3D打印技術(shù)在臨床中的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望

孫小磊，汪纓，張暉，何偉

南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院，江蘇 南京 210029

3D打印技術(shù)在臨床中的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望

孫小磊，汪纓，張暉，何偉

南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院，江蘇 南京 210029

3D打印是“增材制造”的主要實(shí)現(xiàn)形式，對(duì)于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和制造來(lái)說(shuō)，3D打印能夠帶來(lái)無(wú)限的可能性，特別是其在臨床中的實(shí)踐應(yīng)用和發(fā)展前景引起了全球的廣泛關(guān)注。本文通過(guò)醫(yī)學(xué)模型設(shè)計(jì)、再生組織器官、醫(yī)療器械制造3個(gè)方面詳細(xì)闡述了3D打印技術(shù)在臨床中的應(yīng)用現(xiàn)狀及意義，并根據(jù)現(xiàn)狀對(duì)3D打印技術(shù)在臨床中的發(fā)展提出了展望。

3D打印；增材制造；醫(yī)學(xué)模型；再生組織器官；器官移植

引言

3D打印技術(shù)出現(xiàn)在上個(gè)世紀(jì)，是制造業(yè)領(lǐng)域正在迅速發(fā)展的一項(xiàng)新興技術(shù)，被稱(chēng)為“具有工業(yè)革命意義的制造技術(shù)”。3D打印是“增材制造”（Additive Manufacturing）的主要實(shí)現(xiàn)形式[1]?！霸霾闹圃臁钡睦砟顓^(qū)別于傳統(tǒng)的“去除型”制造。傳統(tǒng)數(shù)控制造一般是在原材料基礎(chǔ)上，使用切割、磨削、腐蝕、熔融等辦法，去除多余部分，得到零部件，再以拼裝、焊接等方法組合成最終產(chǎn)品[2]。而“增材制造”與之截然不同，無(wú)需原胚和模具，就能直接根據(jù)計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)，通過(guò)疊加材料的方法生成任何形狀的物體，這種方法可以簡(jiǎn)化產(chǎn)品的制造程序，縮短產(chǎn)品的研制周期，提高效率并降低成本。

1 3D打印技術(shù)概述

1.1 3D打印技術(shù)的流程原理

3D打印技術(shù)是快速成型技術(shù)的一種，運(yùn)用該技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)的主要流程是：應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件，設(shè)計(jì)出立體的加工樣式，然后通過(guò)特定的成型設(shè)備（即3D打印機(jī)），用液態(tài)、粉末或絲狀的固體材料逐層“打印”出產(chǎn)品。3D打印的前提是需要三維數(shù)據(jù)，沒(méi)有三維數(shù)據(jù)就無(wú)法進(jìn)行3D打印[3]。三維數(shù)據(jù)可以通過(guò)使用三維掃描儀、三維掃描儀+逆向設(shè)計(jì)或CAD建模等獲取。獲取的三維模型轉(zhuǎn)換為3D打印標(biāo)準(zhǔn)文件格式STL格式，其中STL格式是存儲(chǔ)三維模型信息的一種簡(jiǎn)單方法，它將復(fù)雜的數(shù)字模型以一系列的三維三角形面片來(lái)近似表達(dá)。其次將三維數(shù)據(jù)分割成二維數(shù)據(jù)，即把整個(gè)三維模型沿水平面切割成一定數(shù)量的二維薄片，對(duì)應(yīng)每一個(gè)薄片生成其平面尺寸數(shù)據(jù)，切成薄片的數(shù)量由制作材料和打印機(jī)本身決定的，理論上講，分割的層數(shù)越多（薄片的數(shù)量越多），打印出的產(chǎn)品尺寸越接近原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)[4]。3D打印在數(shù)據(jù)分割完成后進(jìn)行打印，實(shí)際是利用材料的自身厚度經(jīng)逐層堆積后形成三維產(chǎn)品的，各層之間的結(jié)合是靠噴嘴中噴出的膠水來(lái)粘結(jié)，故打印時(shí)可看到噴一層材料粉末，再噴一層膠水的工藝過(guò)程，最后經(jīng)過(guò)后續(xù)的處理如固化、修整、上色等即成為一件完整的3D打印產(chǎn)品[5]。

