3D打印技術在氣道管理中的應用進展*

劉凱茜 綜述 王 軍 審校

(北京大學第三醫院麻醉科，北京 100191)

3D打印技術在我國醫療行業的應用始于20世紀80年代，最初主要用于立體醫療模型的制造。隨著精準化醫療和個性化醫療的發展，3D打印技術在醫療行業的應用日趨廣泛，從立體模型、手術器械到活體移植組織、人體器官，3D打印技術逐步成熟完善并在醫療領域占據重要的地位。氣道管理作為圍術期重要的管理項目之一始終備受關注，3D打印技術的出現可以將氣道管理可視化、個體化，因此，其應用空間和發展前景十分廣闊。本文對3D打印技術在氣道管理中的應用進行文獻總結。

1 3D 打印技術用于氣道評估

目前，3D打印技術在氣道管理方面應用最多的是用于術前準備階段的氣道評估。臨床常用的氣道評估方法主要有Mallampati分級、喉鏡檢查、測量甲頦距離及張口度、觀察頸部活動度等方法，這些方法成本低、迅速便利，但缺陷在于無法全面、直觀地掌握患者氣道情況，特別是對于有困難氣道的患者，盡管可以預測出發生困難氣道，但仍不能做到精準的定位和具體情況分析。3D打印技術很好地彌補上述缺陷，通過患者氣道的CT、MRI和超聲等檢查結果模擬重建呼吸道3D模型，還原真實氣道結構(圖1)，直觀地了解患者氣道解剖異常及通氣功能受限的病因。利用選擇性激光燒結(selective laser sintering，SLS)和立體平板印刷打印機，在Amira、3Diagnosys、Ondemand 3D(上呼吸道重建)、OsiriX、Mimics、BrainLab(下呼吸道)等軟件包的支持下進行個體化氣道重建[1]，還原氣道及毗鄰結構，尤其是因甲狀腺、食管、頸椎、縱隔等毗鄰結構解剖異常帶來的氣道結構改變，最大限度地了解患者氣道解剖結構。

近年來，3D打印技術在產科和兒科患者氣道評估方面應用較多，產前超聲檢查可發現具有先天性氣道缺陷和頜面發育異常的胎兒，基于其超聲影像制出胎兒氣道的3D打印模型可清晰發現解剖結構異常，用于預測和制定氣道管理方案以及氣道重建方案[2]。2015年Wilson 等[3]應用3D打印模型了解1例小兒患者的氣道實際尺寸，以此選擇合適的通氣設備施行單肺通氣，該模型使麻醉醫生能夠術前了解患兒氣道的實際情況，選擇恰當的主氣管和支氣管的氣管導管。上海兒童醫院應用3D打印技術對嬰幼兒氣道狹窄糾正手術的評估，顯著提高手術治療成功率，自2015 年至今，該醫院心臟中心小兒氣管狹窄的手術治療成功率已接近90%[4]。對于有先天性心臟病的患者特別是小兒患者而言，術前詳細了解氣道和脈管系統的關系至關重要，3D打印技術可以很好地顯示心房、心室、大血管與氣管、支氣管、支氣管樹之間的解剖關系(圖2)，完善心胸外等大手術的術前準備，制定最合理的手術方案[5]。

除用于嬰幼兒的氣道評估和治療，3D打印技術也有助于成人氣道評估和相關氣道疾病的治療。從2011年至今，3D打印技術逐步應用于術前氣道評估[6]。在困難氣道、氣道解剖結構改變或氣道為手術部位時，傳統的氣道評估方法將不再適用，3D打印模型可以幫助了解氣道病變、氣道腫瘤形態大小和位置、病變與鄰近器官的解剖位置、重要供血血管等信息[7]，尤其有利于麻醉醫生的氣道評估、困難氣道插管以及制定單肺通氣的氣道管理方案[8]。在整形外科中，可應用3D打印技術模擬整形后的面部結構，比如模擬鼻部手術后面部和氣道改變，以此來評估和判斷整形手術的可行性[9]。此外，3D打印技術還可用于術后手術效果的評價和氣道評估，預防術后肉芽組織增生造成的氣道狹窄，并可檢測多發性軟骨炎的復發，以預防氣管支氣管軟化癥的發生[10]。

