3D打印技术在医学中的应用

覃丽苗，缪季峰，韦燕枝，王朋朋

（广西医科大学护理学院，广西 南宁 530000）

3D打印技术是基于聚合和离散成型思维的一种新型快速成型技术，它有别于传统意义上的打印技术，可根据数据精确计算并打印出与患者肢体吻合的假肢。随着3D打印技术的不断发展和应用，其已经渗透到各个领域。临床上，许多患者由于使用吻合度较低的假肢导致患肢皮肤磨损、破溃从而引发感染，造成患肢疼痛，大大降低了患肢使用舒适度。3D打印所用的均为生物相容性较高的材料，并且根据患者具体情况，精确、精细地打印出所需假肢，这种假肢不仅吻合度高而且完全贴合患肢，抗压性能良好，有助于患者更好地适应和使用，因此这也是它广泛应用于临床的原因。

1 3D打印技术

3D打印（Three Dimensional Printing，3DP）技术诞生于20世纪80年代末，经过研究者多年努力创新，目前，已经成为许多技术成熟的加工及成型体系中不可或缺的部分，并逐步应用于医学领域。它可根据具体要求迅速、准确、精确地打印零件或物体的实体模型[1]。

3D打印技术对传统制造业生产方法、模式、理念的革新都产生了重大影响，并逐渐向各领域渗透[2]。随着3D打印技术的不断发展，其被应用到各个领域特别是医学领域，对医学研究的不断深入和解决临床疑难问题具有重要意义。

2 医学应用

2.1 在骨科的应用

由于3D打印技术能够根据具体的骨骼数据打印出精细且稳固的模型结构，同时具有良好的力学特性，相对支撑性和承受力都较强，因此目前主要应用于骨科术前方案设计、临床教学、康复支具打印、骨科内植物和生物组织打印等方面[3]。

2.1.1 术前方案设计 由于3D打印是根据精确的数据进行材料打印，因此，临床上可根据患者的具体情况通过打印所需材料，构建1∶1实物模型。这不仅有助于术前诊断，也有助于手术方案设计、术前模拟手术。医生可以在手术前利用这些实物模型进行操作演练，并针对手术中出现的问题设计处理方案。只有通过多次体外操作训练，医生才能在手术过程中有条不紊、熟练操作，同时也能有效缩短手术时间、降低患者在手术中遇到的风险[4-5]。柳鑫等[6]选取53例髋臼骨折患者进行研究，实验组的19例患者根据CT数据打印3D模型，术前模拟手术；常规组的34例患者则按照常规方法进行手术。实验结果显示，实验组术中出血量、围手术期输血量均比常规组少，手术用时也比常规组短，大大降低了手术难度，减少了术中突发事件。

2.1.2 临床教学 对于刚刚走上临床的医生来说，由于课本知识抽象，而人体骨骼模型的可控性又低，因此临床教学就显得十分枯燥。将3D打印技术应用于临床教学不仅能让医生对该技术有所了解，同时也能提升医生临床操作与应变能力。通过3D打印并在模型上模拟手术，不仅有助于年轻医生对课本知识的吸收与利用，掌握疾病解剖变化，而且也可以让刚刚进入临床一线的医生学习新知识，收获不一样的人生感悟。这种实践教学方法能明显提高教学质量[7-8]。

李忠海等[9]将3D打印技术应用于临床教学，先介绍3D打印技术的理念和技术要点，再让学生动手打印模型加强操作练习。与传统（知识讲授和病例分析）教学方法相比，这种生动形象、动手机会多的新型教学方法不仅有助于提高实习生读片能力和疾病诊断能力，同时也能加深实习生对解剖关系和病变类型的理解，还能使其掌握新的知识与技术。此外，引入3D打印技术的教学方式更加多元化，教学效果和质量都显著提升。

