3D打印技术在妇产科的应用现状及潜力

邹运，刘晓巍

(首都医科大学附属北京妇产医院/北京妇幼保健院产三科，北京 100026)

3D打印技术，又称为增材制造技术或快速成型技术，是一种基于数字信号，应用粉末状或液态金属、塑料等黏性材料，采用喷射、挤压、熔融、烧结、光固化等方式逐层堆积快速制造实体器件的制造技术[1-2]。3D打印技术按照所用材料不同可以分为金属打印和非金属打印两大类；按照成型工艺不同可以分为选择激性光烧结、选择性激光熔融、电子束熔融、熔融堆积成型、立体光固化成型和分层实体制造等[3]。

自20世纪80年代以来，3D打印技术逐渐开始应用于各个领域，而随着Hull等在1984年第一次利用计算机建模并3D打印出实体器件标志着3D打印技术的诞生[1-2]。近年来，3D打印技术广泛应用于医药相关的各个方面，特别是应用于骨科、口腔颌面外科、耳鼻咽喉头颈外科、泌尿外科疾病的辅助诊断、术前设计及手术模拟等[4-7]，与传统手术相比，该技术的出血量少、手术时间短、切除范围更准确。因此，3D打印技术精准、直观、高仿真、可操作等优势也逐渐得到广大临床医师的认可。3D打印技术在妇产科领域也进行了多项尝试，如医学设备制造，疾病的辅助诊断、术前设计、模拟手术，医学教育，生物工程等。现就3D打印技术在妇产科领域的应用进展进行综述。

1 3D打印在妇产科医疗设备个性化制造中的应用

3D打印技术因材料来源多样、成型速度快、分辨率高、准确性好、可靠性强和可重复性等优势，在制造医疗设备方面被广泛应用，如手术工具、导向装置、剂量输送装置、植入物等[8-12]。目前，3D打印技术在妇产科的手术和治疗工具的制造中也有一些初步尝试，如Stitely和Paterson[13]将3D打印圆柱形连接管应用于扩清术，解决了术中器械匹配不良的问题，并取得了较好的手术效果；Barsky等[14]应用3D打印定制硅胶子宫托治疗无匹配子宫托的盆腔器官脱垂、压力性尿失禁和宫颈机能不全的患者；Hakim等[15]设计了一种3D打印阴道扩张器来量化评估猪阴道组织拉伸过程中的生物力学变化，进而探究阴道伤口愈合的机械转导和阴道疾病的无创评估；Acién等[16]则根据患者特点定制3D打印阴道假体来治疗Rokitansky综合征、睾丸女性化综合征等先天性阴道发育异常疾病，定制假体实现了解剖和功能的双重替代，取得了较为满意的效果。此外，Gruijthuijsen等[17]应用该技术在定制胎儿镜中进行了初步尝试。

3D打印用于医疗设备制造主要解决了一些新型设备不能批量生产的问题，满足个性化医疗需求的同时，还可快速制造器件，节省开模成本。但妇产科定制个性化医疗设备的质量和安全性还有待进一步验证，需要相关行业标准进行规范。同时，该技术的广泛应用还必须考虑打印的可行性和技术、材料成本问题。

2 3D打印在妇产科疾病诊疗中的应用

3D打印技术的数据来源于影像学，且更具直观、可视、立体的特性，可以帮助临床医师清晰准确地评估患者病情。人体解剖学存在个体差异，而3D打印模型可以高度还原真实的个体解剖结构，便于制订手术计划和进行模拟手术。因此，3D打印技术对传统影像学手段诊断困难的疾病(如胎儿畸形的产前诊断)具有明显优势。

2.1疾病辅助诊断 对于评估胎儿在宫内的情况，特别是可疑存在结构异常性疾病时，其诊断和治疗决策高度依赖于影像学检查，但目前影像学多为二维平面图像，因此诊断存在一定难度。VanKoevering等[18]应用3D打印胎儿颌面部解剖模型进行产前诊断，评估唇腭裂胎儿的气道阻塞情况，并制定了正确的治疗方案，避免了不必要的引产，获得了较好的预后；Haba等[19]将孕期磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)数据进行3D打印，测量胎儿骨骼各维度径线，以评估胎儿发育的情况；还有研究通过对胎儿的超声、CT和MRI数据进行3D打印来产前诊断连体儿、脑膨出、骶尾部畸胎瘤、颈部淋巴管瘤、软骨发育不全、前脑无裂、阿佩尔综合征、股骨发育不全等胎儿畸形，以确定是否需要终止妊娠以及预判胎儿预后，并尝试根据打印模型对胎儿父母提供遗传咨询服务[20-22]；Ruedinger等[23]将4D Flow MRI与基于胎儿超声心动数据的3D打印技术相结合，为研究正常和异常胎儿心脏内血流模式以及评估形态变化对心脏内血流的影响提供了新的方式；Sandrini等[24]则应用micro-CT数据对胎儿的心脏解剖结构进行等比例以及放大5倍的3D打印，以达到诊断法洛四联症、左心发育不全、右心室双出口、房室间隔缺损等胎儿先天心脏畸形的目的；Huang等[25]对比基于时间-空间相关成像技术超声数据的胎儿3D打印模型与超声心动图或尸检测量数据，从尺寸精度和效果精度两方面进一步证实了3D打印技术的准确性和可靠性；此外，对于双胎输血综合征患者胎盘血管的定位上，3D打印技术也起到了一定的辅助作用[26]。