3D打印技術以其準確定位和立體精細剪裁，制作出個體化解剖仿真模型，能夠更直觀地了解不同個體的氣道疾病，用于制定精準的氣道手術方案及合并氣道疾病的非氣道手術患者的氣道管理方案，合理規劃手術空間，縮短手術時間，預判術中可能出現的問題且可避免因過度破壞氣道而造成的術后并發癥，極大地提高麻醉管理質量和手術治療效果。北京大學第三醫院麻醉科首次應用3D打印技術完成1例喉癌術后氣管切開的氣道評估[11]。應用CT對患者氣道進行掃描，將CT中的薄層圖像資料用于三維計算功能重建，將氣管3D圖像導入3D打印機，應用可生物降解的綠色高分子材料聚丙交酯(polylactic acid，PLA)制作出氣管模型(圖3)，根據患者氣道打印3D氣道模型，根據CT圖像中氣道外徑打印3D氣道模型(圖3A)，根據CT圖像中氣道內鏡打印制作的3D氣道模型(圖3B)。通過該模型，直觀、全面地對患者氣道情況做出評估，并根據模型選擇滿足麻醉與手術需要的氣管導管(圖3B，3C)，順利完成麻醉與手術(圖3D)，術后患者預后良好。

2 3D打印氣道支架

近年來，3D打印技術除在氣道評估方面發揮作用外，植入存在呼吸系統疾病患者體內的3D打印氣道支架也在逐年增加。氣道支架是針對氣道狹窄或塌陷的患者所采用的一類氣道內部或外部環形網狀支撐物，以此來擴張和支撐氣道以達到解除狹窄的治療目的。目前，臨床上常用的氣道支架以Dumon硅酮支架和鎳鈦記憶合金支架居多。Dumon硅酮支架有易發生移位、無法完全貼合氣道而易滋生細菌、不適用于曲線病灶等缺點；鎳鈦記憶合金支架有塌陷可致氣道梗阻、過度膨脹壓迫氣道壁及難以取出等缺點[12]，究其原因是批量生產的氣道支架不能完全滿足不同患者的病情需求。3D打印技術不僅可用于評估這類支架的設計質量[13]，還可以用于制作個體化氣道支架。治療睡眠呼吸暫停綜合征所采用的傳統口腔矯正器需要定期復診，黏附率高，還有副作用，因此，輕薄、舒適貼合、黏附率低的個體化3D打印口腔矯正器應運而生，開創氣道支架的先河[14]。3D打印技術還極大提高氣道支架的制作效率，傳統支架的制作周期常為數月，基于患者的CT、MRI、超聲等影像學資料的3D打印技術在3～4 d內即可制作出個體化的氣道支架[15]，具有廣闊的應用前景。

近年來，隨著3D打印技術的逐步成熟，出現一種植入氣管和支氣管外表面的3D打印支架。盡管同樣起到氣道支撐作用，但它不同于普通氣道外薄片支架[16]，其形狀與患者氣道走行一致，較好地貼合氣道，提升支撐效果(圖4)。Zopf等[17，18]應用SLS技術和可吸收材料打印出氣道外支撐薄片治療早產兒氣管支氣管軟化，有效緩解威脅生命的氣道塌陷，1年后臨床跟蹤氣道開放效果良好，且預計該支架在3年內自動吸收。在小兒氣道軟化癥應用3D打印的氣道支架，還需注意氣道支架應適應氣道組織的動態生長，聚己內酯(polycaprolactone，PCL)是較為適合的材料[19]。Kaye等[20]設計一個270°的環形氣道外3D打印薄片支架進行體外實驗，實驗結果表明，軟化氣管植入支架后相比軟化氣管的塌陷率顯著降低(P<0.01)，與正常氣管的塌陷率無統計學差異(P=0.13)。雖然目前對于有復雜和嚴重氣道問題的患者手術進行氣道重建能使80%～90%的患者產生良好的效果，但3D打印的氣道外支撐薄片可以個體化重建，對于提升治療效果仍有空間[21]。

未來的3D打印氣道支架將是組織工程學和3D技術的完美結合，不僅具備嚴格的氣密性[22]，良好的貼合氣道，能夠提供長效的支撐，不發生移植物抗宿主反應有良好的組織相容性，并能預防肉芽組織增生，促進新血管形成等特點。

3 氣道修復

在氣道管理中，具有先天性氣道發育不良或氣道相關手術后發生氣道軟化、氣道塌陷、氣道破損等組織缺陷的患者均需要及時進行氣道修復。因氣道修復過程受到修復材料、外科操作和患者免疫反應等多重因素的影響，患有嚴重氣道缺陷的患者死亡率較高。組織工程學和3D打印技術的結合改善了這一現狀，在個體化氣道修復方面正在逐漸成為研究和應用的熱點。融合組織工程學的3D打印技術以其精準還原氣道缺損情況和個體化制備修復材料的優勢，制造出貼合患者氣道、降低排斥反應又不阻礙其氣道內組織生長的修復材料，提高氣道修復成效。