2.1.3 康复支具打印 骨折术后患者都是依靠石膏、夹板、绷带等固定损伤部位，不仅限制患者的活动还容易压迫皮肤血管、减少患部血供和氧供，使肌肉失用性萎缩，不利于恢复。廖政文等[10]根据患者具体情况通过3D打印技术打印出精确且个性化的前臂矫形康复支具，该支具贴合患者生理解剖结构，佩戴起来更加舒适、透气性更好，患者满意度和舒适感明显提高。陆亮亮等[11]利用FDM技术根据患者拇指指骨的具体数据精确计算并打印出指骨骨折康复支具，和传统的骨折固定器相比，利用3D打印技术打印的拇指指骨康复支具更加贴合患者的骨骼生理构造，佩戴和使用也更加方便、美观，伸屈幅度更大，承受性能更强。因此，3D打印技术在制作康复支具方面具有巨大的优势。

2.1.4 骨科内植物打印 相对于传统的金属内植物，利用3D打印技术打印的个性化内植物与个体匹配度更高，患者术后恢复时间大大缩短，功能恢复也更快更好。而以往的研究都是通过在金属内植物中添加相应药物来刺激成骨的生成并治疗疾病[12-13]。

黄淦等[14]根据患病部位的数据将利用3D打印技术打印的钢板应用于骨盆骨折患者，结果表明，使用3D打印技术打印的钢板的骨盆骨折手术患者术中出血量比常规手术患者少，且透视次数也显著减少，术后随访发现，前者愈合时间更短，疗效更好。

2.1.5 生物组织打印 3D生物组织打印是指通过对患者自身细胞进行联合培养，从而精确地制作出患者所需的功能组织，或者直接根据数据打印所需组织或器官的先进技术[15]。Wang等[16]利用新型低温3D打印技术制作（rhBMP-2）-（Ca-P）纳米粒子/聚L-乳酸（PLLA）的组织复合支架，促进骨髓间充质干细胞增殖分化、提高细胞活力与附着能力以及成骨细胞生成。张明等[17]对原有3D打印技术进行探究，打印出了复合镁骨支架，这种复合镁骨支架具有较高的生物活性，为植入部位骨的再生及功能重建创造了许多有利条件。

2.2 在口腔科的应用

近年来3D打印技术得到了巨大发展，被广泛应用于口腔外科、修复、正畸和牙体根管预备等众多领域。从早先出现的口腔个性化外科手术导板，到最新的口腔个性化修复冠和牙根形种植体，3D打印技术在口腔医学领域的应用日益广泛，并取得了良好效果[18]。

2.2.1 口腔颌面外科 口腔颌面肿瘤术后患者的咀嚼功能和外在形象会受到很大影响。对于颌面肿瘤切除形成的骨缺损一般需要进行软硬组织重建以恢复形态和功能，相对于传统的重建钛板和移植自体骨，3D打印技术可根据骨缺损的形状进行精确打印，由于其运用的都是生物材料，因此具有更好的组织相容性。

Azuma等[19]对口腔肿瘤患者进行单侧下颌骨节段性切除，实验组预先打印下颌骨模型并弯制钛板，对照组仅采用常规方法进行治疗。结果表明，实验组患者下颌骨的对称性明显优于对照组。3D打印手术导板简化了手术操作，缩短了手术时间，同时也具有较高的手术精确度[20]。

2.2.2 口腔种植 随着经济水平的不断提高，人们对口腔唇齿的美观要求也在不断提高，因此，近年来对根形种植体的研究也在不断深入。由于3D打印技术能很好地模仿牙根，具有良好的抗旋转性，因此，被认为可以更好地模拟天然牙的传力特性和牙根的受力分布特性以及贴合牙齿生理结构。研究结果表明，将锥形束计算机断层扫描数据联合计算机辅助设计与制作（CAD/CAM）技术与3D打印技术相结合可以更好地制作个性化牙根种植体，并且在为期一年的跟踪随访中展现出良好的功能和美学特征[21]。

