3D打印技术的发展及在神经外科领域的应用及前景*

王 亮 叶 迅 赵元立

1 天津市第五中心医院神经外科 300450； 2 首都医科大学附属北京天坛医院

3D打印技术(Three Dimensional Printing)自发明以来，在工业领域迅速发展，近些年来，其在医学领域逐步得到应用，并在神经外科培训、脊柱、颅脑肿瘤及血管病方面逐渐探索应用，综述如下。

1 3D打印概念及发展历程

3D打印技术是一种以数字模型文件为基础，利用计算机软件按照某一坐标轴切片，再通过3D打印机运用金属粉末或者塑料等可黏合材料，逐层叠加的方式生产产品的技术。其最早兴起于20世纪80年代[1],美国科学家Charles Hull发明了将数字资源打印成三维立体模型的技术，2年后，其发明了立体光刻工艺，并获得了专利, 这是 3D 打印技术发展的里程碑。2010年后3D打印进入快速发展阶段，基本可以打印任何物品，从手枪到衣服，从汽车到珠宝首饰，并于医学领域开始应用[2]。3D打印技术最先应用于牙科与颌面部的手术[3]，后逐渐于各个学科开始探索应用。

2 3D打印常用方法

3D打印最常用的打印技术主要有3种:(1)积压—熔融沉积式(Fused Deposition Modeling，FDM)，(2)光敏树脂选择性固化(SLA)，(3)选择性激光烧结(SLS)。其中选择性激光烧结(SLS)比积压—熔融沉积式制造(FDM)有较好的分辨率，并且能打印较大的模型。然而目前没有消费等级的SLS打印机存在。光敏树脂选择性固化(SLA)打印机也比FDM有较高的分辨率，并且有一小部分适合消费的SLA打印机。消费等级的SLA打印机与专业等级的SLA打印机相比，打印容积更小。SLA比FDM成本更高，并且打印出来后需要后期处理。FDM打印机的分辨率，虽然较SLS和SLA粗糙，但应用已经足够[4]。

3 3D打印在医学领域的应用

3D打印医学模型：医学模型的制造是3D打印技术在医学领域中最直接、最基本的应用，模型可用于医学院解剖教学、手术设计和演练，提高手术的成功率，预估手术的风险。而利用这些模型，对低年资的医生进行培训，从而提高低年资医生的手术熟练程度和积累经验，起到培训和教学的作用[5]。通过3D打印技术将患者的病变模型打印出来，更加形象逼真，可以提高患者及家属对疾病的认知程度，促进医患和谐发展[6]。

3D打印医疗器械：在医疗器械领域3D打印技术已经得到了广泛的应用，如在骨科个体化钢板、人工关节、假肢的制造以及耳鼻喉科中个体化人工外耳道、助听器、个性化种植牙等方面已经有了初步的探索应用，Turgut等[7]采用选择性激光烧结技术，通过CT或者MRI获得患者的耳廓数据, 对10例患者行耳修复术，作者认为SLS在精确度和加工速度上都优于其他方法。Dai 等[8]采用3D 打印技术为10例接受骨盆截骨术的患者制作个性化半骨盆假体，术后影像学发现假体与患者匹配良好。

生物人工器官：生物人工器官的研究一直是再生医学研究的热点，有着巨大的临床应用前景，生物打印是3D打印技术研究中最前沿的领域，生物打印技术生成3D支架是通过层层叠加的机械方式制作出来的。Gaetani等[9]通过3D打印技术打印出心肌组织，在培养1d和7d之后，心肌细胞的活性仍能分别保持在92%和89%以上。目前，利用3D生物打印技术，已经可以打印出皮肤、骨组织、人造血管、心脏瓣膜等，但成熟应用于临床仍需要更加深入的研究，但已经呈现出了很好的应用前景。

4 3D打印在神经外科的应用

3D打印技术在神经外科领域中得到广泛应用研究的就是3D打印颅骨成型技术。Kim等利用3D打印技术，用聚甲基异丁烯酸(PMMA)，在术前将头颅CT扫描数据转化成打印数据，打印出颅骨模型，植入颅骨缺损部位，达到了非常完美的效果[10]。颅底凹陷合并寰枢椎脱位常存在严重的骨性畸形和椎动脉变异，利用3D打印技术，制作精确实体模型，同时显示脊柱骨性结构和椎动脉，并进行颜色区分，术者可在术前作出全面评估，预测术中的风险，并可模拟术中置钉，取得个性化置钉数据[11]。颅底肿瘤位置深、解剖复杂、功能重要，对术者解剖及手术技巧要求极高，Kondo等[12]对4例岩斜区肿瘤利用头颅CT、MRI及血管影像数据转化为3D打印数据进行打印，并进行可视性及模拟手术，发现其在颅底肿瘤具有很好的可视性及可应用于手术演练。

血管病是3D打印技术在神经外科探索最多的领域，尤其动脉瘤手术，透彻理解动脉瘤的形状，朝向、瘤颈和与邻近动脉及其分支、颅神经、颅骨的关系至关重要。过去数字减影脑血管造影(DSA)及CTA是唯一方法，医生不得不利用有限角度的二维图像去在大脑中想象出三维图像。目前3D打印的应用解决了这一问题，可以直观地呈现在术者面前。Anderson等[4]利用聚乳酸和MakerBot弹性材料将DSA的影像数据转换成3D打印数据，从而打印出精确的动脉瘤模型，这种可视化且逼真的动脉瘤模型，为神经外科医师进行术前评估和手术计划提供了极大的便利。Namba等[13]也利用3D打印出动脉瘤模型，然后通过在动脉瘤模型中选择合适的微导管，可以在术前为患者选择特定的微导管，从而减少了介入手术的难度和操作风险。

颅内动静脉畸形是一种先天性疾病，显微外科手术能直接切除畸形团，是目前最彻底和可靠的治疗方法，但其手术难度较大。Jayesh等[14]利用影像学数据，3D打印1例巨大动静脉畸形，可以提高术者术前计划及治疗复杂血管病的能力。

目前3D打印仍存在很多技术的限制：很难模仿不同类型动脉瘤的不同感觉，如形成血栓、钙化、混合型、血泡样、易破的动脉瘤，很难表达血管的坚硬程度，也不可能打印出黏附小血管，更难模仿术中动脉瘤破裂和术中并发症[15]。3D打印在动静脉畸形中对于动脉及静脉血管的区分、周围传导束的打印及畸形团的支撑仍有待于解决。

5 3D打印技术在神经外科领域的挑战及发展前景

3D打印技术虽发展迅速，但是在医学领域中的应用也面临着巨大的挑战。由于受多种因素的限制，打印的精准度还有待于提高，完全贴合临床并适合应用于临床消费的打印设备仍有待于开发，打印效率及速度也有待于提高；3D打印材料有限，缺少理想的打印材料及生物相容性较好的医学材料，同时成本较高，临床影像数据在转化为立体打印数据时数据缺失，尚不能广泛应用。在生物3D打印技术方面，不但需要相关的生物技术和设备辅助，还需要多学科的合作。因此，3D打印技术要想在医学领域中得到广泛而深入的应用，仍面临着巨大的挑战。

然而，从长远来看，3D打印技术在医学领域中的应用具有较为广阔的发展前景，但是需要有长远的规划和多方面的合作。国家科技部每年有专项关于3D打印的课题资助，相信技术及设备难题逐渐攻破，打印成品更加贴合临床需要，美国血管病专家Lawton医生认为：所有的显微手术入路及技术完全可以在真实的3D打印模型器上应用只是时间的问题[15]。3D打印必然为医学精准医疗的发展起到重要作用。