3D打印技术在医疗领域的应用价值与展望

赵庆红，郭俊卿，高 琰，高 宁，王荣杰

(1.河南科技大学材料科学与工程学院, 河南 洛阳 471023)(2.有色金属共性技术河南省协同创新中心, 河南 洛阳 471023)

制造业是国民经济的主体，是立国之本、兴国之器、强国之基。美国、俄罗斯、欧盟以及日本等国家和地区先后出台了支持先进制造的政策，将3D打印列为关键的制造技术之一，助力新兴产业和高端制造业的发展。为了推进中国制造历史性的转变，紧跟“工业4.0”步伐，我国政府推出了备受瞩目的“中国制造2025”，激励国内传统制造业转型升级、逐渐向先进制造方向过渡。3D打印是基于增材制造原理发展起来的快速成型技术，最初主要用在汽车制造业以辅助完善产品设计。随着影像学、数字化建模等科技的进步，3D打印技术作为前沿科技的一项代表性技术，其应用领域迅速扩展，迎来了在医疗领域飞速发展的契机[1-3]。将3D打印技术应用到医疗行业中能为现代医学提供有力的技术支持，对促进生物医学的发展具有重要意义。

1 3D打印技术的优势及其分类

1.1 3D打印技术的优势

3D打印是基于离散-堆积的增材制造理念，对三维数字模型进行离散处理后，借助3D打印设备按照设定的路径逐层堆积材料来制造实体产品的技术。与传统工艺对毛坯逐步切削加工得到产品的途径截然不同，其综合了数字建模技术、机电控制技术、材料物理与化学等诸多领域的前沿技术，在实际应用中能够充分发挥先进制造的优势：

1)快速制造。采用3D打印方式进行生产的制造周期按小时计，省去了一系列复杂的中间工序，耗时短、效率高，可以快速获得成品。

2)精确制造。目前的3D打印设备已有多种精度可供用户选择，制造精度最高可达0.01mm，能够满足不同质量要求的产品制造。

3)个性化制造。3D打印技术不受复杂形态的限制，能满足个性化需求。

4)近净制造。3D打印系统能够精确评估所需材料量，增材制造的特性使得制造过程几乎无余量损耗，材料利用率接近100%。

5)智能制造。设备能够按照设定的程序自动完成整个生产过程，工作人员可通过控制软件实时了解生产进度。

1.2 3D打印技术的分类

根据成型模式，目前应用较普遍的3D打印技术可分为以下6种：立体光固化(stereolithography apparatus，SLA)、激光选区烧结(selective laser sintering，SLS)、叠层实体制造(laminated object manufacturing，LOM)、熔融沉积成型(fused deposition modeling，FDM)、喷墨三维打印成型(three dimensions printing，3DP)、电子束熔融成型(electron beam melting，EBM)[4-7]。其各自对应的成型模式见表1。

表1 6种3D打印工艺的成型模式

不同成型模式的设备精度和材料类型不同，其制造精确性和成本差异较大。SLA、SLS和LOM 3种工艺都采用激光作为能源，其成本由高到低分别为SLA、SLS、LOM，皆高于其他3种工艺。SLA工艺的精确性最高，但其制件强度中等，通常需要二次固化处理。SLS和LOM工艺精确性良好，但是SLS工艺的成型材料为粉材，在制造过程中会产生粉尘且需后续表面处理，而LOM工艺可用的材料有限。FDM和3DP工艺都采用喷嘴作为工作部件，操作与维护简单，大大降低了制造成本。FDM工艺精度优于3DP，但其成型时间较长，3DP工艺所得制件强度较差且易变形。EBM工艺与SLS工艺的精确性相当，不同之处在于EBM工艺采用电子束作为能源，其具有安装与维护成本较低、电力消耗较少、产出速度高等优势。需要注意的是电子束的操作过程中会产生X射线，因而需要额外配备真空系统进行隔离防护。

实际医疗应用中，应根据产品质量要求、成本控制及时间限制等因素综合考虑，选取最有利于实现所需产品制造的3D打印工艺。

2 3D打印的医学应用价值

个体化与精确化是21世纪医学发展的方向[8]，3D打印技术作为一种先进制造技术能为现代医学的进步与发展提供助力。三维数字模型的获得是3D打印流程中必不可少的环节。获取三维数字模型的方法有以下两种：1)首先使用计算机辅助设计(computer aided design，CAD)软件绘制出三维数字模型，然后采用计算机辅助分析(computer aided engineering，CAE)软件对模型进行分析完善。2)对CT/MRI等医学影像扫描获得的DICOM数据进行三维重建，从而获得三维数字模型。将通过上述途径获得的三维数字模型另存为通用的STL格式文件，导入3D打印系统完成分层切片处理与成型路径规划后，即可制作三维实体，其技术流程如图1所示。

