3D打印技術在臨床醫學中的應用進展

胡鈞亓，李耀文，張葉青，靳祎

(河北大學醫學院，河北保定071000)

3D打印技術又稱增材制造技術，在20世紀80年代中期由Charles Hull首次提出，并率先應用于航空航天和汽車工業。3D打印的基本過程是使用計算機輔助設計建模軟件來開發被打印物體的三維模型，然后將數字化模型切成二維平面薄片，最后通過沉積疊加許多薄層而形成立體物質[1]。完成此過程需借助采用特定材料的3D打印機來實現，這種3D打印機主要有兩個特點，一是具有三維制造能力，二是實現快速成型[2]。因此，將3D打印技術應用于臨床醫學不僅能縮短疾病診斷和治療的時間，打印出的三維立體結構也能促進醫患之間的交流。本文就3D打印技術在醫學檢測、臨床治療和醫學康復等方面的應用進展作一綜述。

1 醫學檢測

微流控芯片技術是把生物和化學實驗室微縮在微米尺度的芯片上，從而進行檢測分析等操作的一項新興技術[3]。3D打印技術可以與微流控芯片技術結合而應用于醫學檢測，并且已有相關研究報道，如王可可等[4]在三維制作的微流控芯片上進行熒光定量聚合酶鏈式反應檢測乙肝病毒核酸。該項技術操作步驟簡單、試劑用量少且檢測效率高，其檢測性能超越了目前使用的核酸血液篩查系統。此外，3D打印出的生物傳感器可對作為腫瘤標志物的金屬硫蛋白進行熒光檢測，為腫瘤的診斷開辟了一種新思路[5]。

2 醫學建模

2.1 醫學教育 解剖學是醫學教育中的重點和難點，解剖學中的某些結構是錯綜復雜的，比如顱神經和顱底結構，僅基于二維圖像很難被完全理解。若使用3D打印的解剖學模型，抽象的結構就會變得形象直觀。同時，世界各地關于遺體捐贈的法律和倫理問題存在較大差異，3D打印建立的解剖模型可以在一定程度解決這些倫理問題[6]。

2.2 預手術 臨床手術中常出現手術位置深且復雜的情況，或者由于個體化差異使得相應結構難以找出，導致手術無法順利完成。而3D打印可以根據患者的病理位置進行圖像掃描，然后打印出患者實際的病理模型。醫生在術前能更好地觀察病灶、掌握病情，制定個性化的手術方案，甚至可以在3D模型上進行預手術，從而降低手術風險[7]。孫濤等[8]在縱隔腫瘤精準切除手術中，為了避免切割深部腫瘤時損傷周圍的氣管、心血管及神經等重要結構，采用雙源螺旋CT獲取數據并制作出腫瘤及其毗鄰器官的3D模型，有助于術者在預手術中摸索出最佳的手術路徑和入路技巧。

2.3 醫患溝通 臨床手術均存在一些術后風險，醫生在與患者家屬溝通時很難做到直觀、全面地進行解釋。醫生利用3D打印模型可以輕松指出患者的問題所在，讓患者及其家屬對術后風險有一定了解，從而減輕患者的心理壓力，提高患者對手術的整體滿意度，減少醫療糾紛的發生[9]。

3 植入物

許多骨科手術均需要植入物來填充骨缺損，對于大面積骨缺損的患者，傳統植入物常出現假體尺寸不匹配的情況。3D打印技術可以精確設計假體形狀，從而減少假體松動、脫位和局部感染等并發癥的發生[10]。Wong等[11]根據腫瘤切除后的骨盆缺損形狀和生物力學分析設計并打印了植入物，實現了手術的個性化治療，該研究顯示患者術后能獨立行走，髖關節恢復良好。為了更好地促進骨細胞與植入物融合，減少二者剛度不匹配的狀況，Shah等[12]采用3D打印技術模擬天然骨小管超微結構，在植入物上設計多孔隙通道，骨細胞形態掃描電鏡下顯示骨-種植體界面組織生長良好。同時該研究顯示，從界面組織v1CO2-/ v2PO3-比值、苯丙氨酸和酪氨酸水平上來看，多孔植入物較固體植入物更接近天然骨，有利于消除應力遮擋效應，更好地促進骨愈合[12]。此外，3D打印的彈性薄膜植入物可用于治療心臟疾病，3D打印的神經引導導管可以用于引導神經系統自我修復[13]。

4 醫療器械

4.1 手術輔助器械 3D打印的導航模板是一種基于患者解剖結構制作而成的手術工具，可以用于引導穿刺、切割、固定、重建等，臨床醫生根據手術導板的導向作用精確進行手術操作，實現個性化、精準化治療[14]。3D打印的穿刺導板多用于輔助微創手術精確定位。Golab等[15]在微創經皮腎取石術中采用3D打印技術打印個性化導板并進行定位穿刺，以確保探針快速并精確進入腎臟集合系統，結果顯示該導板可以加快手術進程，避免損傷腎臟周圍血管，減少穿刺并發癥的發生。在引導切割手術中，Mcallister等[16]利用3D打印技術為患者量身定制了用于切割畸形頜骨的截骨導板。外科醫生能夠根據導板確定截骨切割的最佳方向，并更好地預測手術后骨骼上下頜的關系，這種截骨導板有可能成為引導正畸手術規劃的“黃金標準”。此外，3D打印的導板在固定螺釘的置入、義齒種植、粒子植入和骨骼重建等手術中也發揮了重要作用，結果均顯示導板的使用有助于提高手術操作的準確性，降低手術風險并縮短手術時間[14]。

