3D打印在醫學中的應用

摘? 要：隨著打印材料的研發和3D打印機設備的完善，其應用領域越來越廣泛。我國3D打印技術不斷發展和完善，3D打印技術在醫學領域逐漸得到應用。為了研究3D打印技術在醫療領域中的應用，本文主要介紹了3D打印技術的概念及3D打印相對于傳統加工工藝的優勢，同時介紹了3D打印在各醫學領域中的應用：在骨科手術中的應用、在口腔醫學中的應用、胚胎模型的打印、人體心臟的打印、在老年退變性腰椎側彎手術中的應用、在全耳再造中的應用等。最后本文從3D打印機技術專利及成本方面對3D技術在醫學領域的發展前景做出展望。

關鍵詞：3D打印技術;醫學應用;3D打印機

中圖分類號：TP391.73;R319 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）19-0177-02

Abstract：With the development of printing materials and the improvement of 3D printer equipment，its application fields are becoming more and more extensive. With the continuous development and improvement of 3D printing technology in China，3D printing technology has gradually been applied in the medical field. In order to study the application of 3D printing technology in the medical field，this paper mainly introduces the concept of 3D printing technology and the advantages of 3D printing compared to traditional processing technology. At the same time，this paper introduces the application of 3D printing in various medical fields：application in orthopedic surgery;application in stomatology;printing of embryo model;printing of human heart;application in elderly degenerative lumbar scoliosis;application in ear reconstruction，etc. Finally，the article looks forward to the development prospects of 3D technology in the medical field from 3D printer technology patents and costs.

Keywords：3D printing technology;medical application;3D printer

0? 引? 言

3D打印是一種快速成型（Rapid Prototyping）技術，根據計算機輔助設計（CAD）數據通過粘合材料逐層打印方式來實現對實物模型的制作。

3D打印技術不同于傳統的加工工藝，這一加工過程不需要使用傳統的如車床、刀具、模具等機械設備就可以打印制作任意形狀的物品。3D打印技術原理類似于傳統的打印機，只是兩者所用的打印材料有較大區別，傳統打印機使用紙張、硒鼓等進行打印，而3D打印技術采用的打印材料為陶瓷、金屬、塑料等，通過電腦控制可以把不同的打印材料層層累加起來最終打印出實物，如：牙齒、手臂、玩具車甚至是食物。

3D打印的優勢：3D打印所使用的原料和傳統的加工工藝不同，它采用分層加工和層層累加的方式來制造產品，在具體生產實踐過程中不會產生廢料或者產生極少廢料，大幅度降低原材料使用量。同時3D打印具備的精準化、個性化、遠程化等特征和一次成型的產品制造模式，非常符合醫學領域需求，所以引起了生物醫學領域越來越多的關注[1，2]。3D打印技術在生物醫學領域的應用主要集中在仿生模型的制造、骨科植入體制造、組織工程支架、生物體器官打印、口服控釋給藥、美容整形等方面。

1? 3D打印機的發展歷史

1987年，專利3D打印機誕生（US4575330），3D Systems發明第一臺3D打印機。1991年，FDM打印機商品化，Stratasys商品化全球第一部FDM打印機，利用熱熔技術，成為3D打印的一大突破。1992年，SLS技術用于3D打印。2000年，彩色3D打印機商品化，Z Corp商品化全球第一部具備多重顏色選擇的3D打印機。2007年，Objet（現為Stratasys一部分）制作出全球第一部可同時打印多種材料的3D打印機Connex。2013年，家用3D打印機普及化，MakerBot（已于2013年被Stratasys收購）發明家用3D打印機，提供一系列價格便宜、操作簡單、體積較小的3D打印機，成為市場最近急速發展的原因之一，FDM的專利權（US5121329）于2009年屆滿。2014年4月光固化成型（SLA）專利屆滿（US5597520A）。

2? 3D打印在醫療方面的應用

2.1? 3D打印技術在骨科中的應用

蚌埠醫學院第一附屬醫院孫曉亮等[3]為8例病人進行了距骨骨折切開復位內固定術，術前將踝關節行64排螺旋CT掃描，將所獲DICOM格式進行三維掃描生成STL格式數據，將STL數據傳至3D打印機進行1：1模型打印，結果優5例，良2例，可1例，優良率87.5%。后期隨訪過程中所有病人均未出現復位丟失或內固定松動及距骨壞死等并發癥。

對于復雜的距骨骨折病例，3D打印技術可以提供準確的術前規劃，能夠提高切開復位內固定術的成功率，減少術后并發癥，達到精準化及個體化治療的目的。這充分符合當代骨科個體化治療的主要需要，在臨床上的應用也取得了良好的效果。

