3D打印技术在耳鼻咽喉科应用及展望

孙凯丽(综述) ，别 旭， 孙秀珍(审校)

(大连医科大学附属第二医院耳鼻咽喉科，辽宁 大连 116027)

3D打印技术是通过计算机辅助设计(computer aided design,CAD)三维数字模型或在计算机上利用断层扫描模拟立体形态，用逐层打印的方法重建物体、器官的技术。1960年法国人Francois Willeme申请了多照相机实体雕塑的专利，实现了真正意义上的3D打印。1984年Chuck Hull设计出了“光固化”的工艺流程，首次提出“3D打印”的概念，并于1986年在美国加利福尼亚州成立了3D Systems公司，标志着3D打印技术的诞生。近年来，随着打印技术、打印设备、打印材料等的发展，3D打印技术在医学中的应用也越来越广泛。

1 3D打印技术的原理与流程

1.13D打印技术的原理 “分层制造、逐层叠加”是用喷头喷出黏结剂，选择性地将零件的截面“印刷”在材料粉末上，最后将各个截面黏结起来。

1.23D打印技术的流程 ①收集数据：利用电子计算机X射线断层扫描技术、正电子发射计算机断层显像CT、磁共振成像等将实体组织图像数据转化为DICOM格式数据，刻录到光盘(影像学资料的扫描精度会直接影响3D打印技术模型的真实性)。②三维模型的建立及优化：以mimics软件为例，将刻录到光盘的数据通过mimics软件打开，调整灰度值(选取所需部分)，分割出所需图像数据，三维建模得到STL文件，将模型导入Geomagic studio中进行光滑、构造格栅、拟合曲面，导出IGES文件后将其导入Ansys等软件中进行有限元生物力学分析[1]。③导入3D打印机和3D打印技术：将可读取的文件如STL文件导入3D打印机，打印出三维实物。目前在打印过程中对支撑结构的发展更倾向于机器学习，可有效避开关注度高的区域，并自动应用于任何模型上[1]。

1.3打印医学模型的注意事项 ①物体模型必须为封闭的面，可借助一些自动检测边界功能和模型修复的软件，如magics、Netfabb等，但不同的打印模式和打印软件对物体模型的要求也不相同。②3D打印技术需要给模型增加厚度，可在建模过程中利用magics或导入ZBrush三维雕刻软件时加厚。③加工时记住45 °法则，避免曲面断裂，即任何超过45 °的突出物均需要额外的支撑材料或高超的建模技巧加以保护，可采用粉末建工方式，建工完成后将模型从粉末堆里掏出来。④对底部尖锐的模型设计打印底座，仅可用热熔挤出式加工，打印结束后，通过后处理(固化、修整、上色等)去掉支撑结构[2]。

2 3D打印技术的分型

2.1按能源不同分类 ①基于激光的打印：连续性液面生产，其优点是快速、原料利用率高、产品精度高、结构完整等，打印出的无细胞树脂材料常用于人体器官修复中的指导模板；选择性激光烧结，其优点是可重复利用、加工速度快、不使用支撑材料，常用于金属零件直接打印，不适用于制备水凝胶支架；分层实体制造，其优点是易操作、材料种类多、支撑好、成本低、效率高，可直接制造结构件或功能件等。②挤压型打印：熔融沉积成型(fused deposition modeling,FDM)，目前应用最普遍、价格最适中，可用于塑料玩具或器官模型的建立；多喷头模型其优点是时间短、材料多、分辨率高、多喷头模型打印机易维护等；黏结剂喷射技术优点是材料广、颜色多等。③三维喷墨打印：可打印与实际产品相同色彩的模型，其传递的信息量大，能在人造物中融合药物和生物大分子。④电线成型子束印刷：电子束溶化成型技术等。⑤基于紫外技术的印刷：光固化立体印刷技术，是最早用于制造生物实体模型的打印技术。⑥基于超声波的印刷[3-4]。

2.2按生物功能分类 ①无细胞打印需注意支架结构准确性、连接层的稳定性、穿孔的灵活性及沉积材料的生物相容性。②活细胞打印即3D生物打印，是3D打印技术研究中最前沿的领域，是生命科学与现代制造业交叉的新型技术，其以含有活细胞的“生物墨水”为材料，打印出一层细胞组织架构，按3D成型技术进行制造，逐渐形成立体的细胞组织架构，获得所需的人工器官和组织[5]。生物打印需注意细胞和组织的生存、生长能力以及植入物的生物功能等。基于挤压技术的3D生物打印是目前最有前景的生物打印，其中复合喷嘴生物打印技术将成为复杂硬器官和组织工程最重要的工具(尤其在耳鼻咽喉科的应用)[6]。

2.3其他 随着3D打印技术不断发展，近年来其在临床方面的应用越来越广泛，如3D打印口腔种植手术的种植导板[7]，骨科椎弓根螺钉植入导板或假体，血管外科个性化血管模型、支架和人工血管，肝脏外科用于术中指导手术的肝脏组织。此外，3D打印技术还应用于放射性粒子植入的术前规划，肿瘤内科研究转移病灶及评估药物敏感性，整形外科术前规划及术中指导，用于教学、手术模拟、优化手术方案的医学模型设计，医疗器械制造等。

