三维打印技术在医疗领域的应用

李丹，崔伟，刘兵

1.鄂尔多斯市东胜区人民医院 医学工程科，内蒙古 鄂尔多斯 017000；2.鄂尔多斯市中心医院 器械科，内蒙古 鄂尔多斯 017000

引言

三维（Three-Dimensional，3D）打印技术是使用连续的材料通过分层从三维模型创建物理对象的过程[1]，可以成型树脂、金属、陶瓷等多种粉末材料。根据国际标准化组织制定的标准，3D打印技术的基本过程可分为以下三步：CAD建模；打印机读取模型的横截面信息，通过打印头把这些截面逐层打印并堆积成型，从而制造一个实体；对获得的实体进行后续处理，获得最终成品。

1981年，Kodama率先发明了两种用于制造三维塑料模型的方法。随后，Méhauté于1984年7月16日提交了三维立体过程的专利申请。在此基础上，Hull创立了3D Systems公司，并于1986年研发出世界上第一台商用3D打印机[2]。1988年，3D Systems公司推出了第一台市售的3D打印机SLA-250。之后其他公司也相继成功开发出一系列3D打印商业应用程序，如美国DTM、ZCorporation、Solidscape和Objet Geometries公司[3]。

起初，3D打印技术制作材料种类少，制作过程耗时，上述两个原因导致打印成本相对较高，限制其在各行业的应用。为解决此困境，科学家们潜心研究，成功开发出可使用任何原材料的3D打印机[4]；同时致力于缩短打印机工作时间，并于2013年推出世界首台3D实时打印处理器。随着技术日趋成熟，3D打印机的成本大幅下降，从而奠定了3D打印技术应用于医疗领域的基础。部分适用于医疗领域的3D打印技术及其原料总结，见表1[4]。一些髋关节、牙冠甚至颅骨等植入物已可通过3D打印技术直接生成[5]。其中通过3D打印技术生产最多的医疗器械是助听器，现在生产制作个性化助听器外壳几乎完全使用3D打印技术。

1 3D打印技术应用于医疗领域的优点

1.1 个性化定制

3D打印技术应用于医疗领域的最大优势是可以自由生产定制医疗产品和设备。由于技术和成本限制，传统工艺只能制造出较少规格的试件。而3D打印技术可根据患者个体信息，生产特定医疗产品和设备。例如，3D打印技术可根据患者个体信息，生产特定假肢，这种假肢与患者匹配性好，应用价值高[6]。子宫托是用于治疗妇女子宫脱垂的一种医疗器械，目前市面上出售5种不同规格（外径分别为50、55、60、65、70 mm）的子宫托。由于每个女人都拥有独特的解剖结构，所以上述五种规格的子宫托并不能满足妇女需求，大小不合适的子宫托使妇女产生严重不适感。Tudela等[7]成功为多名患者创建医疗级子宫托，其大小达到了患者的具体需求，改善了植入后的不适症状，该研究初步证实了3D打印技术创建患者个性化子宫托的可行性。3D打印技术的个性化定制优点，在生产婴幼儿专用设备方面尤为突出。婴幼儿专用设备尺寸小，对材料性能要求高，当前生产模式无法满足婴幼儿专用医疗设备的需求[8]。Upex等[9]通过3D打印技术为一位患有局部支气管软化症的美国男婴设计和构建塑料气管，并成功移植。3D打印生成的气管模型，见图1。

表1 部分适用于医疗领域的3D打印技术及其原料总结

图1 3D气管模型

1.2 生产成本低

3D打印技术应用于医疗领域的另一大优势是生产成本低廉。

（1）由于对生产空间与劳动力要求低，3D打印技术的低成本在小型生产运行中变得越来越具有竞争力。Banks[10]表示，在使用3D打印技术生产小尺寸植入物（如脊柱固定钉）时确实降低了生产成本。