2.2? 3D打印技術在口腔醫學領域的應用

在口腔醫學（包括口腔種植學、修復、矯正以及內科學等）領域，3D打印技術應用較為廣泛。Ozkol等[4，5]配置含量為27%的氧化鋯陶瓷漿料，通過噴墨打印制作了氧化鋯陶瓷冠，在此基礎上，通過對比不同固相含量的氧化鋯陶瓷漿料，從粒徑、Zeta電位、粘度、表面張力以及液滴的分布、性狀等因素分析，總結了氧化鋯陶瓷漿料的配制方法，制造出相對密度達96%、抗彎強度達834MPa的陶瓷冠橋修復體。

3D打印鋯陶瓷假牙的材料利用率超過90%，成本相對較低。但目前，氧化鋯材料的3D打印工藝仍存在一些問題，如內應力大、燒結后易開裂、體積收縮大，這些問題可能影響其性能和臨床適用性，仍需進一步展開研究。

2.3? 3D打印用于胚胎模型

日本工程公司Fasotec將3D打印技術和核磁共振掃描相結合，通過3D打印設備利用掃描數據打印胚胎模型。準媽媽們可以通過核磁共振掃描，打印出整個胎兒的模型，然后利用樹脂模型包裹，這份胎兒模型可以作為媽媽們的紀念禮物。

2.4? 3D打印出人類心臟

以色列特拉維夫大學的研究者公布了器官移植領域的重大突破：使用人體組織3D打印出全球首個完整心臟，該心臟大小與兔子心臟類似，其中包含有細胞及血管，打印材料來自人體細胞及組織。因為這顆心臟還不具備泵血能力，暫時還不能真正應用到人體。

2.5? 3D打印技術在老年退變性腰椎側彎手術中的應用

趙暉等[6]探討3D打印技術應用于老年退變性腰椎側彎手術的效果和可行性，20例老年退變性腰椎側彎患者采取3D打印腰椎模型和術中椎弓跟定位-定向導板的后路減壓植骨融合椎弓根螺釘內固定側彎糾正術，結論顯示3D打印腰椎模型及椎弓根導板可以提高老年退變性腰椎側彎患者手術椎弓根螺釘置入的精確性，節約了手術時間，減少了術中出血及術中C臂機透視次數。

2.6? 3D打印技術在全耳再造中的應用

上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院張如鴻教授將3D打印技術運用到全耳再造中，大大節省了手術時間。全耳再造手術要先取一段病人的肋骨軟骨，然后植入耳朵部位的皮膚下，抽掉空氣，讓它像真空吸盤那樣貼緊患者頭側豎起來。當然，軟骨植入前先要精雕細刻，塑造形狀，所以過去做這樣一臺手術，張教授得需要在手術室里耗費6小時。如今運用3D打印機，張教授可以事先得到每個病人“未來耳朵”的塑料模型，手術中的軟骨雕刻有了實物參照，提升了手術速度，全耳再造手術由此縮短到2個小時。

3? 結? 論

隨著以上專利期屆滿，這些技術逐漸公開透明化，會有更多的醫學領域會引入3D技術，無論在設計方面還是在生產方面，人們可以合理地預測一些重要的3D打印領域，很多公司都可以參與這類研發。這些3D設備根據消費者的需求在國內生產定制產品，隨著越來越多的個人和公司采用這種技術，材料和機械成本也將大幅下降。材料和設備成本的降低也會帶來3D打印機數量的增長，從長遠來看，3D打印在醫學領域的研究和應用會越來越廣。

參考文獻：

[1] 常永泉.3D打印技術在醫療領域中的應用 [J].科技創新與應用，2017（8）：50-51.

[2] 陳道道.3D打印技術在醫學中應用的認識 [J].工程技術研究，2018（1）：93-94.

[3] 孫曉亮，官建中，吳敏，等.3D打印技術在成人距骨骨折手術中的臨床應用 [J].安徽醫藥，2019，23（6）：1163-1166.

[4] OZKOL.E，EBERT.J，UIBEL.K，et al. Development of high solid content aqueous 3Y-TZP suspensions for direct inkjet printing using a thermal inkjet printer [J].Journal of the European Ceramic Society，2009，29（3）：403-409.

[5] OZKOL.E，ZHANG.W，EBERT.J，et al. Potentials of the “Direct inkjet printing” method for manufacturing 3Y-TZP based dental restorations [J].Journal of the European Ceramic Society，2012，32（10）：2193-2201.

[6] 趙暉，鄒明，胡偉，等.3D打印技術在老年退變性腰椎側彎手術中的應用 [J].鄭州大學學報（醫學版），2019，54（4）：623-626.

作者簡介：史云濤（1984.11-），女，漢族，江蘇溧陽人，市場部經理，中級職稱，畢業于鄭州大學，碩士，研究方向：藥物化學。