揭開3D打印在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的面紗

●馬昊楠/本刊記者

3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，使得全球傳統(tǒng)制造業(yè)發(fā)生了顛覆性的改變。在業(yè)內(nèi)人眼中，隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，3D打印在制造業(yè)中的影響力不亞于蒸汽機和發(fā)電機，甚者有人預(yù)測它的發(fā)展將引領(lǐng)第三次工業(yè)科技革命。近年來，依靠3D打印技術(shù)制造的產(chǎn)品，如飛機，房屋等不停地出現(xiàn)在人們的視線內(nèi)，甚者在醫(yī)療領(lǐng)域內(nèi)也能見到它的身影。那么3D打印技術(shù)能為醫(yī)療帶來何種改變？3D打印技術(shù)還能在哪些方面發(fā)揮作用？就這些問題，記者采訪了北京大學(xué)附屬人民醫(yī)院骨腫瘤科主任郭衛(wèi)教授。

3D打印材料是關(guān)鍵

3D打印技術(shù)最早起源于20世紀80年代的美國快速成型技術(shù)。隨著技術(shù)的發(fā)展，時至今日，3D打印技術(shù)以計算機三維設(shè)計模型為藍本，通過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、特殊材料等進行逐層堆積黏結(jié)，在制造業(yè)中獨領(lǐng)風(fēng)騷。

郭衛(wèi)教授對記者說：“目前3D打印技術(shù)在術(shù)前計劃的制定以及骨骼假體的制作方面有較為廣泛的應(yīng)用，可以說目前在骨科，3D打印技術(shù)運用的最為廣泛?！?/p>

“以骶骨假體為例，在進行3D打印前，首先通過CT掃描采集到患者手術(shù)部位處的骶骨數(shù)據(jù)，醫(yī)生利用這些數(shù)據(jù)在電腦上設(shè)計出骶骨假體的三維模型，最后將這個三維模型的數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D打印機，由3D打印機完成最后的假體制造。”郭衛(wèi)教授進一步說道：“3D打印機的打印方式是逐層打印，換句話說，3D打印就是把設(shè)計好的三維模型分割成很多薄層，再將每個薄層逐個打印出來，并按照三維模型原本的樣子，用激光燒結(jié)的方式將它們結(jié)合到一起，但是3D打印機本身并不具備打磨的功能，因此，打印好的假體還需要進一步的打磨，清除假體上細小的‘毛刺’，不過3D打印的速度很快，一般的骨骼假體，不包含設(shè)計的時間，一天制作3、4個是沒有問題的?！?/p>

目前，3D打印技術(shù)雖然能將金屬、陶瓷、塑料、甚至生物材料作為原材料打印各種產(chǎn)品，但在醫(yī)療領(lǐng)域，最常見的還是樹脂材料和鈦合金粉末。

“3D打印技術(shù)雖然能打印多種材料，但在醫(yī)療領(lǐng)域，選擇最合適的材料，為患者提供最佳方案才是最重要的。在3D打印技術(shù)發(fā)明之前，鈦合金材料制作的骨骼假體在臨床上已經(jīng)使用了幾十年，并且經(jīng)過長期的臨床驗證，鈦合金材料在人體內(nèi)不會對人體產(chǎn)生危害，其金屬強度也得到了骨科醫(yī)生的一致認可。因此，雖然采用了3D打印技術(shù)，但在假體材料的選擇上依然使用了傳統(tǒng)的鈦合金材料。而在制定術(shù)前計劃方面，無論是打印手術(shù)導(dǎo)板還是器官模型，它們的目的都是為了能讓醫(yī)生能更好的了解患者的病情，對患者的病灶部位有更直觀的了解，達到減小手術(shù)風(fēng)險的目的。因此，價格便宜的樹脂材料更為適宜?！惫l(wèi)教授進一步說道：“隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，未來3D打印在材料的選擇上勢必會有所突破。”

“可以這樣說，如果打印材料合適，沒有什么東西是打印不出的。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，如果將制作假體的材料由現(xiàn)今的鈦合金變?yōu)楦N近骨骼的羥基磷灰石，然后通過細胞培養(yǎng)技術(shù)，使活細胞附著在假體之上，使其成為一個具有生物活性的羥基磷灰石假體，這種具有生物活性又貼近人體骨骼的假體自然是最理想的?！边@種具有生物活性的假體在郭衛(wèi)教授眼中并非天方夜譚。

3D打印改變了傳統(tǒng)模式

按照郭衛(wèi)教授所說，目前3D打印技術(shù)吸引了大批骨科醫(yī)生的目光，3D打印技術(shù)在骨科中的應(yīng)用也較為廣泛。究竟3D打印技術(shù)有何優(yōu)勢，以至于引起大批骨科醫(yī)生的關(guān)注？對此，郭衛(wèi)教授表示，與傳統(tǒng)技術(shù)相比它具有兩大得天獨厚的優(yōu)勢。

