3D打印技术在主动脉疾病中的应用

罗 康，段玉印，夏建明，张桂敏*

（1.昆明医科大学，云南 昆明 650032；2.云南省阜外心血管病医院，云南 昆明 650000）

3D打印技术也称快速成型技术（Rapid prototyping technology）或立体平版印刷（stererolithography），依据计算机对物体收集数据的进行转换、处理，图像辅助设计，并应用特定机器对特定材料进行物理堆积或切割等方法来还原物体真实三维结构。3D打印技术自出现发展至今，已有20余年历史，其技术已应用并不断发展于工业设计、建筑、工程施工、汽车、航空航天、医疗产业。医疗3D打印首次出现于1990年，研究者应用CT（computer tomography）图像制作出了一个颅骨解剖模型，其详细呈现出了颅骨内外结构[1]。自此以后其技术被广泛应用于骨性结构的呈现。随着3D打印技术的发展，已逐步涉及到心[9]、脑等复杂器官领域[2]，并取得了一定效果[1]。

本文将介绍目前国内外3D打印技术在主动脉疾病诊疗、教学、组织工程等科研方面中的运用现状，该技术的优越性，目前存在的不足及展望未来的发展方向。

1 3D打印模型在主动脉疾病诊断、手术方案和术中材料的制定及术前模拟中的运用

主动脉疾病（aortic disease），包括主动脉夹层（dissection）、主动脉瘤（aortic aneurysm）、主动脉溃疡（aortic ucler）、主动脉壁血肿（intramural aortic hematoma）以及各类主动脉畸形，涉及到此类疾病，尤其是主动脉夹层这种严重威胁生命的急重症，往往病情严重，病变复杂多变，涉及手术步骤繁琐，技术复杂，手术创伤大，术后并发症发生率及死亡率高。如何决定对其实施精确的外科手术或介入手术很大程度取决于对主动脉病变结构准确的认识（以主动脉夹层为例术者需了解破口位置、真假腔结构、真假腔血流情况、内膜片破损情况及分支血管比邻[3][7-8]。

尽管目前CT、MRI（magnetic resonnance imaging）、超声心动图（echocardiography）等传统影像学已发展到较高诊断水平，但此类检查只局限于提供二维图像，无法为医师提供精确的三维立体直观组织解剖关系，医师必须自己在大脑中重构其空间结构，然而在此过程中，可能由于个人空间思维能力的差异而得出与实际组织结构或多或少有偏差的结论，而造成误诊和不够完善甚至错误的手术方案[3]。3D打印技术则可以为医师呈现更为客观、直观的组织构造，极大提高了医师对病变的认识，更好的制定出个性化的手术方案[1][3]，并可依据3D模型制定个性化大小尺寸、形状，材质的血管内植入物或所需用于替换的人工血管。医师甚至可以在3D模型上反复演练手术过程，从而最大程度减少术前决策偏差；减少术中失误；缩短手术时间；最大程度纠正血管病变、满足患者血管功能需求，尽最大努力保障手术成功率，避免或减少手术并发症，提高患者术后生存质量[1-4]。

Abdullrazak Hossien等人运用3D打印技术为3位主动脉A型夹层患者进行了术前病变血管3D模型的重建，并依据对模型的分析，明确了3位患者主动脉夹层各自破口位置、夹层累及范围主动脉3大分支受累情况、真假腔关系及主动脉壁情况，从而制定出相应适合的手术方案。结果3位患者主动脉病变情况3D模型吻合，手术过程顺利，术后恢复良好，均康复出院。在上述研究中Abdullrazak Hossien等人还指出，由于主动脉夹层在主动脉弓置换过程中要及深低温停循环（deep hypothermic circulatory arrest），众所周知其时间长短与术后并发症发生率及预后密切相关。术前对3D模型的研究则可帮助术者缩短其过程中的决策及操作时间，最大可能缩短深低温停循环时间。此外，他们还提出术前对于升主动脉撕裂情况的明确动脉供血管的插管至关重要，否则有很大风险供血管灌注于假腔而导致重要脏器供血不足[3]。

Ralf Sodian及 Daniel Schmaussd等医师，运用3D打印技术分别为一位主动脉弓置换术后吻合口漏的患者和主动脉弓降部多发溃疡的患者制定了个性化的封堵材料[4]，经实际使用，发现其较以往统一规格的封堵器更符合患者主动脉条件，避免了因个体差异造成的主动脉损伤及主动脉重要分支血管的遮盖。[4]

我国医疗学者、科研工作者也运用该项技术诊治了各类心血管尤其主动脉疾病。通过实践检验了3D打印在主动脉疾病中的可行性及优越性，同时总结了经验及可不断完善的方向。为该项技术的发展、成熟及广泛推广奠定了重要基础。

2 3D打印技术在主动脉疾病及相关手术操作学习中的运用

对于正常心血管和病变解剖模型的学习研究对于心血管医师认识相关疾病是非常重要的。传统获取模型的方法主要来源患者尸体器官以及将液体石蜡或硅胶树脂灌注器官而制作出模型。而上述方法有其缺陷和局限性。首先，从尸体上获取心血管标本价格昂贵而且资源有限，最主要由于尸体器官细胞死亡后脱水皱缩变形，与活体器官三维结构有所偏差。用浇灌法制作模型，在制作完成时也破坏了标本，只可一次性制作而无法进行后续研究，并且由于标本的变形所制作出的模型也会有相应偏差。此外，医师只可通过传统影像学图像认识心血管疾病，其缺陷之前已有所描述。