1.2 3D打印技術(shù)的主要類(lèi)型

臨床上的常見(jiàn)3D打印技術(shù)有：選擇性激光燒結(jié)成型（Selective Laser Sintering，SLS）、激光光固化（Stereo Litho graphy Appearance，SLA)、熔融沉積造型（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）、分層實(shí)體制造（Laminated Object Manufacturing，LOM）等[6]。

（1）SLS。采用激光有選擇地分層燒結(jié)固體粉末，并使燒結(jié)成型的固化層層層疊加生成所需形狀的物件，整個(gè)過(guò)程包括建模及數(shù)據(jù)處理、鋪粉、燒結(jié)以及后處理等。常采用金屬、陶瓷、塑料等材料的粉末作為成型材料。特點(diǎn)是材料適用面廣，不僅能制造塑料物件，還能制造陶瓷、金屬、蠟等材料的物件，造型精度高，原型強(qiáng)度高。

（2）SLA。以液態(tài)光敏樹(shù)脂為材料充滿液槽，由計(jì)算機(jī)控制特定波長(zhǎng)與強(qiáng)度的激光束跟蹤聚焦層狀界面軌跡，使液體樹(shù)脂固化，由點(diǎn)到線，由線到面順序凝固，層層疊加固化，最終得到一個(gè)三維實(shí)體模型。該方法的特點(diǎn)是原型件精度高，零件強(qiáng)度和硬度好，可制造出形狀特別復(fù)雜的空心物件，生產(chǎn)的模型柔性化好，可隨意拆裝，是間接制模的理想方法。

（3）FDM。以熱塑性成型材料絲為材料，利用電加熱方式將絲材加熱至略高于熔化溫度，在計(jì)算機(jī)的控制下，噴頭作平面運(yùn)動(dòng)，將熔融的材料涂覆在工作臺(tái)上，冷卻后形成工件的一層截面，當(dāng)一層成形后，噴頭上移一層高度進(jìn)行下一層涂覆，逐層由底到頂?shù)囟逊e成一個(gè)實(shí)體模型或零件。該方法的特點(diǎn)是使用、維護(hù)簡(jiǎn)單，成本較低，速度快，一般復(fù)雜程度原型僅需幾個(gè)小時(shí)即可成型[7]。

（4）LOM。以片材為原材料，將背面涂有熱熔膠的片材用激光切割，切割完一層后，將新的一層疊加上去，利用熱粘壓將已切割層粘合在一起，然后再切割，這樣一層層地切割、粘合，最終成為三維物件。該方法特點(diǎn)是模型支撐性好、成本低、效率高，常用材料是紙、金屬膜、塑料膜等，此方法除了可以制造模具、模型外，還可以直接制造結(jié)構(gòu)件或功能件。

除此之外還有三維噴印技術(shù)、電子束熔化成型技術(shù)等，對(duì)于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和制造來(lái)說(shuō)，3D打印技術(shù)能夠帶來(lái)無(wú)限的可能性，其應(yīng)用領(lǐng)域在不斷擴(kuò)展，如今3D打印技術(shù)已經(jīng)在汽車(chē)行業(yè)、航空航天、機(jī)械制造、建筑設(shè)計(jì)、模具制造、醫(yī)療行業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[8]。

1.3 3D打印材料

3D打印技術(shù)并不復(fù)雜，關(guān)鍵點(diǎn)在于材料。普通打印機(jī)的耗材是墨水和紙張，但3D打印機(jī)的耗材主要為膠水和粉末，而且材料必須經(jīng)過(guò)特殊處理，對(duì)其固化反應(yīng)速度等也要求很高。根據(jù)化學(xué)組成，3D打印材料分為金屬材料、陶瓷材料、復(fù)合材料和聚合物等[9]。