图1 3D打印技术流程图

2.1 解剖学模型

医学教学培训中的人体标本以遗体捐献为主，受传统伦理观念制约，认捐数量非常有限。标本匮乏增加了实际操作障碍，难以保证医学培训质量。3D打印技术结合DICOM数据可以仿制出高分辨率的人体样本，较为真实地反映解剖学状况[9]。孔金梅等[10]将3D打印的脊柱肿瘤模型用于临床教学，借助病例实体模型直观生动地进行讲解演示，有助于引导学生形成临床诊断思维、掌握治疗技能，是行之有效的教学手段。KNOEDLER等[11]通过评估3D打印肾损伤实体模型对医生实习的辅助效果，证实3D模型能够形象地描述患者病情，有助于学员正确理解和判断。

此外，3D打印在临床治疗中也发挥着巨大的作用。临床医学以治疗为本，一旦出问题会对患者的生理功能产生很大影响，设计治疗方案需十分慎重。对于一些复杂病例，医生通常借助影像学检查所得图像进行诊治，由于二维图像的空间局限性，医生只能结合自己的经验和想象在脑海中整理信息，难免发生误诊。HARRYSSON等[12]将仅根据二维CT图像与全程采用3D打印物模型来进行传统骨切开术的规划过程做了比较，实体模型的采用使手术的准确性得到了明显提高，对临床效果有积极影响。患者病情复杂时，手术操作中难免会出现因预估不足等问题而临时调整手术方案，这不仅增加术中耗时，而且大大增加手术操作风险。李涛等[13]采用3D打印技术制作出三例复杂髋臼骨折的1∶1模型，如图2所示，借助模型对髋臼骨折处的详情有了直观的了解，明确的诊断结果方便医生制定详细可靠的手术方案。3D打印的患者病损部位实体模型，一方面有助于医生更好地了解病情，进行手术预演，完善治疗方案；另一方面，方便医患沟通，使患者及家属对病情有直观认识，使患者能增强康复信心、积极配合治疗。MAO等[14]在治疗重度脊柱侧凸畸形患者时将CT数据与SLS快速成型技术结合起来，直观精确的三维模型不仅是反映解剖学信息的术前规划道具，而且便于医患沟通，确保矫正手术的实施与后期治疗的开展。

图2 3D打印的复杂髋臼骨折1∶1模型

2.2 矫形器械

先天性畸形或因疾病、事故等导致的肢体功能障碍，需要依靠矫形器辅助治疗。传统方式生产矫形器周期长、不能及时调整或更换，且对人工经验依赖程度高、舒适度不易保证。成长发育期的儿童患者需频繁更换矫形，对制造的灵活性要求高。3D打印可以将经过优化设计的器具快速制作成患者所需的产品，不仅大大缩短提货期，还能提高产品的安全性和患者的使用舒适度。VIJAYARAGAVAN等[15]通过CT扫描获得畸形足患儿的足部数据，用FDM工艺制作畸形足模型避免了时间延误，能够高效分析患儿畸形足的发育状况，并快速设计、改进矫形器，如图3所示，有效避免因矫正器与患足发育不匹配产生的不良后果。

图3 畸形足矫正器模型

2.3 骨科植入物

一些受损或病变严重的骨组织需要植入材料进行修复，标准化生产的植入物型号分类有限，而患者的情况因人而异，无法保证修复效果最优化，术后可能出现植入物与人体匹配度差引起的各类问题，增大手术失败的风险。殷庆丰[16]针对骨缺损的个体化修复，探索结合3D打印技术的可行方案。首先通过CT扫描获得患者膝关节骨缺损部位的DICOM数据，然后采用DIOCM数据构建三维数字模型，以此为基础来设计用于修复骨缺损的垫块，最后经过3D打印得到垫块实体，如图4所示。研究结果表明，3D打印所得垫块与临床实际需求具有一致性，匹配度高、临床疗效稳定。张帆[17]采用新型复合材料借助3D打印技术快速制备个体化颈椎间融合器，打印精度超过95%，制得的实体颈椎间融合器与目标间隙匹配性好。3D打印技术与医学扫描结合能够满足不同患者的个体化需求，定制植入物可以大幅提升修复效果。作为一种先进制造技术，3D打印为疑难杂症的治疗提供了解决途径，定制高度精确复杂的耳框架在3D打印技术的支持下得以实现。CHEN等[18]将三维表面成像、计算机辅助设计与3D打印技术结合起来，使用具有生物相容性的丙烯酸材料为小耳症病人定制耳框架，术后双耳对称性好、形状美观、植入效果佳，患者反馈满意度高。

