3D打印技術的發展及在神經外科領域的應用及前景*

王 亮 葉 迅 趙元立

1 天津市第五中心醫院神經外科 300450； 2 首都醫科大學附屬北京天壇醫院

3D打印技術(Three Dimensional Printing)自發明以來，在工業領域迅速發展，近些年來，其在醫學領域逐步得到應用，并在神經外科培訓、脊柱、顱腦腫瘤及血管病方面逐漸探索應用，綜述如下。

1 3D打印概念及發展歷程

3D打印技術是一種以數字模型文件為基礎，利用計算機軟件按照某一坐標軸切片，再通過3D打印機運用金屬粉末或者塑料等可黏合材料，逐層疊加的方式生產產品的技術。其最早興起于20世紀80年代[1],美國科學家Charles Hull發明了將數字資源打印成三維立體模型的技術，2年后，其發明了立體光刻工藝，并獲得了專利, 這是 3D 打印技術發展的里程碑。2010年后3D打印進入快速發展階段，基本可以打印任何物品，從手槍到衣服，從汽車到珠寶首飾，并于醫學領域開始應用[2]。3D打印技術最先應用于牙科與頜面部的手術[3]，后逐漸于各個學科開始探索應用。

2 3D打印常用方法

3D打印最常用的打印技術主要有3種:(1)積壓—熔融沉積式(Fused Deposition Modeling，FDM)，(2)光敏樹脂選擇性固化(SLA)，(3)選擇性激光燒結(SLS)。其中選擇性激光燒結(SLS)比積壓—熔融沉積式制造(FDM)有較好的分辨率，并且能打印較大的模型。然而目前沒有消費等級的SLS打印機存在。光敏樹脂選擇性固化(SLA)打印機也比FDM有較高的分辨率，并且有一小部分適合消費的SLA打印機。消費等級的SLA打印機與專業等級的SLA打印機相比，打印容積更小。SLA比FDM成本更高，并且打印出來后需要后期處理。FDM打印機的分辨率，雖然較SLS和SLA粗糙，但應用已經足夠[4]。

3 3D打印在醫學領域的應用

3D打印醫學模型：醫學模型的制造是3D打印技術在醫學領域中最直接、最基本的應用，模型可用于醫學院解剖教學、手術設計和演練，提高手術的成功率，預估手術的風險。而利用這些模型，對低年資的醫生進行培訓，從而提高低年資醫生的手術熟練程度和積累經驗，起到培訓和教學的作用[5]。通過3D打印技術將患者的病變模型打印出來，更加形象逼真，可以提高患者及家屬對疾病的認知程度，促進醫患和諧發展[6]。

3D打印醫療器械：在醫療器械領域3D打印技術已經得到了廣泛的應用，如在骨科個體化鋼板、人工關節、假肢的制造以及耳鼻喉科中個體化人工外耳道、助聽器、個性化種植牙等方面已經有了初步的探索應用，Turgut等[7]采用選擇性激光燒結技術，通過CT或者MRI獲得患者的耳廓數據, 對10例患者行耳修復術，作者認為SLS在精確度和加工速度上都優于其他方法。Dai 等[8]采用3D 打印技術為10例接受骨盆截骨術的患者制作個性化半骨盆假體，術后影像學發現假體與患者匹配良好。

生物人工器官：生物人工器官的研究一直是再生醫學研究的熱點，有著巨大的臨床應用前景，生物打印是3D打印技術研究中最前沿的領域，生物打印技術生成3D支架是通過層層疊加的機械方式制作出來的。Gaetani等[9]通過3D打印技術打印出心肌組織，在培養1d和7d之后，心肌細胞的活性仍能分別保持在92%和89%以上。目前，利用3D生物打印技術，已經可以打印出皮膚、骨組織、人造血管、心臟瓣膜等，但成熟應用于臨床仍需要更加深入的研究，但已經呈現出了很好的應用前景。