近年來，氣道支架與細胞療法、生物活性因子的聯合應用在氣道的再生和修復方面的應用不斷增多[23]。結合組織工程學和3D打印技術的3D生物打印技術的出現，提供更多的具有生物活性的移植物和修補片[21]，3D打印技術未來可以作為基質細胞、干細胞、生長因子的載體或者直接打印出符合個體需求的活體組織。3D打印在喉氣管重建中的應用具有很大潛力，這源于3D生物打印技術的出現，3D生物打印可以精確控制不同生物材料的空間構成，在兔的喉氣管重建模型上，研究者利用3D生物打印的喉氣管移植物對摘除喉氣管的32只實驗兔實施重建術，術后體外細胞增殖試驗結果表明，修補物的初代平均存活率為87.5%，移植細胞7 d之內可以翻1倍，并且實驗動物在移植后未發現呼吸異常,且修補物的軟骨組織具有良好的組織相容性[24]。

目前，常用的醫療3D打印材料主要為PCL和聚乳酸-羥基乙酸(polylactic-co-glycolic acid，PLGA)2種纖維聚合物。上述2種材料在氣道支架制備及氣道修補中可單獨應用或分層、混合使用[25]。PCL已在醫療方面廣泛應用，在機械性能方面低熔點(約60 ℃)便于3D打印材料的融化，PCL還可提高支架的機械性，能長效維持穩定的支撐。PCL也被稱為“4D生物材料”，因為它可以隨著時間推移適應患者氣道的生長而變形、變性，因此，特別適于兒科氣道缺陷患者的氣道支撐和修補[19]。PLGA是較為新興的材料，既可以提供機械性支撐，還是可降解材料，可以在體內逐漸水解，因而可作為藥物緩釋的載體或暫時性支架。3D打印的復合材料氣道支架根據其纖維直徑、孔隙大小、孔隙率、纖維走行方式不同會對氣道細胞修復產生不同的影響，這2種纖維聚合物的最佳混合搭配所制備的3D打印支架的拉伸和徑向壓縮耐受度是其他試驗組3～8.5倍，更能滿足醫生和患者對修復材料的需求[25]。根據不同的治療需求可以應用可吸收、不可吸收或者部分吸收的修復材料，3D打印產品的機械性能也將很大程度上影響氣道修復過程，在氣道管理方面的應用具有很大潛力，值得進一步研究。

4 3D打印技術用于臨床教學和輔助研究

3D打印技術不僅有助于臨床診斷和治療，在教學和科研方面也逐步得到應用。普通的氣道管理教學大多采用文字描述和臨床操作的方式，前者實踐性差，無法讓學生有直觀的體驗，后者在現今醫療環境下具有一定風險性，若使用實驗動物進行操作則存在動物資源利用、管理和處理的問題，甚至倫理問題。目前，國內將3D打印技術應用到氣道教學中的仍屬少數，大多3D打印模型是氣道評估后繼續用于臨床教學的，但這已經提供良好的可視化教學模型，讓學生更直觀、更真實地了解不同個體的氣道解剖情況，跳出傳統抽象的二維教學，大大提高教學成效和滿意度，是鍛煉和提高學生臨床思維的良好工具[26，27](圖5)。除此之外，該模型也有助于向患者及家屬介紹病情和治療方案，提高醫患溝通效率。在纖維支氣管鏡的教學中，可應用免費開放的3D模擬軟件和低成本3D打印氣道模型(圖6)，這種方法已投入教學并且收效顯著，既大幅降低教具成本，又能很好地保持學生對于解剖結構的辨識度[28～30]。低成本的3D打印教學模型也可用于氣道重建軟骨移植術的模擬訓練，56%的參訓者認為該模型與實際情況高度相似，其余不認為高度相似的主要原因是3D材料的非均質性和對其觸覺的陌生感，但總體來說，因其成本較低(約0.6美元)、形狀和特征符合標準人體結構，在外科醫師氣道手術的訓練中具有較好的應用前景[31]。