图4 3D打印获得的个体化骨缺损垫块实体

2.4 组织工程支架

组织工程是一门结合细胞生物学和材料科学构建特定组织，致力于解决人体组织功能障碍的新兴学科，3D打印技术为组织工程的发展提供了有力的技术支持。

创伤性周围神经损伤易殃及重大神经功能，是严重影响患者生活质量的临床问题。目前最主要的修复方式是自体神经移植，但结构不同的神经纤维可用性有限、再生效果不理想，人工神经支架的研究有望解决该问题。LEE等[19]基于3D打印技术制作多孔结构纳米复合材料仿生支架，该支架能提高初级皮层神经元的平均神经突长度，较大的孔隙度使神经细胞的黏附性得到了显著提高，研究表明3D打印技术在人工神经支架研究和神经功能修复方面具有很大的潜力。

心脏类疾病已成为21世纪危害人类健康的重大医学问题。LUEDERS等[20]为了实现人工心脏瓣膜的个性化快速制造，以可吸收的聚合材料为基础，结合病人CT数据通过3D打印的方式构建出精细的心脏瓣膜支架，如图5所示，然后将人脐带血管细胞在其上培养获得完整的、具有一定生物活性的心脏瓣膜，证明该思路具有可行性。

图5 3D打印的心脏瓣膜支架

2.5 药品研发

药品研发的常规途径是借助大量的动物进行初期试验，后期再对临床患者进行试用药与跟踪观察，不仅成本高、周期长，而且可靠性不易保证。BHISE等[21]运用3D生物打印、微流体芯片和水凝胶生物支架等综合知识制造出肝脏、子宫、乳腺的复合生物芯片，如图6所示。3D打印生物反应器官芯片有助于创造接近现实的器官，缩小试验研究和临床药物测试之间的差距。3D打印器官芯片的使用使得药物开发和测试能够更安全、更可靠的进行，将体外药物测试推向了新高度。

图6 肝脏、子宫、乳腺的复合生物芯片

3 3D打印在医疗领域的展望

现阶段3D打印技术的医学临床应用以颅骨、关节、牙齿等硬组织为主，器官、血管等方面的打印技术仍处于探索开发阶段。随着国内人口老龄化加剧以及人们对生活品质的追求，医疗行业面临更高的要求和更大的需求。医疗产品在制造业中的比重持续高速增长，市场规模不断扩大。“中国制造2025”将高性能医疗器械评定为十大重点领域之一，提高医疗器械的创新能力和产业化水平是重中之重。因此了解不同3D打印工艺在医疗领域的应用特点对于推广该先进制造技术十分必要。本文提及的6种3D打印工艺中，SLS工艺是目前可使用材料种类最多、应用最为广泛的3D打印方式。该工艺可选用金属、陶瓷及塑料等粉材作为原材料，能够满足医疗中对不同材质的需求。与SLS工艺相比，EBM工艺受材料导电性能的制约，可选用的材料种类相对少一些。以上两种3D打印工艺都能够实现孔隙结构成型，在制造仿生骨组织植入物方面具有显著优势。LOM工艺与生物陶瓷带材相结合也可制造人工骨，但难以构建孔隙结构，此外受材料的制约，该3D打印工艺在医疗领域的应用较少。SLA和FDM工艺针对塑料成型，制件强度有限，一般不用于对力学性能要求高的产品，在医疗领域的应用主要集中在器官模型、外用矫形器以及模具制造的中间环节。3DP工艺结合生物材料可用于人造皮肤、生物芯片的探索与研究。

3D打印技术在医疗领域的应用已取得了一定进展，但仍有很大提升空间。首先，设备和材料是发展医疗3D打印技术的关键。设备是实现3D打印的工具，性能优良的设备能为制造稳定性提供保障，推动先进制造技术的产业化进程。医疗领域的产品要求高于一般制造业，组织、器官结构复杂需微米级分辨率，现有的3D打印设备制造精度有待进一步提高，专业软件有待深入开发与集成。材料是3D打印技术成果的载体。以骨科植入物为例，材料与人体弹性模量不匹配会出现“应力屏蔽”导致植入失效；生物相容性不佳的材料进入人体后会对周围组织产生毒副作用[22]。研制力学性能好、生物相容性佳、成型性能优良的材料是3D打印技术在医疗应用中长足发展的必经之路。其次，行业标准是一个行业逐步走向成熟的智慧体现。该行业发展至今尚无统一标准，各厂家开发研制的设备与材料功能品质参差不齐，应制定详细、完善的行业标准促使3D打印技术逐步规范。此外，该类物料的使用与维护成本较高，需专业人士管理，人才缺口会给先进技术的应用推广带来不利影响。综上所述，结合不同类型医学制品的需求，提高设备性能、开发新材料是该技术发展的重要突破口，同时也应制定完善的行业标准并不断强化行业核心竞争力，加强对专业技术人员的培养，推广跨界合作与应用。

中国虽然已走入全球3D打印研发竞赛的行列，但相比发达国家仍然存在很大的差距，崛起之路任重道远。3D打印技术的应用前景十分广阔，该技术的进一步成熟与推广必将助力医疗行业的发展。相信经过各个行业的协作创新，在不久的将来人们可以充分享受3D打印技术带来的高效、精确、舒适、成本可控的定制化医疗服务。

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