3D打印技術(shù)的優(yōu)勢之一便是改變了傳統(tǒng)的模具生產(chǎn)模式?！斑^去，我們想要生產(chǎn)一個產(chǎn)品，勢必離不開它的模具，例如制作一根圓珠筆桿，我們首先要制作出圓珠筆桿的模具，在這個模具中灌入塑料，經(jīng)過加工后才是圓珠筆桿，對于金屬材料的產(chǎn)品亦是如此。如果我們要制作一個人工關(guān)節(jié)，就必須先生產(chǎn)出制作人工關(guān)節(jié)的模具，然后在模具中澆灌鈦合金，經(jīng)過冷卻定型、打磨拋光等一系列工序，才能生產(chǎn)出人工關(guān)節(jié)，而3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，使得模具不再是必需品。僅僅通過數(shù)字化的手段，就能夠制造出我們想要的人工關(guān)節(jié)?！惫l(wèi)教授進一步說道：“要知道，每位患者都是獨立的個體，人體骨骼獨特的結(jié)構(gòu)以及患者病灶部位的差異，往往會使一些骨骼假體很難用模具制造，而依靠3D打印技術(shù)，可以直接生產(chǎn)出同一形狀、體積的假體，真正實現(xiàn)了骨骼的私人定制。不僅如此，由于在制作過程中不需要模具，假體的制造成本也有所降低?！?/p>

▲3D打印樣品

此外，依靠3D打印技術(shù)制造的骨骼假體還能夠和病灶部位的真骨“生長”在一起。郭衛(wèi)教授說：“依靠3D打印技術(shù)，可以根據(jù)不同的患者需求在骨骼假體上設(shè)計出一系列數(shù)量、孔徑不一的網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，當假體植入患者體內(nèi)后，病灶部位受創(chuàng)的骨骼伴隨著生長，使得骨細胞能夠自然的吸附到假體的網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)上，使得真骨與假體之間結(jié)成一體。而傳統(tǒng)的以筑模方式制作的鈦合金假體并不具備這些網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)?！?/p>

除了在假體制作上有明顯優(yōu)勢外，3D打印技術(shù)在術(shù)前計劃的制定上也可助醫(yī)生一臂之力?！耙怨悄[瘤為例，以前醫(yī)生們都是通過CT掃描圖像，得到患者病灶部位的平面概念，至于骨腫瘤應(yīng)該如何切除，從何部位下刀，往往需要醫(yī)生在手術(shù)過程中決定。但隨著3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，通過打印患者病灶部位的結(jié)構(gòu)模型，醫(yī)生在手術(shù)前就可根據(jù)模型制定出嚴謹?shù)氖中g(shù)方案。此外，在截骨手術(shù)中，醫(yī)生利用CT掃描采集到的患者數(shù)據(jù)精確設(shè)計截骨線，并運用3D打印技術(shù)依照截骨線制作出與患者截骨部位完全貼合的導(dǎo)板，在手術(shù)中將導(dǎo)板置入截骨部位，指導(dǎo)醫(yī)生精確截骨，使得截骨的準確性得到了極大提升?！惫l(wèi)教授補充道。

每個3D打印假體都需精密設(shè)計

“3D打印技術(shù)從原理上講并不復(fù)雜，如何設(shè)計出完美的假體才是最重要的?！痹诠l(wèi)教授眼中，采用3D打印技術(shù)進行假體重建時，主刀醫(yī)生都會變成獨一無二的設(shè)計師。

“3D打印的假體最終是要成功的植入到患者體內(nèi)，我們在設(shè)計假體結(jié)構(gòu)時要充分考慮兩點因素，首先是假體本身釘?shù)牢恢煤徒孛娲笮　＜袤w要固定在患者體內(nèi)，固定時不能壓迫到真骨附近的神經(jīng)孔，這就對假體釘?shù)赖奈恢糜兴?，同時還要盡可能地保證假體與真骨呈現(xiàn)‘嚴絲合縫’的狀態(tài)，這就要求醫(yī)生在設(shè)計假體時充分考慮截面的大小。其次，醫(yī)生在設(shè)計假體時還要考慮到如何將打印好的假體在植入時，避開患者的神經(jīng)和一些重要器官、組織。”

這一切在郭衛(wèi)教授看來并不容易。他說：“這就要求醫(yī)生自身有大量的臨床經(jīng)驗，對人體內(nèi)的每塊骨骼和神經(jīng)孔都了如指掌，如果醫(yī)生的經(jīng)驗不足，就算假體被打印出來，也未必能順利地‘置入’患者體內(nèi)。”

“可以這么說，假體的設(shè)計者必須是手術(shù)者，因為他能清楚地了解患者的整體情況，在設(shè)計假體的過程中能第一時間發(fā)現(xiàn)假體是否存在設(shè)計和植入的問題，并加以解決。”郭衛(wèi)教授同時強調(diào)，每個3D打印假體從設(shè)計階段開始，直到假體植入患者病灶部位，這一系列的過程不僅考驗醫(yī)生的臨床技術(shù)水平，更是對醫(yī)生綜合素質(zhì)的考驗。