3D 打印在医学中的应用及其发展前景

张慧梅 冯淑莹（等同第一作者）

（国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心材料工程发明审查部，广东 广州510530）

3D 打印技术作为具有前沿性、先导性的新兴技术，正在促使传统工业技术和传统生产工艺发生深刻变革。本文在介绍3D打印技术概念，综合分析了3D 打印技术的在医学方面的应用现状，并进一步阐述了3D 技术发展的前景。

1 3D 打印概述

3D 打印技术是快速成型技术的一种。在3D 打印中其分层逐步加工过程较之传统喷墨打印，其优势在于三方面：第一，可对大部分的材料，如金属、陶瓷、树脂、纤维、食材、混凝土等进行打印成型。第二，它采用分层加工和层层累加的方式来制造产品，在具体生产实践过程中不会产生废料或者产生极少废料，大幅度降低原材料使用量。第三，3D 打印具备的精准化、个性化、远程化等特征和一次成型的产品制造模式，能满足定制化的需求。3D 打印突出的优势非常符合医学领域需求，所以引起了生物医学领域越来越多的关注[1，2]。

2 3D 打印在医疗方面的应用

2.1 3D 打印在脊柱外科临床上的应用

脊柱损伤病变为现代人的常见病变，脊柱的解剖学结构和其周围神经血管毗邻关系均较为复杂，使得脊柱手术难度非常大，成为制约手术成功率的一大因素[3]。3D 打印技术脊柱外科临床方面的应用包括被引入到脊柱外科手术中作为手术辅助以及个性化植入物方面的应用。在手术辅助方面，在骨折、肿瘤手术中，3D 打印技术可以“克隆”出1∶1 的实物病理模型，医生可通过该病理模型进行模拟手术，选择特定的治疗方案，精确手术，对复杂又有难度的手术进行术前评估，降低手术的不确定性[4，5]。脊柱畸变的治疗，可对脊柱畸变处进行CT 扫描，然后进行三维重建，将得到的三维数据输入3D 成型仪器中，打印出仿真模型模拟手术，最后确定椎弓根最适的置入位置和角度[6]。个性化植入方面，3D 打印可为病人量身定制植入物，做到精确匹配，满足不同病人的个性化需求，且3D 打印制造假体的时间较短。3D 打印个性化定制椎间融合器植入物、人工脊柱、微孔钛假体能够更加适应，与损坏椎间隙的匹配十分完美，病人术后恢复良好，生活工作不受影响[7]。

2.2 3D 打印技术在康复医学中的应用

随着3D 打印技术和数字医疗技术的融合发展，3D 打印逐渐融入到了康复医学中，康复医学对于3D 打印的依赖性越来越高。主要应用在如下几方面：第一，矫形器的个性化设计和制造成为了可能。可通过3D 打印个性化手指矫形器、前臂骨折矫形器、腕部矫形器、踝足矫形器等，通过有限元分析方法建模，实现对上肢矫形器的精确打印。可通过有限元分析、拓扑结构优化等技术辅助3D 打印技术，降低了材料成本，克服了影响临床应用的障碍[8，9]。第二，在假肢的3D 打印方面，目前3D 打印制作前臂索控假肢，通过屈曲肘关节实现假手的闭合，伸直肘关节实现假手的打开，实现了假手的基本抓握功能[10]。还有一些公司能够对外提供定制化假肢的制造服务，3D 打印的假肢不仅具有个性化，还具有轻巧、耐用、美观等优点。第三，可以通过3D打印技术打印残疾人生活辅助器具，利用3D 打印技术打印轮椅推杆和助听器，也能够实现针对不同的残疾人的需要，精确定制其所需的辅助器具。第四，在医学教学中的应用，通过3D打印技术制造逼真的医学模型，还可呈现一些少见的病理解剖或正常变异形象[8]，有利于康复专业学生更好理解人体解剖结构。

2.3 3D 打印技术在口腔医学领域的应用

3D 打印技术在口腔修复领域中的应用主要是在可摘义齿、口腔种植体和矫治器方面。作为替代CNC 加工技术制造义齿金属内冠，利用数字化口腔模型扫描、计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）与3D 打印技术相结合。能够精确的打印出义齿，人工不需要做过多的判断和考虑，金属内冠的精度得到保障，使患者能够拥有一颗高度定制的、舒适的烤瓷牙。隐形透明矫治器多采用SLA 技术、DLP 技术，3D 打印技术能够实现不同矫正阶段牙齿模型的批量定制化生产。3D 打印口腔种植体重塑患者原来的牙齿，省去预备植牙孔、植入骨粉等步骤，不仅可以避免种植手术造成的反复创伤，还可大幅缩短治疗周期。由此可见，3D 打印技术在口腔医疗领域的应用，不仅可以提高患者手术过程的舒适度，减轻患者的心理负担，还能实现患者微创、精准、快速、即刻戴牙等需求。但如何优化软件效率从而提高自动化程度，以及如何优化设计从而减少实际打印的难度和成本，是需要解决的问题。

3 3D 打印的局限性与未来展望

3D 打印目前还有一些局限性，因其制造成本篇高、准备周期较长、材料来源有限，此外，模型质量精度有待提高，临床上3D 打印植入也存在定位不当等问题，这些都是当下待解决的问题[11]。未来的3D 打印有望能够打印出更高度仿真的模型，即把需要打印部位周围的软组织也打印出来，在视觉、触觉上更接近活体组织。打印出的假肢不仅是在人体结构上的模拟，还能做到在功能上的模拟。随着一些3D 打印相关专利期届满，这些技术逐渐公开透明化，会有更多的医学领域会引入3D技术，无论在设计方面还是在生产方面，材料和机械成本也将降低，可以预期，3D 打印在医学领域的研究和应用会越来越广。