3D 打印在醫學中的應用及其發展前景

張慧梅 馮淑瑩（等同第一作者）

（國家知識產權局專利局專利審查協作廣東中心材料工程發明審查部，廣東 廣州510530）

3D 打印技術作為具有前沿性、先導性的新興技術，正在促使傳統工業技術和傳統生產工藝發生深刻變革。本文在介紹3D打印技術概念，綜合分析了3D 打印技術的在醫學方面的應用現狀，并進一步闡述了3D 技術發展的前景。

1 3D 打印概述

3D 打印技術是快速成型技術的一種。在3D 打印中其分層逐步加工過程較之傳統噴墨打印，其優勢在于三方面：第一，可對大部分的材料，如金屬、陶瓷、樹脂、纖維、食材、混凝土等進行打印成型。第二，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。第三，3D 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，能滿足定制化的需求。3D 打印突出的優勢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]。

2 3D 打印在醫療方面的應用

2.1 3D 打印在脊柱外科臨床上的應用

脊柱損傷病變為現代人的常見病變，脊柱的解剖學結構和其周圍神經血管毗鄰關系均較為復雜，使得脊柱手術難度非常大，成為制約手術成功率的一大因素[3]。3D 打印技術脊柱外科臨床方面的應用包括被引入到脊柱外科手術中作為手術輔助以及個性化植入物方面的應用。在手術輔助方面，在骨折、腫瘤手術中，3D 打印技術可以“克隆”出1∶1 的實物病理模型，醫生可通過該病理模型進行模擬手術，選擇特定的治療方案，精確手術，對復雜又有難度的手術進行術前評估，降低手術的不確定性[4，5]。脊柱畸變的治療，可對脊柱畸變處進行CT 掃描，然后進行三維重建，將得到的三維數據輸入3D 成型儀器中，打印出仿真模型模擬手術，最后確定椎弓根最適的置入位置和角度[6]。個性化植入方面，3D 打印可為病人量身定制植入物，做到精確匹配，滿足不同病人的個性化需求，且3D 打印制造假體的時間較短。3D 打印個性化定制椎間融合器植入物、人工脊柱、微孔鈦假體能夠更加適應，與損壞椎間隙的匹配十分完美，病人術后恢復良好，生活工作不受影響[7]。

2.2 3D 打印技術在康復醫學中的應用

隨著3D 打印技術和數字醫療技術的融合發展，3D 打印逐漸融入到了康復醫學中，康復醫學對于3D 打印的依賴性越來越高。主要應用在如下幾方面：第一，矯形器的個性化設計和制造成為了可能?？赏ㄟ^3D 打印個性化手指矯形器、前臂骨折矯形器、腕部矯形器、踝足矯形器等，通過有限元分析方法建模，實現對上肢矯形器的精確打印。可通過有限元分析、拓撲結構優化等技術輔助3D 打印技術，降低了材料成本，克服了影響臨床應用的障礙[8，9]。第二，在假肢的3D 打印方面，目前3D 打印制作前臂索控假肢，通過屈曲肘關節實現假手的閉合，伸直肘關節實現假手的打開，實現了假手的基本抓握功能[10]。還有一些公司能夠對外提供定制化假肢的制造服務，3D 打印的假肢不僅具有個性化，還具有輕巧、耐用、美觀等優點。第三，可以通過3D打印技術打印殘疾人生活輔助器具，利用3D 打印技術打印輪椅推桿和助聽器，也能夠實現針對不同的殘疾人的需要，精確定制其所需的輔助器具。第四，在醫學教學中的應用，通過3D打印技術制造逼真的醫學模型，還可呈現一些少見的病理解剖或正常變異形象[8]，有利于康復專業學生更好理解人體解剖結構。

2.3 3D 打印技術在口腔醫學領域的應用

3D 打印技術在口腔修復領域中的應用主要是在可摘義齒、口腔種植體和矯治器方面。作為替代CNC 加工技術制造義齒金屬內冠，利用數字化口腔模型掃描、計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）與3D 打印技術相結合。能夠精確的打印出義齒，人工不需要做過多的判斷和考慮，金屬內冠的精度得到保障，使患者能夠擁有一顆高度定制的、舒適的烤瓷牙。隱形透明矯治器多采用SLA 技術、DLP 技術，3D 打印技術能夠實現不同矯正階段牙齒模型的批量定制化生產。3D 打印口腔種植體重塑患者原來的牙齒，省去預備植牙孔、植入骨粉等步驟，不僅可以避免種植手術造成的反復創傷，還可大幅縮短治療周期。由此可見，3D 打印技術在口腔醫療領域的應用，不僅可以提高患者手術過程的舒適度，減輕患者的心理負擔，還能實現患者微創、精準、快速、即刻戴牙等需求。但如何優化軟件效率從而提高自動化程度，以及如何優化設計從而減少實際打印的難度和成本，是需要解決的問題。

3 3D 打印的局限性與未來展望

3D 打印目前還有一些局限性，因其制造成本篇高、準備周期較長、材料來源有限，此外，模型質量精度有待提高，臨床上3D 打印植入也存在定位不當等問題，這些都是當下待解決的問題[11]。未來的3D 打印有望能夠打印出更高度仿真的模型，即把需要打印部位周圍的軟組織也打印出來，在視覺、觸覺上更接近活體組織。打印出的假肢不僅是在人體結構上的模擬，還能做到在功能上的模擬。隨著一些3D 打印相關專利期屆滿，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，材料和機械成本也將降低，可以預期，3D 打印在醫學領域的研究和應用會越來越廣。