（2）大多数植入物含有金属添加物，所以价格昂贵。如髋臼杯（髋关节的接口）的传统制造是通过数控加工，然后覆上利于骨生长的涂层。有了3D打印技术，我们可以改变植入物密度使其表面多孔，不必经过涂层工艺，从而降低生产成本[9]。所以产量低、生产过程复杂或需要频繁修改的医疗产品和设备使用3D打印技术进行生产能够降低成本，提高经济效益。

1.3 技术实现快

3D打印技术几小时内就可以生产出大量产品，相比需要铣削和锻造的传统方法，节约大量时间[4]。除效率之外，3D打印技术的分辨率、精度、可靠性及重复性等一系列特征也得到了改善[10]。通过共享3D打印数据文件，研究人员可以访问数据库，下载.stl文件，做到快速精确复制相关医学模型或设备，而不是花费大量时间试图再现学术期刊中描述的参数。

2 3D打印技术在医疗领域的应用

21世纪初，3D打印技术首次用于制造牙科植入物和定制假肢，从此开启3D打印技术在医疗领域的应用[3,11]。目前已成功通过3D打印技术生产骨头、气管、耳朵、头骨模型、新型药剂和医疗设备等医用产品[10,12]。3D打印技术在医疗领域的应用主要分为5类：假体和植入物、组织和器官、解剖模型、药物研究以及医疗设备[13]。

2.1 假体或植入物

之前外科医生在进行手术时，需要将假体变形、将金属和塑料材料切割成所需的形状和尺寸，制成患者所需的假体和植入物[10]。置换标准假体、内固定标准植入物不仅耗时耗力，且多数情况下已不能满足患者个性需求。而3D打印技术不仅可以满足患者多样性、复杂性和快速性的要求，且舒适适宜的个性化假体或植入物能够更好的帮助患者早日恢复健康状态。此外，将可降解的工程材料作为打印材料，利用3D打印设备制作成携带活性因子且疏松多孔的人工骨骼，当人工骨骼植入生命体后，经过一段时间的降解、钙化，可被生命体完全吸收并形成新骨。

3D打印技术联合生物力学分析技术，可以个性化定制假体和植入物。2014年10月24日，英国成功完成首例3D打印假肢移植手术。3D打印技术应用于外科植入手术的多个方面，如骨科、颌面外科、颅外科和脊柱手术[5]。Hofmann等[14]为先天左手残疾的五岁小女孩设计并制造3D假肢，目前这个公益组织已通过3D打印技术，为400多名儿童制造假肢。Yang等[15]为患者成功移植钛下颌骨，该患者不久便恢复了咀嚼和吞咽功能；Upex[9]为患者成功移植钛骨盆，不仅骨盆固定效果显著，还同时保证了髋臼位置与方向的准确性。Herrmann等[14]首次发明具有抗菌性能的3D打印树脂，该树脂可杀死接触到的细菌，这一发明大力推动3D打印技术在假体和植入物方面的应用。

2.2 组织和器官

老化、疾病、事故和出生缺陷所导致的组织或器官衰竭是一个急需解决的医疗问题。目前对器官功能衰竭的治疗主要依赖于活体或死亡捐赠者的器官移植。然而，可用于移植的人体器官存在长期短缺，且器官移植还存在配型困难和排斥反应的问题[11-12]。通过提取患者自身细胞培养替代器官，进行个体化治疗，可解决上述器官移植过程中的三大难题[16-17]。生物技术公司和学术机构都在研究3D生物打印技术，欲将其应用于组织工程，使用3D生物打印技术构建器官和身体各部位。生物打印组织或器官用到的关键技术就是表1中提到的熔融沉积成型、立体平版印刷和选择性激光烧结技术[18]。

