3D 打印技術在生物醫用領域的應用及其研究進展

何顯運 原 波 劉金彥

（1、廣東工貿職業技術學院，廣東 廣州510000 2、廣東機電職業技術學院，廣東 廣州510510）

3D 打印技術屬于快速成型技術，起源于20 世紀90 年代，是增材制造技術的一種，是以計算機輔助設計（CAD/CAM）、材料科學、機械工程等多領域相互融合而建立發展起來的一項新興技術。

3D 打印的材料主要有金屬粉末和塑料絲材，通過逐層堆疊積累粘合在一起的方式來生成實體。近年來，3D 打印技術在臨床外科手術設計，醫學整形，臨床教學及生物組織工程支架方面都取得了較多的應用，在這些方面的研究也得到越來越多的關注。

本文就3D 打印技術在生物醫用領域的應用及其研究進展情況進行了綜述。

1 在骨骼修復方面的應用

在骨骼修復方面，3D 打印技術的應用主要在三方面。

一是利用具有良好的生物力學性能和生物相容性的鈦及其鈦合金材料以及聚醚醚酮（PEEK）等3D 打印植入物，在骨缺損、骨腫瘤修復等具有較廣泛的研究和應用；

二是用作骨科手術輔助材料的打印；

三是以可降解生物醫用材料為基體，通過3D 打印來構建骨組織工程支架，用于性化骨損傷修復，不同于材料植入物，可生物降解材料可降低排異反應。

鈦及鈦合金材料由于具有良好的生物力學性能、生物相容性，可用作骨修復及硬組織植入材料。利用電子束熔化成型（EMB）進行快速成型的方法，將鈦及鈦合金材料制備人體植入物，以滿足不同的個體患者需要，可以做到植入物細微結構個性化和外形個性化。

目前3D 打印的骨骼植入器械中鈦合金產品較多，主要為金屬髖臼外杯，也有部分用于椎間融合器[1]。王旭日等采用3D打印鈦板對顴骨骨折患者進行治療，治療效果比較理想，值得在臨床上被進一步推廣和應用[2]。

聚醚醚酮（PEEK）是主鏈結構中含有一個酮鍵和兩個醚鍵的重復單元所構成的高聚物，屬于特種工程塑料，具有耐高溫、耐化學藥品腐蝕、優異的耐磨性和自潤滑性，同時具有良好的生物相容性，楊氏模量接近人工光骨，所以該種材料非常適合用于制作人工骨替代物和人工關節等。

吉林大學的張鈺通過逆向工程，將人體內踝進行掃描，進行3D 重建，再用熔融沉積成型（FDM）打印設備進行仿生人體內踝的個性化打印，得到成形質量良好，滿足技術要求的PEEK仿生人工骨[3]。

作為骨科手術輔助材料的打印，主要體現在3D 打印個性化輔助手術導板，實物模型等。如通過3D 打印模型用于觀察骨折的形態并進行術前評估和分型，特別是在脊椎畸形矯正、修復方面，具有很明顯的優勢，利用傳統的醫療手段如CT 檢查，核磁共振（MRI）以及X 射線透射等無法顯示其準確的生理結構，形態等，而通過3D 打印的脊柱實物模型，可以清晰地顯示其畸形的形態和結構及異常的生長等情況，為手術方案提供參考。

同時，也可以通過實物模型先進行模擬手術，以熟悉整個手術的過程，降低手術刀的風險[4，5]。劉正蓬等采用3D 打印的PLA 椎弓根螺釘術治療胸腰段脊柱骨折，2016 年2 月至2017年9 月間，治療56 例胸腰段脊柱骨折患者，療效滿意[6]。

以合成高分子材料（PLA，PLGA 等）和天然材料等為基體，應用3D 打印技術制備骨組織工程支架，用于骨骼的損傷和修復。Sollaiman 等通過在磷酸三鈣（TCP）中摻雜了SrO 和MgO 二種成分，然后應用3D 打印技術制備多孔的組織工程支架用于骨缺損修復，結果表明摻雜的多孔隙的TCP 支架有助于早期愈合，加速骨形成[7]。Simpson 等以配比為95/5PLGA/羥基磷灰石和β- 磷酸三鈣為基體材料，采用選擇性激光燒結（SLS）的方法，制備了骨替代材料[8]。