3D打印的氣道模型也可以用于實驗研究，如離體仿真實驗模型的制備。3D打印技術在模擬早產兒呼吸道氣溶膠療法的研究方面已有應用，通過打印不同周數胎兒上呼吸道的模型來滿足實驗需求，因不涉及人體器官和組織的使用在醫學倫理方面具有明顯優勢[32]。除此之外，3D打印的氣道模型還可用于氣溶膠、造影劑、藥物等在氣道內分布情況的研究[33]。伴隨3D打印技術的不斷成熟，具有熱熔性的3D打印材料可以反復利用，避免了常規教學模型損耗和更新帶來的巨大開銷，日后熱熔材料制備的3D打印教學模型可能會比市售的常規教學模型更加經濟環保，具有較好的應用前景。

5 展望

3D打印技術現已成為精準醫療的一部分，在氣道管理方面的應用也在不斷完善和提升，但該技術仍有一定的局限性：用于打印材料的機械性能或化學性質還不能完全滿足理想氣道支撐物和修補物的要求；缺乏個體化3D打印產品的質量檢測標準；缺乏植入物長期活體試驗觀察，難以預測長期植入后不良反應；3D打印產品的消毒措施有限(大部分打印材料都不能耐受高溫和高壓消毒)，目前，可用環氧乙烷、過氧化氫和伽馬射線進行消毒等[19]，但這些局限性終將隨著3D打印技術和組織工程學的發展逐步減少。

圖1 3D打印的氣道模型[8] 圖2 3D打印技術顯示氣道與大血管位置關系[7] 圖3 3D打印技術輔助喉部腫瘤患者氣管切開術后的氣道評估[11] 圖4 3D打印氣道外支架示意圖[18] 圖5 喉氣管教學模型[8] 圖6 應用于支氣管插管的教學[7]

在未來的氣道管理當中，3D打印技術在氣道評估方面的應用將逐步常規化，或不再局限于困難氣道。在氣道支架和氣道修復方面會結合組織工程學研究，將打印材料從人工聚合物優化成為具有生物活性的組織，更能滿足不同患者和醫生的需求，因此，在手術和麻醉的呼吸管理方面有很大的應用前景。因3D打印技術幾近符合精準化醫療和個體化醫療的需要，未來批量生產的氣管導管和氣道支架很可能逐步減少甚至消失。在氣道管理的教學方面，可建立3D醫療影像資源庫，從中可獲得能直接進行3D打印的氣道數據和圖像，便于各教學機構和醫療機構共享資源，通過交流學習營造更加完善的教學和科研環境，使3D打印技術能夠在氣道管理方面發揮到極致。

1 Chen H, van Eijnatten M, Wolff J, et al. Reliability and accuracy of three imaging software packages used for 3D analysis of the upper airway on cone beam computed tomography images. Dentomaxillofac Radiol,2017,46(6):20170043.

2 Vankoevering KK, Morrison RJ, Prabhu SP, et al. Antenatal three-dimensional printing of aberrant facial anatomy. Pediatrics,2015,136(5):e1382-e1385.

3 Wilson CA, Arthurs OJ, Black AE, et al. Printed three-dimensional airway model assists planning of single-lung ventilation in a small child. Br J Anaesth, 2015,115(4):616-620.

4 上海交通大學醫學院附屬上海兒童醫院率先開展嬰幼兒氣道狹窄糾治手術.上海交通大學學報(醫學版),2016,36(4):554.

5 Speggiorin S, Durairaj S, Mimic B, et al. Virtual 3D modeling of airways in congenital heart defects. Front Pediatr,2016,4:116.

6 Crafts TD, Ellsperman SE, Wannemuehler TJ, et al. Three-dimensional printing and its applications in otorhinolaryngology-head and neck surgery. Otolaryngol Head Neck Surg,2017,156(6):999-1010.

7 Giannopoulos AA, Steigner ML, George E, et al. Cardiothoracic applications of 3-dimensional printing. J Thorac Imaging,2016,31(5):253-272.

8 Chao I, Young J, Coles-Black J, et al. The application of three-dimensional printing technology in anaesthesia: a systematic review. Anaesthesia, 2017,72(5):641-650.

9 Manuel CT, Harb R, Badran A, et al. Finite element model and validation of nasal tip deformation. Ann Biomed Eng,2017,45(3):829-838.

10 Tam MD, Laycock SD, Jayne D, et al. 3-D printouts of the tracheobronchial tree generated from CT images as an aid to management in a case of tracheobronchial chondromalacia caused by relapsing polychondritis. J Radiol Case Rep,2013,7(8):34.