3 3D打印技术在耳鼻咽喉科的应用

3.1耳科学 临床耳鼻咽喉科医生对耳缺损、小耳畸形等进行了大量的研究，制造出3D打印耳廓支架、仿生耳、3D耳模等。现阶段在组织工程领域，3D打印技术可打印出种植细胞的支架。目前主要用于支架的高分子材料为聚甲基丙烯酸甲酯、聚己内酯(polycaprolactone，PCL)、透明质酸。现已有Medpor耳廓支架、Chetty等发现的人工耳廓支架、POSS-PCU纳米复合人工耳支架等。支架形成后可加入种子细胞的蛋白凝胶成型，制作出组织模型。周小柳等[8]在Tanzer自体肋软骨制备耳支架的基础上实现了对个性化耳廓的设计及植入，且术后满意度评分与正常耳几乎相同。唐玲等[9]利用mimics、3-matic等软件设计出3D耳模，依据耳模切削肋软骨支架，制作出耳廓亚结构及颅耳角角度。Flores等[10]依据健侧耳及周围解剖结构数据，用数字化处理及倒置建模得到患侧耳廓模型，并加深耳舟、三角窝等结构，使模型更加立体，后行3D打印，获得患耳精确的解剖数据，减少手术时间，减小术后双耳外形差异。Jung等[11]利用三维重建技术，基于未受影响侧耳的CT图像，用PCL为原料对三维支架行三维打印，可在解剖、外形、耳部功能及稳定性等方面有明显优势。目前耳廓整形方法较多，但自体肋软骨作为耳廓支架进行耳廓再造仍是主流[8]。张君莉等[12]利用3D打印技术对低温热塑板耳罩进行改良，使其在重量、体积等方面有明显进步，且透气性好、贴合性更强，明显改善患者睡眠质量。

除打印耳廓及耳罩外，助听器利用3D打印技术能缩短制造时间、简化制作工序，仅需扫描、建模、打印即可完成。3D打印个性化听骨链可以恢复患者传音通路。3D打印患侧中耳及内耳模型，术前行模拟手术，术中指导进路，避免损伤重要神经和血管。3D打印鼓膜可避免鼓膜修补术中的额外切口。Kuru等[13]打印出颞骨、听小骨和软组织，并人工设计出外耳道、鼓室和内耳，按照解剖位置组合成模型，测量镫骨底板对声音的反应，行声导抗测试，结果均提示三维模型的中耳听力特性与正常人相同。Bradel等[14]建立中耳高分辨率组织学三维模型，为听小骨及周围软组织、骨组织以及鼓室内精细的连接韧带提供更准确的描述(包括血管系统、软骨区域等)。颞骨3D模型也被作为术前计划和模拟修复鼓膜缺损上皮的辅助工具[15]。Kozin等[16]打印出比颞肌筋膜更不易变形的3D鼓膜，避免鼓膜修补患者术中的额外切口，减少术后并发症。

3.2鼻科学 3D打印技术在鼻科学方面的应用集中于鼻缺损、鼻整形、鼻窦颅底等恶性肿瘤切除术及术后恢复。利用激光扫描3D技术采集数据，经3D SMAX和Geomagic软件获得理想的鼻部三维立体图像，制作出用于术中指导手术操作的模型[17]。查洋等[18]使用Mimics等软件打印出鼻窦三维模型，展示各个气房引流口的精确位置，有助于学习以鼻窦引流为导向的手术理念。

Onerci等[19]利用3D打印技术精准显示21例鼻中隔穿孔患者的穿孔部位，并制作相应的医用硅胶修补穿孔。同年，报道称3D打印出的鼻中隔假体在修补鼻中隔穿孔的治愈率为90%。Gray等[20]利用CAD和3D打印技术打印缺损的鼻部模型，完成术前评估及模拟手术过程。Yen等[21]采用CAD和3D打印技术打印出半鼻部畸形患者鼻部的轮廓和框架导轨，得到的三维鼻部重建结构与原始结构具有较大的对称性。Kim等[22]评估了使用3D印刷PCL支架植入鱼胶蛋白/软骨细胞作为鼻整形术背部增强材料的可行性，且无术后并发症，并提出此支架可能是鼻整形业中较强的生物相容性材料。Yi等[23]将含有人脂肪干细胞的软骨源性水凝胶注入具有八面体内部结构的植入物中，产生工程化的鼻软骨植入物，将此植入物植入小鼠皮下，观察到其在12周内保持了完好的形状和结构，并形成软骨组织。de Crescenzio和Ciocca带领的意大利研究小组建立了“耳朵和鼻子的文库”，当临床医生遇到有相关病例时，可从此数据库中选择最合适的方案[24]。