4.2 康復器械 假肢、矯形器和助聽器等康復器械是根據個性化需求制定而成的，這些康復器械制備過程十分復雜，制作時間長且精度較差。3D打印技術可以精確模擬人體解剖結構，快速制造出符合人體構造及個性化需求的產品。3D打印的康復器械除了符合個性化特點之外，還具備美觀性、舒適性和靈活性等優點[17,18]。

5 組織工程

5.1 支架 在組織工程領域中，人工三維支架有助于支持組織的生成。為了達到組織再生的目的，支架必須具有高孔隙度、足夠的孔徑以及適當的力學性能、生物降解性、生物相容性。基于人工支架在神經修復、血管修復、軟骨組織修復、心臟瓣膜修復等多個領域的相關研究顯示，個性化的3D打印支架可以滿足以上優良特性[19,20]。李玥等[21]在計算機輔助設計下采用3D打印技術制備了具有多孔結構的聚羥基脂肪酸酯/硅酸鈣人工骨支架，此復合支架的多孔隙結構清晰，且支架孔隙之間有較好的連通性，檢測結果表明該復合支架力學性能高、壓縮性能良好且降解速率較快，有利于骨缺損的修復。目前,關于支架生物相容性的研究比較少。最新一項研究通過3D打印技術和納米二氧化硅的表面修飾制備了以聚己內酯為材料的多孔氣管支架(PTS)，并將天然移植氣管和PTS移植氣管植入體質相似的動物體內，HE染色發現經改造的多孔支架的細胞親和力明顯提高，動物在急性期后的免疫排斥反應明顯下降，表明其組織相容性良好[22]。

5.2 組織和器官 3D生物打印技術是3D打印技術的一種，該技術是把細胞、生長因子及生物材料等，按照需求將組織微觀材料逐層精確定位，最后構建出具有生物活性的組織或器官。當人的某一部位損傷時，可以利用3D生物打印技術可以實現組織的再生或器官移植[23]。Isaacson等[24]將3D生物打印技術應用于角膜組織工程領域，利用現有的三維數字人體角膜模型和合適的支架，制作出與天然角膜基質結構相似的人造角膜。該研究中，3D打印機內部的生物墨水采用的是從人體角膜組織中分離的角化細胞，結果顯示該角化細胞在打印后第1天和第7 d均表現出較高的細胞活力，為角膜移植提供了新的治療途徑[24]。國外利用Transwell功能系統構建三維人體皮膚模型，這種混合3D細胞打印系統以聚己內酯網狀結構為支撐，采用噴墨涂敷模塊均勻分布角質形成細胞，并利用成纖維細胞填充真皮層，最終該皮膚模型顯示出良好的生物學特性[25]。目前已有研究通過3D生物打印技術打印出肝臟、心臟、軟骨組織和血管系統等結構，但該技術的可行性還需要進一步研究[26]。

6 醫用衛生材料

創面敷料是常用的促進皮膚傷口愈合的醫用衛生材料，對于傷口局部感染的患者，臨床上通常采用抗生素治療后創面敷料加以覆蓋，從而達到殺滅細菌的目的。但目前由于抗生素的誤用和濫用，臨床上耐藥細菌數量急劇增加。Muwaffak等[27]利用3D打印技術將抗菌的銀、銅和鋅融入聚己內酯絲中，制作出個性化的傷口敷料，并通過熱活性監測系統檢測發現銀、銅敷料具有良好的殺菌效果。有研究采用3D打印技術打印出多聚甲醛硅氧烷仿生納米銀創面敷料，結果顯示這種傷口敷料具有良好的生物相容性、柔韌性、抗黏附能力，可有效抗菌并促進創面愈合[28]。

7 遠程醫療

遠程醫療的重點是提高醫療質量，實現遠距離診斷和治療，其中最重要的應用之一就是遠程監控系統。生物電位的長期監測需要皮膚電極，傳統的Ag/AgCl電極在長期使用過程中可能會導致皮膚過敏等并發癥的發生[29]。Schubert等[29]提供了一種低成本、隨需應變的3D電極模塊，此模塊可以根據自身需要短時間與皮膚接觸，避免對皮膚造成傷害，實驗測定該模塊具有良好的機械性能和電氣性能。對于遠程操作系統，Isaac-Lowry等[30]采用一種新穎的運動學設計和3D打印技術證明了單端口腹腔鏡遙控手術機器人系統的可行性和潛力，這種遠程手術機器人系統提高了對外科醫生操作要求高的單端口手術能力。

綜上所述，3D打印技術迅猛發展并應用于臨床醫學的各個領域中，在醫學診斷、醫學治療和醫學康復等方面均有較好的研究進展。3D打印技術在3D生物打印和虛擬化醫療等領域均有新的突破，這些研究雖然還沒有應用于人體上，但是有一部分已經在動物實驗中取得成功。3D打印技術的可行性還需要大量的實驗和臨床數據來證明，隨著未來更好的醫學打印材料的發現，3D打印技術不僅可以用于制造出有生理活性的人體組織器官，使受損組織得以修復再生;還能打印出微觀水平的蛋白質載體、通道蛋白等結構，為解決人體生化物質代謝障礙等問題提供新的思路。