(yī)生成功地打印制作出人體心臟實(shí)物模型，用于復(fù)雜手術(shù)前的研究，使手術(shù)師更好地掌握了患者的心臟結(jié)構(gòu)，以此減少了手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)(如圖1)[10]。美國某醫(yī)院在實(shí)施頭顱分離手術(shù)前，首先使用3D打印機(jī)打印出了嬰兒連體頭顱模型，并對手術(shù)方案進(jìn)行了充分的研究分析[11]。近年來，許多醫(yī)院也推出了3D打印胎兒服務(wù)[12]。目前，3D打印醫(yī)學(xué)模型已獲得很好的技術(shù)支持，使用多種材質(zhì)進(jìn)行打印，具備一定的打印速度，可有效減少制作時間，降低搬運(yùn)損壞的風(fēng)險(xiǎn)，并可以根據(jù)需要隨時制作，有著非常廣闊的應(yīng)用前景。

圖1　3D打印心臟模型Fig.1　Heart model by 3D printing technology

2.23D打印骨科醫(yī)療器械

在整形外科和口腔科手術(shù)中，針對患者個體化設(shè)計(jì)的手術(shù)已成為3D打印產(chǎn)業(yè)服務(wù)的重要內(nèi)容。目前已有一些成功案例，如通過3D打印制造的醫(yī)療植入物如鈦質(zhì)骨植入物、義肢以及矯正設(shè)備等。個性化手術(shù)導(dǎo)板是在術(shù)前依據(jù)患者手術(shù)需要而專門定制的個性化手術(shù)輔助工具，是將術(shù)前設(shè)計(jì)與手術(shù)操作聯(lián)接在一起的定制化橋梁[13]。Flugge等[14]利用三維重建和3D打印為患者設(shè)計(jì)、制作了個性化種植鉆孔導(dǎo)板。Fu等[15]利用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)前置椎弓根螺釘導(dǎo)板實(shí)現(xiàn)頸椎前路椎弓根螺釘?shù)臏?zhǔn)確植入。目前，國內(nèi)外已將種植體導(dǎo)板作為常規(guī)定位工具使用；國外20%的膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)已轉(zhuǎn)向膝關(guān)節(jié)導(dǎo)板(圖2)的應(yīng)用，而國內(nèi)尚處技術(shù)開發(fā)的探索與求證階段[16]。

圖2　3D打印的膝關(guān)節(jié)手術(shù)導(dǎo)板：(a)股骨導(dǎo)板和(b)脛骨導(dǎo)板Fig.2　3D printing technology fabricated knee operation guide: (a) femoral guide and (b) tibial plate

圖3　3D打印下頜骨Fig.3　Mandible by 3D printing technology

美國研究人員利用3D打印機(jī)開發(fā)骨骼打印技術(shù)，研制出類似骨骼的材料，它可被用于骨科、牙科治療或開發(fā)治療骨質(zhì)疏松癥藥物[17-19]。2012年，比利時Hasselt大學(xué)生物醫(yī)學(xué)研究所采用3D打印技術(shù)為一位83歲患者制作了一副鈦合金的下頜骨(圖3)，患者術(shù)后一天就恢復(fù)語言和吞咽功能[20]。

AKE EVILL設(shè)計(jì)出針對骨折患者的治療和康復(fù)輔助工具的新的解決方案，就是通過3D打印技術(shù)制作的新型骨骼固定支架(Cortex Exoskeletal Cast)(如圖4)。首先經(jīng)過X射線和三維掃描確定病人斷裂的確切位置和骨折的肢體尺寸，將這些數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，生成最適合患者體形的最佳支持，然后用3D打印機(jī)將支架打印出來。這種支架成本不高、生產(chǎn)迅速，而且是針對每位病人的特點(diǎn)一對一制作，有助于傷處更好的恢復(fù)，同時穿戴式的使用方式簡單可靠。這個名為CORTEX的骨骼固定支架由聚酰胺(PA)構(gòu)成，采用了仿生物骨骼的網(wǎng)狀有機(jī)形態(tài)，具有輕質(zhì)、透氣及可清洗的特點(diǎn)。

圖4　3D打印骨骼固定支架Fig.4　Skeletal fixation bracket by 3D printing technology

北京大學(xué)第三醫(yī)院骨科主任醫(yī)師劉忠軍帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在脊柱及關(guān)節(jié)外科領(lǐng)域研發(fā)出頸椎椎間融合器、頸椎人工椎體及人工髖關(guān)節(jié)等幾十個3D打印脊柱外科植入物，目前已進(jìn)入臨床觀察階段，且已有45名患者在簽署知情同意書后，植入了3D打印出來的骨骼，并接受定期追蹤檢查(如圖5)。