针对鼻腔鼻窦恶性肿瘤，可在术前行三维建模及3D打印模型，立体显示鼻窦颅底和眶内等部位的病变，做到术前全面精确地评估病变区域，制定个性化的手术入路及保留重要结构的手术方式，术中缩短手术时间。对于缺损组织的颅底眶壁等修补，通过三维模型可以确定修补材料、大小及立体形状，真正做到术前“心中有数”。谷佳等[25]使用3D打印技术联合影像导航技术辅助内镜行鼻颅底肿瘤切除，可在术前设计理想手术入路，降低手术并发症等。吴昆旻等[26]通过对上颌窦及其周围结构的三维重建，获得鼻窦恶性肿瘤患者上颌窦切除术及术后缺损修复重建相关的解剖参数，应用3D打印技术修复重建上颌骨及眶壁等结构，有效缩短手术时间,减少避免并发症,获得良好的框架结构重建、生理功能的保留和恢复。Huang等[27]对大腺瘤患者行3D打印，显示出蝶窦解剖结构和肿瘤复杂的位置，并行鼻内镜下鼻内入路大腺瘤切除术，帮助患者获得良好的预后。

3.3咽喉科学 目前3D打印技术在咽喉科主要应用于手术器械研发及优化、喉关节构建、阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征(obstructive sleep apnea hypopnea syndrome，OSAHS)治疗。张恒一等[28]通过明胶(gelatin，GT)或PCL静电纺纳米纤维膜——3D打印PLCL支架复合物构建“C”形环状软骨，表明GT/PCL静电纺纳米纤维膜是构建组织工程气管软骨的理想材料，为今后利用组织工程技术行3D打印喉软骨、气管、支气管等内移植物提供了实验依据。有文献报道，对OSAHS患者行3D打印头颅模型，可全面评估病情，准确判断阻塞部位，有利于术前在模型上弯制牵引器，使其与骨面更贴合，于术中指导手术准确定位，缩短手术时间等。Goldstein等[29]进行了体外和体内动物实验研究，创建了用于喉气管重建的3D生物打印移植物。

大连医科大学附属二院耳鼻喉科王吉喆主任利用mimics和Ansys等软件对可视支撑喉镜行三维模型建立及生物力学分析，通过3D打印技术打印出更符合人体工学的支撑喉镜，并申请专利。此外，3D打印技术的手术牵开器、正颌矫正器、为OSAHS患者制作的口内阻鼾器等已应用于临床。

3.4耳鼻咽喉科药物 在耳鼻咽喉科，鼻腔黏膜被认为是吸收药物的途径之一，故可制造依靠探测鼻腔黏膜处药物浓度定量释放药物的填塞物。随着打印技术的发展，研究者将研发根据体内炎症介质、肿瘤因子的浓度而释放药物的胶囊，目前已有内部呈多孔状的3D打印药物问世。近来基于高分辨率纳米打印技术的基因打印已研发成功，若实现基因芯片的批量生产，喉癌、鼻咽癌、过敏性鼻炎等疾病的诊治将拥有光明前景。

3.5耳鼻咽喉科教学 耳鼻咽喉科解剖结构复杂难懂，临床教学中对教学模型及教学技术的依赖性高。3D打印的颞骨和鼻窦三维模型有助于解剖教学，可使学生们直观立体地了解神经、血管等走形及各部分的相互嵌合关系；有助于临床医生的手术技能训练，如乳突根治术、鼻窦开放术等，增强其触觉输入，熟练掌握术中所遇到的正常或异常组织，减少手术并发症，缩短手术时间等。有文献证明3D打印模型对颞骨模拟训练以及对小耳畸形和鼻内窥镜手术的培训是有效的[30-31],Barber等[32]通过3D打印技术制作耳内镜手术模型,董栋等[33]利用FDM打印出可供鼻内镜训练与教学的鼻腔鼻窦仿真模型,并进行检验与评估，结果令人满意；3D打印技术也有利于耳鼻喉科复杂病例的术前规划和制定个体化治疗方案，以及术中模拟病变部位等[34]。针对细小的解剖结构，可利用3D打印的放大功能；还可针对同一解剖部位，建立正常和病变解剖的对比，使学生对病理结构更加了解。Chiesa等[35]创建鼻出血训练3D模型，可在该模型中通过鼻腔填塞材料识别和治疗出血源，以便更好地了解疾病和治疗过程。

此外，还可结合临床教学建立耳鼻喉科典型病例数据库，学生可在此数据库中对疾病从病史到治疗有系统地认识并模拟实践等。

4 小 结

3D打印技术作为新兴的技术，在医学中的应用愈加广泛，但现阶段还面临打印材料缺乏且单调、从设计到打印过程复杂、打印精度差、打印成本投入高、广泛实施困难、缺乏对照研究、个性化植入物质量控制困难等问题；在3D生物打印方面，还存在新型支架材料研发困难，细胞活性及生理功能、器官组织相容性差，打印物与周围组织的氧气、血液输送难以建立连接等问题，无法真正实现人体组织器官的原位修复；3D打印的伦理法律、相关机构批准管理未到位等问题。目前我国已建成完整的国家3D打印技术体系，相信通过3D打印技术与计算机软件技术以及组织工程技术相结合，在不久的未来，上述问题均会逐一得到解决，从而实现组织器官的原位修复及替代。