运用3D技术则可以克服上述缺陷，可制作出与活体标本血管结构和材质最为接近的模型。医师通过对模型的研究，可以了解认识各类主动脉病变结构。甚至在模型上模拟演练手术过程，尝试研究新的手术方式。此技术可为培养锻炼心血管医师及心血管疾病教学科研提供全新的有效的手段。

3 3D打印在主动脉组织工程和人工血管方面的运用

随着3D打印技术的进步，其技术已经涉及到人体组织与器官的再造领域，虽然目前仍处于研究阶段，但已取得了一定乐观的成果。研究者已经运用该项技术制备出猪主动脉瓣、兔软骨细胞、包裹有细胞的膝关节半月板和椎间盘及已在临床上使用的气管、膀胱和皮肤等只有一种或两种细胞组成的组织。

值得一提的是R.Sodian等研究者运用3D打印技术，使用Polyglycolic acid和poly-4-hydroxybutyrate为一位主动脉缩窄12岁男孩，制备了人工主动脉并进行了主动脉缩窄部的置换[6]。用上述材料所制备的主动脉其实充当了一个可供组织细胞在其中生长、增值分化的有生物降解性组织支架，其可随其中不断生长、增值分化和成熟的主动脉细胞组织所降解，从而在体内形成一个正常组织结构的主动脉。

此项技术与传统该手术运用同种异体主动脉或人工血管置换相比存在以下优势。（1）其依据实际患者情况个性化设计所置换的主动脉，避免了由于个体造成的血管不匹配；（2）传统的同种异体主动脉或人工血管不可能随着年龄生长而生长，也没有自我修复能力。尤其对于儿童患者而言，可能将来会面临再次手术甚至术后并发症而死亡的风险。而运用组织过程所设计的主动脉由于具有生物活性从而避免了上述风险的发生[6]。此项技术为其他需要主动脉置换的主动脉疾病提供了全新的、更加优越的材料选择。同样也为将来实现有着多种细胞组成和有着复杂血管的器官打印迈出重要一步。

4 展 望

3D打印技术已经应用于心血管临床、科研及教学各个方面，尤其在主动脉领域取得了一定的成果。但是由于目前3D打印技术和材料有待进一步改进发展和研究样本的有限，其仍然存在一些问题和不断完善的空间[1]。

例如传统影像学的构建只需7～10分钟，这对于主动脉疾病术前准备尤其主动脉夹层急症手术不会产生太大影响，而目前3D打印模型的构建要超过1个小时时间，这将会限制其在临床上的运用[3]。此外3D打印模型的准确性取决于原始影像数据的准确度，其仍然有赖于现有的影像学检查技术。由于目前该项技术要求高，设备、材料及使用相对昂贵并非每一个患者甚至每一个心脏中心都可以运用，目前缺乏大规模的临床统计学研究[1]。随着3D技术的不断发展，工艺及材料的改进以及运用规模的不断扩大，其制作时间及成本大大降低，达到目前传统影像学使用条件而成为普遍的临床科研手。随着影像学采集方式技术不断完善（我们今后可以尝试整合不同影像学数据如CT、MRI、超声等，取长补短，更精确采集用于3D打印患者的影像学数据），甚至将来开发出专门适用于3D打印技术的影像学数据采集方式。将来对提高每位医师在主动脉疾病诊治水平及每一位主动脉患者康复率做出巨大贡献。

3D打印在组织及器官再造工程起着无比轻重的作用。随着对目前3D打印主动脉组织工程成果上的进一步发展，进该项技术的不断进步成熟，人类最终实现完美人造器官甚至人造生命体的创造将不再只是梦想。[6]

[1]孙立忠,刘宁宁,常 谦,朱俊明,刘永民,刘志刚,董 超,于存涛,凤 玮,马 琼.主动脉夹层的细化分型及其应用《中华外科杂志》2005年43卷18期1171-1176页.

[2]张海燕,王 捷.快速成型技术在心血管疾病诊治中的应用进展Progress in Modern Biomedicine 2009 Vol.9 No.8.

[3]杨 迅.迅速成型技术在主动脉夹层治疗中的运用 安徽医科大学硕士学位论文,2015年5月.

[4]陈鹏飞.快速成型技术制备仿生主动脉弓模型的初步研究安徽医科大学硕士学位论文,2015年3月.

[5]杨 迅,严中亚.申运华快速成型技术在StandfortA型主动脉夹层治疗中的应用.

[6]胡立伟,白 凯,钟玉敏,孙爱敏,王 谦,刘金龙,邱海嵊,朱 铭.基于不同图像分割法构建3D打印右室双出口模型 中国医学物理学杂志Vol.33No.12December 2016

[7]伍西明,罗 闻.3D打印术辅助治疗腹主动脉瘤大众卫生报/2014年/6月/24日/第001版.

[8]袁良喜,刘广钦,赵志青,包俊敏,陆清声,景在平.3D打印技术在血管外科主动脉扩张性疾病临床教学中的应用卫生职业教育Vol.34 2016 No.24.

[9]袁 丁,赵纪春,康裕建,黄 斌,杨 轶,左 萧,周 轩,胡 耀,熊 飞.3D打印技术辅助复杂主动脉夹层腔内治疗中国普外基础与临床杂志2015年7月第22卷第7期.

[10]汤凯丰,朱杰昌,冯 舟,范海伦,张益伟,胡凡果,罗宇东,戴向晨.3D打印辅助体外开窗支架技术治疗Stanford B型主动脉夹层1例报道《血管与腔内血管外科杂志》2016年9月第2卷第5期.