圖5　3D打印頸椎椎間融合器Fig.5　Cervical intervertebral fusion cage by 3D printing technology

2.33D打印活體組織和器官

2.3.13D打印人造肝臟組織

據(jù)報(bào)道，微型人體肝臟也已被成功采用3D打印技術(shù)制備出來(如圖6)，同時3D打印的人造肝臟組織對于藥物研發(fā)也非常有價(jià)值，因?yàn)樗鼈兛梢愿_切地模擬人體對藥物的反應(yīng)，有助于從中選擇更安全、更有效的藥物。目前，蘇格蘭科學(xué)家已經(jīng)使用人類細(xì)胞3D打印出了世界上第一個人造肝臟組織[21-22]。赫瑞瓦特大學(xué)Will Shu博士研究小組與中洛錫安郡的Roslin Cellab公司合作將制造出更精確的人體組織模型，可用患者自己的細(xì)胞制造出可用的微型人類肝臟組織。

圖6　3D打印肝臟組織Fig.6　Liver tissue by 3D printing technology

2.3.23D打印人造腎臟組織

美國維克森林大學(xué)再生醫(yī)學(xué)研究所發(fā)布了最新科研成果，可以由一臺3D打印機(jī)放置多種類型的由活體組織提取出的細(xì)胞培育而成腎臟細(xì)胞(如圖7)，得到的產(chǎn)品接著被放在培養(yǎng)皿中進(jìn)行培育。安東尼·阿塔拉博士使用的3D打印機(jī)并非采用墨水打印，而是使用一種類似凝膠的生物可降解材料，逐層打印腎臟[23]。

圖7　3D打印腎臟Fig.7　Kidney by 3D printing technology

2.3.33D打印人造血管

3D打印血管是三維彈性材料研究上的重大突破，有著廣泛的應(yīng)用前景。德國研究人員利用3D打印技術(shù)，打印制作出柔韌的人造血管，并可使血管與人體融合，同時解決了血管免遭人體排斥的問題(如圖8)。該技術(shù)的應(yīng)用有助于解決當(dāng)前和今后人造器官短缺所面臨的困難[24]。3D 打印技術(shù)打印出的毛細(xì)血管，具有良好的彈性和人體相容性，不但可以用于更換壞死的血管，還可以與人造器官技術(shù)結(jié)合，部分取代藥物研發(fā)中的實(shí)驗(yàn)動物。

圖8　3D打印人造血管Fig.8　Artificial blood vessel by 3D printing technology

2.3.43D打印皮膚

對大面積燒傷的人來說，進(jìn)行植皮手術(shù)所需大面積的皮膚是很困難的，因此醫(yī)學(xué)研究中一直在尋找簡單的方法制造出植皮所需的皮膚。利用3D打印技術(shù)制作臉部損傷組織，如耳、鼻以及皮膚(如圖9)等，可以得到與患者精確匹配的相應(yīng)組織，為患者重新塑造頭部完整形象，達(dá)到美觀效果。比起傳統(tǒng)技術(shù)，該方法更精確，材質(zhì)選擇更加多樣化。威克森林大學(xué)再生醫(yī)學(xué)研究院的研究員們研究了一種用噴墨打印技術(shù)制造皮膚薄層的方法。這項(xiàng)技術(shù)使用的是三維打印機(jī)，制皮之前需要取傷者身上一塊不大于郵票的皮膚組織，分析這塊皮膚的層數(shù)分布后，這塊組織被放置在經(jīng)過消毒的噴墨盒中，研究員進(jìn)行編程并輸入打印機(jī)中，打印機(jī)將會按照程序，參照供體的細(xì)胞，利用一種膠體和特殊材料制作出與舊皮膚組織結(jié)構(gòu)相同的新皮膚組織。這種方法遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的皮膚移植技術(shù)，因?yàn)閭鹘y(tǒng)皮膚移植技術(shù)需要患者正常的皮膚，而有些情況下，皮膚移植是痛苦的，并且對于全身燒傷的患者這種方法也不適用[25]。

