3D打印技术在整形外科领域的应用进展

王成龙, 吕长胜

综 述

3D打印技术在整形外科领域的应用进展

王成龙, 吕长胜

3D打印； 整形外科； 术前模拟； 个性化假体； 组织再生

3D打印是利用三维模型数据逐层堆积，快速制造三维实体模型的工程技术，是当今数字化医学技术的研究热点之一。近年来，3D打印技术逐渐被引入整形外科领域，并展现出诱人的前景。笔者通过复习国内外相关文献，就3D打印技术原理、术前模拟、假体制作、整形外科医师培养及组织器官再生等方面的应用作一综述，以期整形外科医师对这一新技术有一定认识。

1 3D打印技术概况

三维打印技术(3 dimensional printing technology， 3DP)，也被称之为增材制造(additive manufacturing)、快速成型(rapid prototyping， RP)或实体自由成型技术(soild-free form technology)[1],是一种以三维模型数据为基础，利用激光、数控技术将原材料逐层精确堆积，在不依赖传统模具的情况下，快速制造出任意形状而又具有一定功能的三维实体模型的工程技术[2]。3DP诞生于20世纪80年代，美国3D SYSTEMS公司的CW Hull首次提出了这一概念，并于1986年获得光固化成型(stereolithography, SLA®)技术专利[3]。正是因为CW Hull的贡献，以及1990年Crump[4]发明的熔融沉积技术(fused deposition modeling, FDM)，使3D打印引发了制造和研究领域的革新。目前，3D打印技术已广泛应用于航空、汽车制造、军事等工业领域制作预期产品的“雏形”，使得产品在最终生产之前进一步优化改进[5]。近年来，3D打印技术与整形外科联系日趋紧密，为整形外科的发展注入了新的生机，是当今数字化医学技术研究的热点之一。

2 常用3D打印技术的分类及原理

目前常用的3D打印技术，依据其制造方法可分为：⑴光固化成型(stereolithography, SLA):也称光造型或立体光刻，是最早出现，也是目前研究最多且技术上最为成熟的一种3D打印技术，由美国CW Hull于1984年获得该技术专利[3]。该工艺基于液态光敏树脂的光聚合原理工作。SLA技术具有高精度、性能稳定、产品力学强度高等优点，其缺点主要是在成型产品后的处理过程中需要清洗去除杂质，由此可能会造成产品变形。⑵选择性激光烧结(selective laser sintering, SLS)。由美国德克萨斯大学奥斯汀分校Beaman和Deckard于1989年研制成功[6]。其采用高能量激光束，按照计算机指定路径扫描，使工作台上的粉末材料(塑料粉、陶瓷与粘结剂混合粉、金属与粘结剂的混合粉等)熔融、粘结、固化。SLS技术具有加工速度快，造型精度高(每层最小厚度可达0.07 mm)和无须使用支撑材料等优点。但缺点是成型产品的表面较粗糙，需后处理，同时在加工过程中会产生粉尘和有毒气体。⑶分层实体制造(laminated object manufacturing, LOM)。由Feygin等[7]提出，以热敏感类箔料，如纸、塑料、金属等为成型材料，激光器分层切割累积塑形。LOM技术适用于体积较大的实体制作，而且成本与其他技术相比较低。但是，其制作过程须掌控适宜的局部温度，同时其所能利用的热敏原材料种类有限。⑷熔融沉积(fused deposition modeling, FDM)。由Crump[4]提出，是当今最为广泛使用的3D打印技术之一。采用热熔喷头，使熔融状态的材料根据计算机所控制的轨迹挤出、沉积，并凝固成型，经过逐层沉积、凝固，最后出去支撑材料，得到所需产品。FDM技术的优点在于材料利用率高，产品表面质量好，过程无环境污染等；但是其缺点是需要较高的操作温度且生产速度较慢。⑸喷墨打印。其概念由Lord Rayleigh在1878年首先提出[1]。1951年西门子公司获得了第一个2D打印机的专利。3D喷墨打印主要是在基底表面铺上薄层粉末原料，然后通过计算机辅助设计(computer aided design, CAD)模型控制喷头，按照指定路径将液态粘结剂喷在粉末指定区域，该层粉末粘结后，可上下移动操作台，并在粘结层表面铺上新的粉末原料，再通过逐层粘结，获得三维实体[8]。该技术具有操作简便，制备条件温和，产品具有高孔隙率等优点；缺点在于产品力学强度较低，只能使用粉末原料等。

3 3D打印的一般过程

3.1 三维数据的采集 三维数据的采集是决定3D打印实体质量好坏的关键一步。目前，医学领域三维数据的采集方式主要有CT、 MRI、激光扫描技术等；数据输出一般为DICOM格式。