3D打印技術(shù)對(duì)打印材料要求較高，因此需要針對(duì)不同的模型選擇合適的材料，例如打印生物模型或組織，要求其材料必須具有生物相容性、可降解性[10]。目前臨床主要的3D打印材料有耐高溫及高性能的PC材料、ABS樹(shù)脂材料等[11]。ABS材料具有強(qiáng)度高、韌性好、耐沖擊等優(yōu)點(diǎn)，正常變形溫度超過(guò)90℃，可進(jìn)行多樣加工，且顏色種類(lèi)豐富，廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)模型的3D打印，打印出的模型解剖結(jié)構(gòu)清晰、細(xì)節(jié)逼真。此外很多金屬材料如不銹鋼、鈦、鈦合金、鈷鉻合金、鋁合金等在臨床3D打印中也有廣闊的應(yīng)用空間。鈦及其合金是非常理想的的醫(yī)用3D打印材料，與常用的不銹鋼、鈷鉻合金相比具有優(yōu)異的耐腐蝕性、強(qiáng)度高、耐熱度高、生物相容性好，常用作人體的植入物，通過(guò)3D打印技術(shù)得到的醫(yī)用鈦合金產(chǎn)品，在個(gè)性化植入物、口腔、頜骨修復(fù)、人體骨架、人工關(guān)節(jié)等方面得到了成功的應(yīng)用[12]。

但是，3D打印材料的單一性、材質(zhì)本身特性等因素制約了3D打印技術(shù)在臨床上的應(yīng)用與發(fā)展，許多3D打印材料的生物特性、功能性、相容性以及可降解性有待進(jìn)一步研究，能夠滿足臨床應(yīng)用要求的打印材料不夠豐富且成本較高，這些問(wèn)題都需要得到解決[13]。

2 3D打印技術(shù)在臨床中的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 醫(yī)學(xué)模型設(shè)計(jì)

在臨床應(yīng)用中，3D打印技術(shù)目前已在骨科、外科、牙科等各專(zhuān)業(yè)開(kāi)始使用和發(fā)展，已成功的打印出了頭顱模型、心臟模型、骨骼模型、血管模型等各組織器官模型，其可視化三維模型有助于更好地理解相關(guān)解剖部位，有利于指導(dǎo)醫(yī)生個(gè)體化治療和診斷[14-15]。利用3D打印技術(shù)打印出來(lái)的模型能將器官和組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)逼真地顯示出來(lái)，使醫(yī)學(xué)知識(shí)變得更為直觀明了，可用于臨床、教學(xué)和術(shù)前模擬、優(yōu)化手術(shù)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)精確化、個(gè)性化手術(shù)[16]。復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院首次將3D打印技術(shù)應(yīng)用于經(jīng)導(dǎo)管主動(dòng)脈瓣置換手術(shù)（Transcatheter Aortic Valve Implantation，TAVI），成功為一位77歲高齡的主動(dòng)脈瓣重度狹窄合并關(guān)閉不全患者實(shí)施了TAVI手術(shù)規(guī)劃與導(dǎo)航。該案例通過(guò)3D打印技術(shù)將患者二維影像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成實(shí)物大小的心臟模型呈現(xiàn)在醫(yī)生眼前，提供更多傳統(tǒng)影像學(xué)檢查難以顯示的豐富信息，使手術(shù)更準(zhǔn)確安全。通過(guò)采集該患者高分辨率CT及心臟超聲影像，為其打印出完整的心臟及主動(dòng)脈3D模型，據(jù)此制定周密細(xì)致的手術(shù)規(guī)劃與實(shí)施方案，僅耗時(shí)1 h即順利完成TAVI手術(shù)，患者X線暴露時(shí)間比既往縮短一半，造影劑用量減少1/3，術(shù)中、術(shù)后生命體征非常平穩(wěn)，復(fù)查顯示人工瓣膜定位準(zhǔn)確、工作正常。同樣，對(duì)于復(fù)雜創(chuàng)傷、脊柱外科和關(guān)節(jié)外科等手術(shù)，可以通過(guò)3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)出椎弓根、髖臼等手術(shù)導(dǎo)航模板，顯示出其在臨床、教學(xué)工作中良好的應(yīng)用前景[17]。近年來(lái)，利用3D打印技術(shù)進(jìn)行的醫(yī)學(xué)模型設(shè)計(jì)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于臨床教學(xué)和骨科、整形外科、牙科等精確化、個(gè)性化手術(shù)中，為臨床發(fā)展注入了新的生命力。