圖9　3D打印皮膚Fig.9　Skin by 3D printing technology

2.3.53D打印人造耳朵

醫(yī)學(xué)界目前使用的人造耳朵主要成分為泡沫聚苯乙烯或患者人體肋骨組織。前者質(zhì)感與人耳差異較大，后一種方式既困難又令患者十分疼痛，很難制成既美觀又實(shí)用的人造耳朵。研究人員認(rèn)為，3D打印人造耳朵的優(yōu)勢在于能夠個性化“定制”，幫助失去部分或全部外耳的人士。美國康奈爾大學(xué)研究人員利用牛耳細(xì)胞在3D打印機(jī)中打印出人造耳朵(如圖10)[26]。他們首先利用快速旋轉(zhuǎn)的3D相機(jī)拍攝數(shù)名病人現(xiàn)有耳朵的三維信息，然后將其輸入計(jì)算機(jī)，3D打印機(jī)會據(jù)此打印出耳朵模子。隨后在模子中注入特殊的膠原蛋白凝膠，這種凝膠含有能生成軟骨的牛耳細(xì)胞。此后數(shù)周內(nèi)，軟骨逐漸增多并取代凝膠。3個月后，模子內(nèi)出現(xiàn)一個具有柔韌性的人造外耳，其功能和外表均與正常人耳相似，其逼真度可以與人類真實(shí)耳朵相媲美。隨著3D打印技術(shù)所支持材質(zhì)的增多、打印質(zhì)量的精細(xì)化以及美容市場的壯大，在臉部修飾與美容方面的應(yīng)用將有更加廣闊的天地，應(yīng)用水平亦將得到進(jìn)一步提高。

圖10　3D打印耳朵Fig.10　Ear by 3D printing technology

2.3.6其他醫(yī)學(xué)應(yīng)用

另外，3D打印技術(shù)還可以用于藥物測試，加速改良測試過程。利用3D打印技術(shù)還可控釋給藥，可以通過特殊的藥片結(jié)構(gòu)控制藥粉/藥劑的釋放過程，讓人體內(nèi)的藥物吸收過程更為合理。除此之外，這項(xiàng)技術(shù)將大大降低藥品制作成本，使更多的患者能接受之前負(fù)擔(dān)不起的昂貴治療[27-28]。

3結(jié)語

3D打印技術(shù)的醫(yī)學(xué)應(yīng)用成效明顯，利用3D打印機(jī)可制作適合個體的醫(yī)療用品，減少獲取環(huán)節(jié)和時間，臨時解決醫(yī)療用品不足的問題。隨著智能制造的進(jìn)一步發(fā)展成熟，新的信息技術(shù)、控制技術(shù)、材料技術(shù)等不斷被廣泛應(yīng)用到生物領(lǐng)域，3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用也將被推向更高的層面。未來3D打印技術(shù)的發(fā)展將體現(xiàn)出精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要趨勢。

一項(xiàng)新技術(shù)總是同時帶來利與弊，3D打印技術(shù)亦是如此。當(dāng)我們享受3D打印技術(shù)帶給我們的便利時，也應(yīng)考慮到它可能帶來的問題。當(dāng)該技術(shù)所造人體器官的性能與適應(yīng)性發(fā)展到足以替代人體多數(shù)組織器官時，人們可能會產(chǎn)生疑問，他們身體組織器官是否被各種打印成品所替代？在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，3D打印會不會面臨與克隆同樣的問題？人體的假臉、指紋和虹膜也可通過3D打印獲取，那么生物特征識別這些重要技術(shù)的有效性是否受到挑戰(zhàn)？隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，這些問題值得我們深入思考[29-30]。但是我們相信在不久的將來，3D打印結(jié)合數(shù)字化技術(shù)必然能在臨床應(yīng)用中開創(chuàng)出一片廣闊天地。

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(編輯惠瓊)

Research Progress on Application of 3D PrintingTechnology in Medical Field

LIU Fengzhen, LIU Mingxin, WANG Yunhua, LI Keyi, ZHANG Bin

(Liaocheng People’s Hospital, Medical School of Liaocheng University, Liaocheng 252000, China)

Abstract：Three-dimensional (3D) printing technology is a kind of rapid prototyping technology, through the reconstruction of 3D digital model, dividing them layer by layer and depositing into solid model. In recent years, with the rapid development of 3D printing technology, its applications in medical field are wider and wider and attract more and more attentions. With the development of medical imaging, digital medicine and new materials, 3D printing technique will have a wider range of applications in medical field. This paper reviews the applications of 3D printing technology in the medical field, such as construction of medical model, medical equipments, the production of tissue and organ substitutes (such as artificial liver tissue, artificial kidney tissue, artificial blood vessel, artificial ear, artificial skin and others) and others. According to the characteristics of 3D printing technology, we also propose its forecast, and analyze the development trend in the future.

Key words：three-dimensional printing technology; rapid prototyping technology; medical field; application progress

收稿日期：2014-11-27

通訊作者：張彬，男，1956年生，教授， Email:ldcllfz@163.com

DOI:10.7502/j.issn.1674-3962.2016.05.08

第一作者：劉風(fēng)珍，女，1978年生，副研究員