3.2 数据后期处理 上一步中获得的DICOM格式的数据需要专用的三维建模软件进一步处理，形成三维模型数据。三维重建模型数据通过计算机自动转换为3D三角网格，三角网格越多，重建模型越精细，平面越光滑[9]。最后，数据以3D打印机所识别的数据格式----STL(surface tesselation language)格式，输送到3D打印机。3.3 3D模型的打印 3D打印机是将原材料通过逐层连续叠加形成所需要的3D实体。层与层之间都与三维模型数据中截面有对应关系，从而得以精确打印。因此，3D打印的首要优势在于，其几乎可以制造出任何复杂几何形态的三维实体。

4 整形外科领域的应用

整形外科是一门建立在交叉学科基础上的临床学科，与其他外科不同，整形外科更加重视外形的改进与修复，有时甚至可以说改善外形是手术的唯一目的。此外，整形外科在疾病诊治中需要对一些复杂、精细结构进行处理(如血管等软组织形态结构的三维重建，颅面骨骼三维结构的定位、移动、重建等)，以达到降低手术风险的目的。目前，3D打印技术主要侧重于实体形态制作，因其具有速度快、精度高、可操作性强的特点，很大程度上满足了整形外科的需要，为解决学科难题提供了新思路。

1992年，Stoker等[10]将3D打印模型用于颅颌面手术的术前模拟，首次将3D打印技术应用于整形外科。近年来，随着与3D打印技术相配套系统的不断完善，该技术的应用引发了整形外科领域的巨大变革，主要体现以下4个方面。

4.1 术前准备和三维手术模拟 将3D打印用于术前准备，主要目的有：⑴针对疾病，选择最佳干预措施；⑵评估手术风险；⑶术前明确病变与周围正常组织的关系，从而选择损伤最小的手术方案；⑷术前体外模拟手术操作。

整形外科在诊疗过程中，由于许多非体表疾病难以直观显现，因此，需要借助影像学等辅助检查手段，但即便是三维CT重建，因受到色彩、空间、分辨率等因素限制，对病变细节仍难以准确把握。一项前瞻性试验曾对3D打印模型的精确性及效果进行了评估，结果表明，三维打印模型的诊断与传统影像学诊断相比，手术设计准确性提高38.12%，诊断正确率提高了29.60%，测量误差减少了36.23%[11]。

由于颅颌面部具有解剖结构复杂，血管、神经丰富，以及与呼吸、咀嚼、吞咽及发音等功能密切相关的特点，因此，外伤、畸形等修复重建手术对手术器械及术者经验和技巧依赖性较大。而3D打印模型一方面可用于直观测量，另一方面可作为手术设计的仿真模具，因此，特别适用于医师制定手术方案和进行术前模拟。Levine等[12]利用3D打印技术制作术中引导装置，在手术中实时提示截骨线、骨块移动的目标位置等信息，起到了指导手术的作用。他们将该技术用于下颌骨重建术、正颌手术、颌面部创伤修复和颞下颌关节重建，均取得了良好效果。Rohner等[13]利用3D打印技术进行术前模拟，成功实施了复杂颌面部重建手术，并认为术前模拟对皮瓣移植和骨板接合，具有重要指导作用。

耳郭再造术是整形外科最具挑战性的课题之一，其通常采取自体肋软骨雕刻移植。目前的方法是采用二位胶片法，对健侧耳郭的二维信息记录，并以此为参照，雕刻耳郭支架。此方法对术者的空间感觉、审美能力有很高要求。陈克光等[14]报道，应用3D打印技术制作的耳郭和导板的数字及实体三维模型，有助于指导术中精细雕刻耳郭软骨支架和定位，还可用于术前耳郭整形效果的预测。Jiao等[15]使用CT数据重建耳缺损患者健侧外耳的三维模型，并利用该模型完成了耳赝复体的计算机辅助设计，再使用分层实体制造了纸质实体模型，最后翻制为硅胶赝复体，该赝复体在形态上与患者健侧耳非常相似，并且与缺损区匹配良好。

4.2 个性化假体设计制作 3D打印在整形外科所需假体和体内植入物设计制作方面，亦有很大的应用价值。强调个性化假体的原因在于：⑴个体的疾病、解剖特点决定了无法设计统一标准的人工假体，这主要体现在一些解剖复杂或功能要求较高的部位，比如颅颌面缺损修复假体、关节修复等；⑵美容手术(如隆鼻、隆颏、乳房整形修复等)中，目前临床所用假体均需经过医师术中自行雕刻、切削等步骤，假体置入后的效果在很大程度上取决于医师个人的感觉及经验，而个体化的3D打印人工假体或植入物能够在很大程度上简化手术步骤，优化手术效果。

许枫等[16]通过对1例先天性小耳畸形患者在实施全耳再造的Ⅱ期颅耳角重建时，联合应用三维建模技术和快速成型技术，设计出个性化颅耳角支撑物，为获得对称性良好且持久稳定的颅耳角创造了条件。Karatas等[17]认为，利用快速成型技术制作高质量个体化外耳模型，克服了传统印模易使软组织变形、操作复杂、耗时长等缺点。Wu等[18]报道，利用3D打印制作鼻假体具有自动化、适合面部整体轮廓等诸多优点。