3D打印组织和器官的过程如下[13]：① 组织或器官进行CT/MRI成像；② 利用OsiriX或3D Slicer软件建模，生成生物打印过程；③ 分离干细胞，并将干细胞分化成特异性细胞；④ 整合打印原料：特异性细胞，血管细胞和培养介质；⑤ 使用3D打印机如MakerBot Z18进行生物打印。以NovoGen生物打印技术为基础的第一个3D组织打印系统已于2009年完成[19]。Ahmed等[20]预测，未来十到二十年内，用3D打印机生产一个肝脏组织只需1 h，这表明利用3D打印技术打印功能齐全的器官将成为可能。移植所需的大多数器官属于复杂器官，如肾脏，肝脏和心脏。这些大器官结构中的细胞在没有血管的情况下通常不能维持其代谢功能[21]。所以生物打印复杂3D器官需要将多细胞结构与血管网络精确整合，目前还没有做到[22]。然而，3D打印技术已经成功应用于创建简单血管系统（如单通道），以及更复杂的几何形状血管系统（如分叉或分支通道）[23-24]。Kolesky等[25]通过3D打印技术打印出直径为45～500 μm的动脉灌注通道。悉尼大学、哈佛大学、斯坦福大学和马萨诸塞理工学院通过合作，已经成功通过3D打印技术打印出一个功能性和可灌注的毛细血管网络[26]。

2.3 解剖模型

人体结构复杂且个体差异性较大，普通模型已不能满足临床和教学需求。将X射线片、MRI和CT扫描形成的2D图像用于研究和模拟手术解剖结构时，指导意义均较低，而3D打印模型由于高保真的特点，可以提供更加详细、直观、立体的解剖学信息[27]。通过3D打印创建解剖模型主要应用在两个方面[28]：个体化高精度的术前规划及立体化高效率的临床教学。

（1）个体化高精度的术前规划。由于不同个体的解剖学器官存在差异，个性化定制人体器官模型可以帮助医生充分进行术前讨论，以寻求最佳的手术治疗方案，从而能有效缩短手术时间，降低手术风险。而且在手术过程中各种组织的微小变异均可能导致并发症，因此术前详细评估患者的解剖学状态对于预防术后并发症是至关重要的。比如胸腔镜肺叶切除术是一种用于治疗肺癌患者的手术。Akiba等[29]针对患者右肺叶支气管的变异，打印出相应的3D实体模型，并以此确定病灶情况。根据患者右上叶支气管的变异位置进行术前规划，不仅有助于确定切除程度，而且能进一步了解患者解剖结构，增加手术成功率、减少并发症。手术过程十分顺利，患者在术后第六天出院，恢复良好。类似这样的案例还有很多，如：Katherine等在进行膈疝修复手术前，通过3D打印技术建立患者胸腔模型，并进行了术前规划，有效提高了技术性能，并降低了手术风险[30]。Davis等[31]和Hawkinson等[32]通过3D打印建立新生儿患者胸腔模型，在进行了术前规划后又使用3D实体模型模拟胸腔镜下修复先天性食管闭锁与食管瘘手术，临床效果显著。许多胸腔镜修复手术技术难度高，十分具有挑战性。通过使用3D模型进行术前规划并模拟手术，培训外科手术医生，提高手术成功率，具有很重要的临床意义。

（2） 立体化高效率的临床教学。传统教学方式相对抽象，而3D打印模型则能够体外再现组织或器官的三维形态及特定的断层结构，为临床教学提供更为直观的信息，从而提高了学生对解剖结构的理解及记忆。所以3D打印实物模型教学能够帮助学生更好的理解复杂解剖结构，提高教学质量，显著增加学生对手术方法和技术的了解，以防止不良后果。Rose等[33]已通过3D打印技术获得与人类尸体标本解剖学细节高度相似的颞骨模型。通过3D打印获得的模型均具有高保真的特点，所以使用3D模型有利于更好地研究脊柱结构，对矫正脊柱畸形具有很高的指导意义[34]。3D打印模型不仅应用于简单的骨骼模型，还可以表现血管、脑和颅骨交织在一起的复杂情况（图2）[34]。此外，通过3D打印技术重建早产儿气道，用以研究气雾剂药物进入到肺部的传播过程具有十分重要的临床意义[3]。由于医用模型的应用易于推广，该市场在发达国家正迅速扩张。