11 Han B, Liu Y, Zhang X, et al. Three-dimensional printing as an aid to airway evaluation after tracheotomy in a patient with laryngeal carcinoma. BMC Anesthesiol,2016,16:6.

12 張治國,孫億民,江 晨,等.人體氣道支架的發展與最新研究進展.常州大學學報(自然科學版), 2017,29(1):62-67.

13 Hollister SJ, Flanagan CL, Zopf DA, et al. Design control for clinical translation of 3D printed modular scaffolds. Ann Biomed Engl,2015,43(3):774-786.

14 Jacobowitz O. Advances in oral appliances for obstructive sleep apnea. Adv Otorhinolaryngol,2017,80:57-65.

15 氣道支架:3D打印在醫療領域的潛在應用.塑料科技,2015,1:54.

16 Hsueh WD, Smith LP. External airway splint to treat tracheomalacia following laryngotracheal reconstruction. Int J Pediatr Otorhinolaryngol,2017,94:68-69.

17 Zopf D, Hollister S, Nelson M, et al. Bioresorbable airway splint created with a three-dimensional printer. N Engl J Med,2013,368: 2043-2045.

18 Morrison RJ, Hollister SJ, Niedner MF, et al. Mitigation of tracheobronchomalacia with 3D-printed personalized medical devices in pediatric patients. Sci Transl Med,2015,7(285):1-11.

19 Cheng GZ, San Jose Estepar R, Folch E, et al. Three-dimensional printing and 3D slicer: powerful tools in understanding and treating structural lung disease. Chest,2016,149(5):1136-1142.

20 Kaye R, Goldstein T, Aronowitz D, et al. Ex vivo tracheomalacia model with 3D-printed external tracheal splint. Laryngoscope, 2017,127(4):950-955.

21 Kaye R, Goldstein T, Zeltsman D, et al. Three dimensional printing: A review on the utility within medicine and otolaryngology. Int J Pediatr Otorhinolaryngol,2016,89:145-148.

22 Fishman JM, Wiles K, Lowdell MW, et al. Airway tissue engineering: an update. Expert Opin Biol Ther,2014,14(10):1477-1491.

23 Herteg?rd S. Tissue engineering in the larynx and airway. Curr Opin Otolaryngol Head Neck Surg,2016,24(6):469-476.

24 Goldstein TA, Smith BD, Zeltsman D, et al. Introducing a 3-dimensionally printed, tissue-engineered graft for airway reconstruction: a pilot study. Otolaryngol Head Neck Surg,2015,153(6):1001-1006.

25 Ott LM, Zabel TA, Walker NK, et al. Mechanical evaluation of gradient electrospun scaffolds with 3D printed ring reinforcements for tracheal defect repair. Biomed Mate,2016,11(2):1-16.

26 孫世偉,葛 楠,劉洪濤.3D打印技術在麻醉神經阻滯教學中的應用.中國繼續醫學教育,2017,9(4):46-47.

27 周 悅,黃華興,王 巍,等.3D打印技術在外科臨床教學中的應用.南京醫科大學學報(社會科學版), 2015,6:504-506.

28 Parotto M, Jiansen JQ, Abotaiban A, et al. Evaluation of a low-cost, 3D-printed model for bronchoscopy training. Anaesthesiol Intensive Ther,2017,49(3):189-197.

29 Byrne T, Yong SA, Steinfort DP. Development and assessment of a low-cost 3D-printed airway model for bronchoscopy simulation training. J Bronchology Interv Pulmono,2016,23(3):251-254.

30 Pedersen TH, Gysin J, Wegmann A, et al. A randomised, controlled trial evaluating a low cost, 3D-printed bronchoscopy simulator. Anaesthesia,2017,72(8):1005-1009.

31 Ha JF, Morrison RJ, Green GE, et al. Computer-aided design and 3-dimensional printing for costal cartilage simulation of airway graft carving. Otolaryngol Head Neck Surg,2017,156(6):1044-1047.

32 Minocchieri S, Burren JM, Bachmann MA, et al. Development of the premature infant nose throat-model (PrINT-Model): an upper airway replica of a premature neonate forthe study of aerosol delivery. Pediatr Res,2008,64(2):141-146.

33 Kim MT, Park JH, Shin JH, et al. Influence of contrast agent dilution on ballon deflation Time and visibility during tracheal balloon dilation: a 3D printed phantom study. Cardiovasc Intervent Radiol,2017,40(2):285-290.