金属3D打印技术的出现，给颅颌面外科植入物的设计和制造提供了强大的技术支持。Ciocca等[19]通过激光烧结金属钛粉末制作个性化骨板、髁突-下颌骨骨板，进行下颌骨缺损的腓骨瓣游离移植术，并总结该方法的优势在于避免术中反复修改调整钛板，术后钛板松动、断裂，最大程度地恢复了下颌骨外形，同时减少了手术时间及术后并发症。国内夏德林等[20]利用CT数据、计算机辅助设计与制造，预制个体化钛合金修复体修复26例创伤后颅骨缺损患者，获得了满意的临床效果。近年来，随着材料科学的发展，有学者开始尝试利用金属钛以外的生物材料来打印可直接用于人体的植入物。Saijo等[21]采用磷酸三钙粉末等生物材料制备个性化假体，经过后处理，术中无需雕刻，直接置入人体。沈聪聪等[22]应用3D打印技术，将羟基磷灰石粉作为个体化人工骨材料修复下颌角截骨整形术后骨缺损，取得了令人满意的矫正效果。但作为外来植入物，在3D打印材料选择方面需综合考虑材料的组织相容性、生物力学特性，是否获得国家相关部门批准等因素。因此，还有待更多的临床试验与研究验证。

4.3 整形外科医师的培养与训练 目前已有较多文献报道，将3D打印技术应用于年轻外科医师的培养与训练，但主要集中在神经外科[23]、心血管外科[24]、耳鼻喉科[25]等临床学科。在整形外科医师的培养与训练方面，也同样具有重要意义。

作为整形外科医师，对于局部解剖知识的熟练和精确掌握，是实施手术的前提。通常，复杂的解剖知识首先是在医学院校尸体教学的过程中获得，然后经过长年的手术集中训练进一步深化。然而，一方面，由于受到传统思想的影响，尸体标本日趋缺乏；另一方面，当今患者维权意识增强，对于年轻整形外科医师，在为患者手术之前，获得相关解剖部位的手术经验的途径非常难得。普通计算机屏幕上2D或3D的可视化影像对于复杂部位解剖结构，特别是精细结构的理解尚不充分。3D打印实体模型可以克服上述困难，帮助理解复杂病变解剖部位的结构，进一步通过体外的手术训练来提高手术技能[26]。Lo等[27]在对颌面部外伤患者进行手术前，反复利用3D打印模型进行体外训练，使得术后患者面部轮廓重建的对称性和美感均达到了预期目标。因此，经过体外模型的充分训练，整形外科医师在实际手术过程中会更加从容，而且术前模拟训练有助于选择最佳的手术方案，这在一定程度上也会增加整形外科医师术中的自信心。

4.4 再生医学与组织工程 近年来，利用生物学及工程学方法修复、再造缺失或功能障碍的组织和器官是整形外科基础研究的热点，并提出了3D生物打印技术的概念。目前，3D打印技术在组织和器官再生方面的应用主要在制备生物工程支架方面。

组织工程支架是天然细胞外基质的人工模拟物，可诱导组织再生或修复替代受损的组织或器官。目前应用较多的是合成支架，其主要缺点在于不能充分模拟体内组织生长的微环境[28]。3D打印支架在一定程度上可以克服这一缺点，从而构建不同形态、结构复杂的工程支架。Gauvin等[29]于3D打印支架上被覆人上皮细胞，发现该上皮细胞既能够保持其原有细胞种类，又形成了一定密度的融合覆盖。Zopf等[30]成功将3D打印制作的可降解气道夹板用于治疗1例支气管软化症的患儿。

5 前景及展望

综上所述，3D打印对于整形外科手术方案的制定以及术前模拟训练有着重要意义，同时在整形修复、组织再生方面也有着巨大发展潜力。目前，在复杂骨结构的修复和重建中的应用已趋于成熟，对整形医师的培养及组织再生方面的应用，还须进一步发展完善。此外，由于3D打印原材料的多样性，因此在软组织形态修复方面亦有广阔前景。

然而，3D打印实体仍存在成本高、数据共享困难等不足，故在一定程度上限制了其应用，尚不能实现产业化生产。3D生物打印技术所需相关材料和打印成品，也需要政府相关部门审批，同时也将带来医学伦理学方面的挑战。人类历史上每一次的科技进步，若与医学联系起来，将对整个社会产生巨大影响，目前CT、MRI的广泛应用便是最好的例证。整形外科是目前应用3D打印技术较多，并且能够与3D打印产物特点相适应的临床学科。相信随着材料学、制作和计算机技术的进一步成熟，未来3D打印将引发当前的许多组织、器官修复方式的革命，更有望打印出“人造组织器官”，并应用于临床。

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100144 北京，中国医学科学院北京协和医学院整形外科医院 整形六科

王成龙(1989-)，男，山东济宁人，硕士研究生.

吕长胜，100144，中国医学科学院北京协和医学院整形外科医院 整形六科，电子信箱：changsheng331@sina.com

10.3969/j.issn.1673-7040.2015.05.008

2015-01-28)