2.2术前计划和模拟手术 3D打印技术也广泛用于妇产科手术的术前计划和模拟手术。Baek等[27]制作了3D打印子宫模型来评估宫颈癌患者肿瘤的体积和轮廓特征，以确定最佳的手术范围，尽可能地保留生育功能，同时模拟了手术过程，最终使患者获得了满意的预后；而Li等[28]进一步将宫颈癌患者的盆腔自主神经及其相关器官的MRI数据三维重建，高度还原神经分布及与周围器官的解剖关系，以期将3D技术应用于保留神经宫颈癌根治术的神经导航；Chen等[29]则应用3D打印模型对2例胎盘植入的患者进行剖宫产及子宫切除术的术前指导，制定手术计划，使得手术时间缩短，出血量减少。Wang等[30]应用3D打印技术来评估1例双阴道、双子宫患者的生殖器解剖结构，并指导宫腔镜下子宫和阴道纵隔的切除，结果显示手术效果良好，患者于6个月后自然受孕；Towner等[31]尝试将3D打印技术应用于子宫肌瘤剔除术的手术模拟。对于术前计划和模拟手术，3D打印技术可以优化影像学的辅助功能，个性化地展现患者的真实解剖结构，帮助手术医师更准确、快速地完成手术。

2.3模型误差及存在的问题 对于3D打印辅助术前设计或模拟手术，误差和精度是临床医师最关注的问题。有研究显示，熔融堆积成型、立体光固化成型等打印技术所制作的医学模型空间误差为1.19～2.22 mm[32]，最大绝对误差和相对误差分别为0.45 mm和1.10%[12]，这一误差范围符合临床要求。但目前3D打印技术还面临诸多挑战：①应用3D打印进行术前计划和模拟手术的精度标准、行业规范尚未统一，均处于尝试和个案报道阶段。而由于打印设备、打印技术和打印材料的多样性，精度和质量参差不齐。另外，一些3D打印设备虽然具备较好的工业参数和精度，但该类设备和所需打印耗材成本也相对较高。②目前专职的医工交互人才较少，重建图像和制造模型不能满足医疗需求。同时，与市售批量生产的产品相比，3D打印个性化医学模型缺乏严格的测试和评价，可靠性差。③并非所有妇产科疾病都需要采用该技术进行辅助诊疗，3D打印技术仅适用于诊断困难或手术复杂的患者。

3 3D打印在妇产科教学中的应用

近年来医患关系紧张使低年资医师缺乏临床实践操作的机会，而3D打印技术为解决该问题提供了新思路[7，33]。Maneas等[34]应用凝胶蜡材料制作基于胎儿胎盘解剖结构的3D打印模型来创建胎儿特异性超声体模，用来模拟超声检查。凝胶蜡是具有可广泛调节的超声特性和机械特性的材料，可以满足制作用于超声训练模型的需要。Balaya等[35]应用3D技术制作了女性骨盆解剖模型，应用于医学教学，利用逼真且可以交互式的3D矢量模型可以清晰地提取并学习任何单独的女性盆腔器官。Bartellas等[36]将3D打印出血的宫颈癌模型应用于缝合教学，运用不同材料进行混合打印，以达到仿真的效果，且成本较低；Goudie等[37]应用12种不同有机硅材料制作了产后会阴裂伤的3D打印模型应用于青年医师的缝合训练，与传统的商业模型相比其价格低廉，而相较于传统的牛舌或合成海绵等缝合模型，3D打印硅胶模型的视觉体验更逼真；Comeau等[38]则应用3D打印硅胶阴道硅胶模型来模拟性侵犯后的阴道裂伤缝合，同样获得了高度真实的训练感受。Nikitichev等[39]和Poulsen等[40]利用3D技术重建了胎盘模型，观察胎盘脉管系统的分布，以研究胎盘功能和进行胎盘脉管相关疾病的教学。3D打印技术也被用于胎儿先天性心脏畸形的教学训练，且学习效果优于单纯时间-空间相关成像技术超声的训练[41]。此外，3D打印技术还用于濒死剖宫产、腹腔镜下子宫肌瘤剔除等手术的模拟教学[31，42]。