悉尼大學的HalaZreiqat 教授研究出一種可以用3D 打印進行加工的骨骼替代的新材料，該材料與在結構、強度和多孔性方面與自然骨十分相似，同具有良好的生物相容性，植入體內，不會產生排異性反應，能促進骨質細胞的再生，且是一種可降解材料，會溶于體內而排泄出來[9]。

2 在口腔領域的應用

在口腔方面應用的材料主要有合金，生物陶瓷及光敏樹脂等。合金材料主要用選擇性激光熔化成型技術來3D 打印制作活動假牙支架、牙釘、烤瓷牙金屬內冠、牙橋內冠、舌側正畸托槽等，用于牙齒的修復[10]。3D 打印生物陶瓷使用的材料主要有β-磷酸三鈣、羥基磷灰石等。

由于其與牙齒具有相似的理化性質，主要用于口腔頜面骨組織修復及牙周骨缺損修復，尤其是牙槽嵴重建[11，12]。用于口腔領域的聚合物材料主要是光敏樹脂，是利用光固化3D 打印技術將光敏樹脂材料與氧化鋁、氧化鋯等生物陶瓷粉一起加工用于打印口腔種植體。

Lee 等發現添加4，4'- 二（N，N- 二甲氨基） 二苯甲酮（DEABP）作為共同引發劑能提高打印材料光固化樹脂的轉化效果，增強牙模型的強度[13]。吳江等報道應用計算機輔助設計（CAD）和激光3D 打印技術制作全口義齒鈦基托，進而評估其與無牙頜石膏模型之間的適合性，為今后該技術在臨床上的廣泛應用提供實驗基礎[14]。

3 在矯形外科方面的應用

矯形外科也叫矯形骨科，通過手術矯形使病殘廢用的肢體恢復部分或全部的功能。而隨著愛美人士的增多，其中對頜面骨缺損和面部（鼻、耳）微整形在矯形外科占有很大的比重。通過逆向工程來構建缺損部位的結構，再應用3D 打印將該缺損部位打印出來，形成個性化植入物，可以很好地將植入物與個體頜面部的結構精準吻合，從而使缺損組織的形態和功能得以恢復及美化。文獻[15]國內首例3D 打印鈦合金已經成功應用于頜面部整形。

通過逆向工程完成植入體的設計與修飾，然后運用鈦合金粉末進行3D 打印植入體，用于植入取得了較好的結果。周冰等用3D 打印的方法制作出鼻贗復體蠟型，將蠟型翻制成的硅橡膠贗復體，用于修復外鼻缺損，獲得了滿意的臨床效果[16]。康一帆等報道了北京大學口腔醫院口腔頜面外科利用3D 打印輔助設計模擬使用髂骨瓣修復頜骨缺損，效果良好[17]。

4 用于醫學模型設計

利用3D 打印技術制作病理器官模型，近年來，3D 打印的醫學器官模型已經廣泛應用于臨床實踐和教學中，為臨床的發展注入了新鮮的血液。

利用3D 打印的醫學模型能將病理器官及相關組織內部結構的細節形象地顯示出來，使身體內部的結構變得更為直觀明了，用于輔助術前計劃和手術治療分析及臨床教學等。特別是對于復雜創傷、脊柱外科和關節外科等手術，可以通過3D 打印技術設計出椎弓根、髖臼等手術導航模板，顯示了廣泛的應用前景。

同時，通過3D 打印的方式將一些疾病的形態學變化制作成醫學模型，對于影像技術學課程來說，疾病的形態學變化更形象，更直觀，更好地展現教學效果，得到了學生的普遍肯定[18-22]。

5 展望

雖然3D 打印技術在醫用領域中的個性化、精準化治療方面表現出了極大的優勢，并且已經在臨床應用中取得了很大的進展，且在這方面的應用與研究受到了越來越多的關注。但由于受到3D 打印設備和材料的限制，目前該技術在醫學領域還沒有達到規模化的應用。而隨著研究者對3D 打印設備，工藝研究的不斷更新，打印材料的不斷改進，3D 打印技術在生物醫用領域的應用將會越來越廣。