图2 3D神经外科手术模型

2.4 药物研究

FDA于2015年8月批准了3D打印药物，开启了制药行业的新篇章[35]。口服片剂是最常用的药物剂型，传统制剂方法可能引起性状变化和药物释放困难。此外，传统制造方法不适于产生个体化药物和复杂的几何形状，限制产生定制剂型的能力。而3D打印药物的优势包括精确控制药物尺寸和剂量，高重复性，以及能够生产具有复杂药物释放特性的剂型。根据患者的年龄、体重和疾病严重程度，通过3D打印开发个性化药物，可以提高疗效和减少不良反应[36-37]。

Wu等[18]首先提出用3D打印技术制造可控释放药物的想法后，杨新宇等[38]从材料、结构和剂型设计、制造工艺等方面，对用3D打印技术制造可控释放药物的可行性和实用性进行了研究，并成功制造出具有单药和多药复合释放特征的口服可控释放药片。通过3D打印技术生产个性化药物已成为可能[39]。在基于喷墨的药物制造中，喷墨打印机以精确的速度，运动和尺寸将药物和粘合剂以小液滴的形式喷涂到基材上。3D打印技术还被用于生产许多新的剂型，例如：微胶囊，基于透明质酸的合成细胞外基质，纳米悬浮液和多层药物递送装置[40]。这些多层药物递送装置旨在将治疗药物精确地运输到目标区域，然后将在身体中被安全降解并排出[41]。许多学者正在采用这种新颖的3D打印技术来开发一种传递化学药物用于癌症治疗的方法，以尽量减少感染并有助于防止疾病的蔓延[42]。

2.5 医疗设备

3D打印技术在医疗领域的应用范围越来越广泛，不仅能够定制特定假体和植入物、组织和器官、解剖模型，而且在药物研究领域也有很大突破，但3D打印技术在医疗设备中的应用却较少。

因零配件缺损或配件定价较高使临床医学工程师在日常的医疗设备维修中面临巨大挑战。市场医疗设备零配件供应的局限性导致维修困难的情况较为常见。而3D打印技术的优势就在于能够在控制成本的基础上于短时间内制造复杂物品，这使其在医疗设备维修中的价值越来越明显，它能够缩短维修时间，最大程度挽回因设备损坏给医院带来的损失[43]。如徐路钊等[44]使用三维建模和逆向工程技术，将注射泵推杆活动卡槽进行了建模，随后使用3D打印机对卡槽进行了成型构建，达到了1:1还原的目的。通过实验验证了3D打印技术在医疗设备维修中的应用价值。在尼泊尔坦桑尼亚的联合医院，临床医学工程师接受了3个多月的3D打印操作培训后，制作了一个简单的按钮来修复损坏的脉搏血氧计[43]；设计并打印一个呼吸机呼吸管路的配件，使呼吸机恢复持续正压通气；还为肺量计设计了一个特定的保护套，保护其USB端口免受损坏。Gómez等[45]运用3D打印技术成功设计构建数字心电图机的塑料部件。Rothenberg等[46]利用3D打印技术改进现有医疗设备，发明了新型多腔式注射器，改进功能的同时还降低了价格。3D打印技术生产的设备其生物相容性和力学性能必须达到合格水平和预期功能，以满足FDA对医疗设备的专业要求。

3 结论与展望

3D打印技术可进行个性化定制、且生产成本低，技术实现快，其在医疗领域的应用和潜在价值正促进医学的变革。3D打印技术在假体和植入物、解剖模型、药物研究以及医疗设备配件的应用方面发展迅猛，但一些革命性的应用，如实现组织和器官打印实际需要长时间的努力。而且实现3D打印技术在医疗领域迅的科学监管仍然是一个大难题，需要时间解决。所以相关技术深入研究的同时，应进一步开展科学监管工作，从技术与法律层面实现各项工作最优。随着新理论的提出与新技术的革新，3D打印技术将推动个性化医疗快速发展。

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