对于妇产科医师的医学教育，有限的解剖标本和临床实践机会限制了年轻医师的快速成长，而3D打印技术应用的尝试为年轻医师的成长提供了高效、便捷的途径。一方面，年轻医师拥有更多的操作机会，更容易熟悉解剖结构和掌握手术技巧；另一方面，年轻医师在实际操作前有充足的经验，可以减少操作错误的发生。但最主要的问题是模型与真实人体间存在细节差异，如模型的精度以及打印材料对人体组织的仿真度是未来研究的重点。因此，选择精准、可靠、合适的打印技术和材料是3D打印技术优势发挥的关键。

4 3D打印在妇产科组织工程领域的应用

最初，由于材料种类有限，且部分材料具有生物毒性，3D打印技术仅限于形态打印。随着技术的进步，越来越多具有生物相容性的材料被开发，这为该技术进一步应用于组织工程提供了可能。近年来，3D打印技术不仅被用于骨组织、软骨组织、神经组织、心脏瓣膜以及皮肤组织的再生[43-50]，也被用于妇产科组织工程领域。Laronda等[51]使用3D打印微孔水凝胶支架来制造生物卵巢假体，并探索出适合接种卵泡存活的支架微孔形状以及空隙度，高度恢复了灭菌小鼠的卵巢功能。Lee等[52]使用3D打印技术开发了一种生物相容羊膜替代装置，其由聚己内酯框架和脱细胞羊膜衍生的水凝胶组成，用于恢复羊膜缺损，并且在妊娠母猪模型上得到了成功。这种羊膜替代装置为解决因行胎儿镜手术造成的医源性胎膜破裂提供了一种新的治疗方式。Souza等[53]利用磁性3D生物打印技术建立人类子宫肌层细胞环状3D体外模型，用以研究子宫对不同药物种类及剂量的收缩反应。这一新系统将作为评估人类分娩生理学的有效工具，同时实现多种药剂和条件的高通量测试。Ding等[54]通过3D生物打印制作了名为GelMA的模型来研究滋养细胞的侵袭现象，从而研究胎盘的关键功能，该模型还可以测量侵袭细胞与其他组织成分的相互作用；Tian等[55]则通过对大鼠阴道各种细胞信息的测量，获得了3D打印大鼠阴道的立体数据和空间结构信息；Alkmin等[56]应用一种通过多光子激发聚合法制造的3D打印胶原蛋白及其类似物支架来模拟卵巢癌中细胞外基质胶原蛋白高度重塑的过程，进而研究其对细胞功能的影响以及细胞基质的相互作用。这一支架具有亚纳米级的微观结构，而传统技术无法实现。

目前，3D生物打印技术应用于临床仍存在一些问题：①尚没有足够的数据证实通过3D生物打印技术建立的细胞、组织、器官可以稳定的保持生物活性并发挥相应的生物功能；②在人体中应用该技术是否存在一些难以预估的并发症(如免疫排异、生物毒性)仍不明确；③经济成本较高；④一些国家的政策法规、伦理要求等限制。

5 小结与展望

随着医学的发展，医患双方对医疗质量均有了更高的要求，而对疾病精准诊断和个性化治疗是目前追求的共同目标，3D打印技术为实现这一目标提供了新的方向。3D打印在疾病诊断、术前计划等方面的应用是基于患者影像学数据，未来应将模型打印与影像数据采集一体化，优化技术路线，通过影像医师把关，最大限度地确保模型的精准性和可靠性。此外，应加快行业标准的制定，规范医疗设备制造、疾病辅助诊断、术前设计等流程。在妇产科领域，3D生物打印已对子宫肌细胞环、卵巢生物假体和人工羊膜等进行了成功的尝试。同时，3D生物打印仍有更多潜力有待发掘，如对于因癌症等疾病需要切除卵巢、子宫或外阴等器官的患者，生物打印组织可以尝试进行器官重建，达到解剖或功能上的替代。对于孕早、中期胎膜破裂，打印生物相容支架可以被用来诱导胎膜的生长修复。此外，打印的细胞和组织可以研究疾病发生发展机制和模拟药物在人体内的作用过程，相较于实验动物与人体更接近，同时减少实验动物的使用数量。但目前3D生物打印技术在妇产科的探索还处于初级阶段，真正应用于临床仍需要深入研究。