4 3D打印在神經外科的應用

3D打印技術在神經外科領域中得到廣泛應用研究的就是3D打印顱骨成型技術。Kim等利用3D打印技術，用聚甲基異丁烯酸(PMMA)，在術前將頭顱CT掃描數據轉化成打印數據，打印出顱骨模型，植入顱骨缺損部位，達到了非常完美的效果[10]。顱底凹陷合并寰樞椎脫位常存在嚴重的骨性畸形和椎動脈變異，利用3D打印技術，制作精確實體模型，同時顯示脊柱骨性結構和椎動脈，并進行顏色區分，術者可在術前作出全面評估，預測術中的風險，并可模擬術中置釘，取得個性化置釘數據[11]。顱底腫瘤位置深、解剖復雜、功能重要，對術者解剖及手術技巧要求極高，Kondo等[12]對4例巖斜區腫瘤利用頭顱CT、MRI及血管影像數據轉化為3D打印數據進行打印，并進行可視性及模擬手術，發現其在顱底腫瘤具有很好的可視性及可應用于手術演練。

血管病是3D打印技術在神經外科探索最多的領域，尤其動脈瘤手術，透徹理解動脈瘤的形狀，朝向、瘤頸和與鄰近動脈及其分支、顱神經、顱骨的關系至關重要。過去數字減影腦血管造影(DSA)及CTA是唯一方法，醫生不得不利用有限角度的二維圖像去在大腦中想象出三維圖像。目前3D打印的應用解決了這一問題，可以直觀地呈現在術者面前。Anderson等[4]利用聚乳酸和MakerBot彈性材料將DSA的影像數據轉換成3D打印數據，從而打印出精確的動脈瘤模型，這種可視化且逼真的動脈瘤模型，為神經外科醫師進行術前評估和手術計劃提供了極大的便利。Namba等[13]也利用3D打印出動脈瘤模型，然后通過在動脈瘤模型中選擇合適的微導管，可以在術前為患者選擇特定的微導管，從而減少了介入手術的難度和操作風險。

顱內動靜脈畸形是一種先天性疾病，顯微外科手術能直接切除畸形團，是目前最徹底和可靠的治療方法，但其手術難度較大。Jayesh等[14]利用影像學數據，3D打印1例巨大動靜脈畸形，可以提高術者術前計劃及治療復雜血管病的能力。

目前3D打印仍存在很多技術的限制：很難模仿不同類型動脈瘤的不同感覺，如形成血栓、鈣化、混合型、血泡樣、易破的動脈瘤，很難表達血管的堅硬程度，也不可能打印出黏附小血管，更難模仿術中動脈瘤破裂和術中并發癥[15]。3D打印在動靜脈畸形中對于動脈及靜脈血管的區分、周圍傳導束的打印及畸形團的支撐仍有待于解決。

5 3D打印技術在神經外科領域的挑戰及發展前景

3D打印技術雖發展迅速，但是在醫學領域中的應用也面臨著巨大的挑戰。由于受多種因素的限制，打印的精準度還有待于提高，完全貼合臨床并適合應用于臨床消費的打印設備仍有待于開發，打印效率及速度也有待于提高；3D打印材料有限，缺少理想的打印材料及生物相容性較好的醫學材料，同時成本較高，臨床影像數據在轉化為立體打印數據時數據缺失，尚不能廣泛應用。在生物3D打印技術方面，不但需要相關的生物技術和設備輔助，還需要多學科的合作。因此，3D打印技術要想在醫學領域中得到廣泛而深入的應用，仍面臨著巨大的挑戰。

然而，從長遠來看，3D打印技術在醫學領域中的應用具有較為廣闊的發展前景，但是需要有長遠的規劃和多方面的合作。國家科技部每年有專項關于3D打印的課題資助，相信技術及設備難題逐漸攻破，打印成品更加貼合臨床需要，美國血管病專家Lawton醫生認為：所有的顯微手術入路及技術完全可以在真實的3D打印模型器上應用只是時間的問題[15]。3D打印必然為醫學精準醫療的發展起到重要作用。