2.2 再生組織器官

人體組織器官移植一直是臨床醫(yī)學(xué)上的一個(gè)難題，器官來(lái)源阻礙了移植醫(yī)學(xué)的發(fā)展，很多患者也可能會(huì)因此喪失生命。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，3D打印人體組織器官已經(jīng)成為可能[18]。生物3D打印是3D打印技術(shù)最前沿、最有價(jià)值的領(lǐng)域之一。利用3D生物打印技術(shù)，以含有活體細(xì)胞的“生物墨水”為材料，打印出一層細(xì)胞組織架構(gòu)，然后按3D成型技術(shù)進(jìn)行制造，逐漸形成立體的細(xì)胞組織架構(gòu)，最終獲得所需的人工器官和組織。德國(guó)研究人員利用3D打印技術(shù)制作出柔韌的人造血管，可以與人體組織融合，不但不會(huì)發(fā)生器官排斥，而且還可以生長(zhǎng)出類(lèi)似肌肉的組織，該研究成果有望用于人體試驗(yàn)和藥物測(cè)試等臨床應(yīng)用[19]。在器官移植的制造方面，3D打印技術(shù)有著廣闊的空間，目前器官移植的來(lái)源主要靠捐贈(zèng)，而捐贈(zèng)的器官存在免疫排斥的風(fēng)險(xiǎn)，常常會(huì)導(dǎo)致器官移植失敗。利用人體自身干細(xì)胞，通過(guò)3D打印技術(shù)打印出的器官可以避免這一風(fēng)險(xiǎn)。目前已經(jīng)有學(xué)者已成功打印出耳朵、鼻子、微型人體腎臟、肝臟等人體器官。例如，有外國(guó)科研人員采用3D打印技術(shù)成功配合人體自身細(xì)胞，使用加入細(xì)胞混合物凝膠的可生物降解腳手架，逐層構(gòu)建出了腎臟[20]。相信隨著科技的進(jìn)步，移植組織或器官不足的難題必將得到解決。

2.3 醫(yī)療器械制造

利用3D打印技術(shù)打印制造醫(yī)療器械有著顯著地優(yōu)越性，可以顯著提高醫(yī)療器械的精確度，科研人員利用3D打印技術(shù)打印制造的矯正器解決了矯形手段與輔助工具不能靈活調(diào)整的問(wèn)題，能夠做到矯形部位與矯形器完全匹配，提高了矯形器的擬合效果[21]。同時(shí)，3D打印大大地簡(jiǎn)化了產(chǎn)品的制造程序，縮短產(chǎn)品的研制周期，提高效率并最終降低成本。例如3D打印技術(shù)打印一顆牙齒只需10 min，而傳統(tǒng)種牙技術(shù)牙則需要3 d[22]。3D打印的助聽(tīng)器可把傳統(tǒng)復(fù)雜的工序縮短為簡(jiǎn)單的3個(gè)工序，即掃描、建模、打印。同樣3D打印技術(shù)在各類(lèi)醫(yī)療器械的制造方面已被廣泛應(yīng)用，在輔助治療中使用的醫(yī)療裝置方面，3D打印技術(shù)打印的如矯正器、助聽(tīng)器、導(dǎo)航板、關(guān)節(jié)支架等諸多醫(yī)療器械，已經(jīng)成功地在臨床上得到應(yīng)用[23]。在手術(shù)器械方面，個(gè)性化的手術(shù)必將使傳統(tǒng)醫(yī)療設(shè)備適應(yīng)新的醫(yī)療模式，個(gè)性化、定制化的手術(shù)和其他功能治療過(guò)程需要配備個(gè)性化的手術(shù)器械，這些新的手術(shù)器械開(kāi)發(fā)、制造可通過(guò)3D打印技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)?？偠灾?，在各類(lèi)體內(nèi)外器械、手術(shù)器械、輔助醫(yī)療器械等的研發(fā)與制造過(guò)程中，3D打印技術(shù)正發(fā)揮著巨大的作用，也可以說(shuō)3D打印技術(shù)正引領(lǐng)著醫(yī)療器械研發(fā)、制造的技術(shù)革命。