2.2.3 口腔修复 3D打印技术在制作口腔修复体方面与传统石蜡法相比，具有制作时间短、精度高、材料利用率高、个性化和数字化等优势，因此，得到广泛关注与巨大发展。Lee等[22]研究发现，3D打印技术在牙冠边缘和口腔内部的修复、贴合性方面明显优于CAD/CAM切削法。对上颌中切牙相关病例的研究表明，使用CAD和快速成型技术复制切牙的形态，据此制作牙冠能够解决患者咬合时舌侧不适的问题[23]。此外，3D打印技术还可打印可摘除口腔局部义齿支架和全口义齿支架模型，并可以此分析义齿精度以及与组织面的吻合度。研究表明，利用3D打印技术打印的义齿支架能很好地与组织结构吻合，满足患者需求，取得良好的临床效果[24]。

2.2.4 口腔正畸口腔矫正畸形治疗是一个复杂而漫长的过程，不仅需要事先了解患者牙齿排列情况和咬合状况并对其进行分析，还要在不同阶段制订相应的治疗方案。传统石膏印模不仅材料粗糙而且舌侧托槽的精密性及稳定性较差，不能与牙面完全贴合，粘贴不便，浪费时间。使用激光融化3D打印技术制作的个性化舌侧托槽能够完全与舌侧牙面贴合，粘接定位准确，操作简便，从临床效果来看，这种个性化舌侧托槽不易脱落，大大简化了治疗程序[25]。

2.3 在整形美容中的应用

3D打印技术在整形美容方面的应用研究还处于起步阶段。随着生活水平的不断提高，人们对外表的要求也不断提高，鼻梁过低的人会在条件允许的情况下做隆鼻手术，而目前的隆鼻手术所用的骨通常取自患者肋软骨，虽然这样不会造成排斥反应，但是精确度低且在一定程度上给患者健康造成影响。

相较于传统整形美容技术，3D打印技术能更好地满足患者需求。Honrado等[26]从医学影像和软件系统等方面证实了3D打印技术应用于面部整形美容修复的可行性。上海大学附属人民医院的医生利用Mimics软件根据患者的CT数据对其颅骨进行三维重建，运用3D打印技术制作头颅三维模型及缺损部位的下颌骨模型，并成功为23例患者进行了下颌角截骨整形术[27]。

2.4 在软组织再生中的应用

3D打印使用的材料都是生物相容性高并且含有生物降解聚合物基质的高性能材料（如生物活性陶瓷，水凝胶[28-29]等），不但可以快速成型而且精确度高，可以大大节省时间和有效利用材料。

BellaSeno（德国）、Tensive（意大利）及 Neopec（澳大利亚）等团队在软组织再生方面做了较多工作。BellaSeno及Neopec团队已经分别进入临床前和临床实验阶段并取得了令人满意的实验结果（脂肪组织生长充分、完整，无明显炎症反应）[30]。BellaSeno团队研究的PDLLA支架，脂肪组织填充率在15周后上升了25%。Neopec团队采用不可降解的PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）在女性患者身上进行了6～12个月的实验，结果显示脂肪组织生长率最高可达150%。Tensive团队已发表多项基于软组织再生支架设计的学术成果[31]，该团队使用的PAMAM（聚乙二胺）发泡支架弹性模量为4.5 kPa左右，在重复载荷作用（200次）下其模量保持稳定，且体外脂肪细胞培养结果良好。

3 发展前景

3D打印技术从提出时便受到广泛关注，至今已经取得巨大成果，3D打印技术具有精确度高，成型速度快，生物相容性较高，排异反应少，根据患者情况按需制作等优点，可满足不同患者的需求。但目前3D打印技术的应用仍不够广泛，在医学领域，仅骨科和口腔科的研究较深入，针对软组织（如血管、细胞、心脏）等方面的研究还需不断深入探索。此外，3D打印技术还有许多不足，需要不断深入研究，包括生物力学的控制、材料的选择、无菌环境的保证、抗感染的作用、打印构建物的血供和营养传输、打印构建物的长期存活等。

3D打印技术是一项有待深入研究的技术，需要广大研究者不懈努力，攻克难题，造福人类。