3 前景展望

目前，3D打印技術(shù)還沒(méi)有在臨床上得到普遍化應(yīng)用，其主要局限在打印材料上，3D打印材料的材質(zhì)特性與單一性制約著其發(fā)展。例如，利用金屬粉末打印出假體的生物力學(xué)性能達(dá)不到傳統(tǒng)工藝制造的假體性能，生物打印的材料只能利用單一的活性細(xì)胞打印組織器官，并不能實(shí)現(xiàn)人體組織器官功能的復(fù)雜多樣性[24]。除此之外，3D打印技術(shù)在臨床應(yīng)用的法律法規(guī)還不夠完善，各類(lèi)3D打印技術(shù)在臨床中的行業(yè)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)的制定等諸多問(wèn)題，例如對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)，對(duì)危險(xiǎn)物品設(shè)計(jì)與制造的限制等[25]。此外，3D打印人體器官組織等涉及到社會(huì)道德和倫理問(wèn)題。但3D打印技術(shù)的應(yīng)用前景是十分廣闊的，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存，應(yīng)當(dāng)將3D打印技術(shù)限定在合理的、不至于威脅人類(lèi)社會(huì)生存與發(fā)展的范圍之內(nèi)，使之更好地造福于全人類(lèi)。

隨著材料技術(shù)的不斷發(fā)展與完善、打印材料質(zhì)量不斷提高，先進(jìn)材料如智能材料、納米材料、新型聚合材料、合成生物材料、石墨烯材料等也開(kāi)始成為3D打印材料，使打印材料更加多樣化、成本更低，這些都有利于3D打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域發(fā)展。我國(guó)制定的首部關(guān)于3D打印技術(shù)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃《國(guó)家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃（2014-2016）》，從醫(yī)用3D打印材料的研發(fā)生產(chǎn)、醫(yī)用3D打印裝備的研制、醫(yī)用3D打印裝備應(yīng)用進(jìn)程和加強(qiáng)醫(yī)用3D打印人才培養(yǎng)4個(gè)方面作出了規(guī)劃，相信在未來(lái)的5～10年，隨著臨床技術(shù)的不斷進(jìn)步和市場(chǎng)需求的不斷擴(kuò)大，也隨著3D打印技術(shù)的打印精度和效率等的不斷提高以及3D打印設(shè)備的成本降低等，3D打印技術(shù)在臨床上的應(yīng)用將會(huì)更加高效化、精確化和普遍化[26]。

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本文編輯 劉峰

Clinical Application Status and Prospect of 3D Printing Technology

SUN Xiao-lei, WANG Ying, ZHANG Hui, HE Wei
the First Affiliated Hospital of Nanjing Medical University, Nanjing Jiangsu 210029, China

3D printing is the main implementation of additive manufacturing, and can bring infinite possibilities for product development and manufacture. It has drawn widespread concern across the world, especially its clinical application and development prospect. This article elaborated the clinical application status and significance of 3D printing technology from aspects of medical model design, tissues and organs regeneration, medical devices manufacturing, and put forward development prospect of 3D printing technology in clinical application.

3D printing; additive manufacturing; medical model; regenerative tissues and organs; organ transplantation

TG665；TH774

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.01.026

1674-1633(2017)01-0099-04

2016-03-14

2016-03-29

作者郵箱：749856490@qq.com