【解析】3D打印技術在醫(yī)學領域中的應用

3D 打�。�技術起始于世紀年代，是一種基于三維可視化模2080型的快速堆積成型技術，通過三維掃描、計算機輔助設計三維數字化模型，并對模型進行分層和數控 編程，形成文件輸入打印機。這樣，無需模STL3D具和機械加工，打印機就可直接將金屬、塑料、3D 陶瓷、粉末、細胞、凝膠等單一或混合材料通過激光束或熱熔噴嘴等方法層層疊加，最終形成三維實體結構。

開發(fā)了第一臺商業(yè)1986Charles W. Hull 3D打印機，成功地利用光敏樹脂打印零件，與傳統(tǒng)物件制備時所需的切削雕琢技術相比，打印可極3D大地降低結構復雜產品的制造難度，具有成型精度高、分辨率高、可重復性好、易于集成、高效經濟等優(yōu)點，已逐步應用于航天、軍工、醫(yī)療、教育、建筑及電影制作等多個領域。 在醫(yī)學領域，打印技術已在醫(yī)學基礎教育、 3D科研、臨床實習及臨床實踐中均得到了廣泛的應用。

在醫(yī)學教育與臨床實習過程中，打印可將復3D雜、微細的解剖結構精確再現，便于學生對局部解剖的認識和理解，甚至進行手術模擬操作；在科研領域，打印通過模擬組織結構與微環(huán)境，進行藥3D物篩選、藥理作用、細胞間相互作用等研究；在臨床醫(yī)學領域，通過再現病損組織器官的局部解剖結構，進行術前討論，實現了個性化和微創(chuàng)治療，提高手術精確度與成功率、提高患者生活質量。

1  3D打印技術在醫(yī)學教學的應用
1.1 基礎醫(yī)學教學
人體解剖學是打印應用最多的基礎學科。人3D體解剖學是最重要的一門基礎醫(yī)學學科，其中尸體解剖又是最重要的教學手段。尸體解剖不僅實踐性強，更可使學生直觀了解人體器官結構、位置、相互關系，促進學生對人體結構與疾病關系的認識。

由于目前多數醫(yī)學院校存在教學尸體數量逐漸減少的問題，無法滿足教學需要，導致很多醫(yī)學類院校逐漸通過教學錄像、數字化三維圖像、教學模型、生物塑化標本、甚至虛擬技術輔助教學，但是這3D些都無法比尸體解剖更能滿足醫(yī)學生對解剖結構的深刻掌握。因此，利用打印制備解剖結構模型甚 3D至是標準化“人造尸體（輔artificial cadavers）” 助解剖學教學成為了近年來教學研究的熱點。 骨骼是最早也是最主要的打印對象。從仿3D真度方面來看，骨骼的顏色比較均一、硬度較大，與既有的打印材料（如石膏、樹脂等）在視覺、3D觸覺等方面非常相似；從技術層面來看，骨骼易于復制、且打印出來的模型與實際解剖結構的尺寸高度一致，并且易于保存，不易損壞；從經濟方面看，打印數據庫可供多所院�；蚩蒲袡C構進行打3D印，可實現快速批量生產，性價比很高。

因此，3D打印的顱骨（包括顳骨、腦室等）、耳蝸、脊柱、骨盆、上肢骨、下肢骨等骨性結構被充分應用于解剖學教學和臨床教學中。 隨著圖像掃描與打印精度的提高、打印材料的豐富，越來越多的高仿真解剖模型，如內臟、肌3D肉、血管、神經等都被成功打印并用于教學中。2014Monash年，澳大利亞大學人體解剖學教育中心與德國解剖模型制造商合作開發(fā)了一套人體解剖器 官的打印系統(tǒng)利用石膏、塑料等材料實現了3D，對上肢（包括手）、牙齒等器官高分辨率、高精確度、多層次的彩色打印，不僅能夠打印肢體形狀3D輪廓，還能對內部的血管、神經、肌腱等微細結構進行精確的彩色打印。

該中心又對結構更2015加復雜的眼眶進行了一系列彩色打印這些模3D，型從不同剖面展示了眼眶的復雜結構，雖然不能完全再現組織的不同質地，但是彩色打印的模型比3D真實尸體更能清晰完整地展示額神經（、視神FN）經（、淚腺神經（、滑車神經（、眼ON）LN）IV）動脈（、眼上靜脈（等復雜走行的細小OA）SOV）結構（圖。該中心還進一步探討了打印模型1A）3D的教學效果，與傳統(tǒng)尸體解剖相比，模型可使學3D生獲得更滿意的學習效果，這有可能進一步影響傳統(tǒng)的醫(yī)學教學模式。

與同樣能夠反映真實解剖結構 [6]的生物塑化標本相比較而言，打印模型的制備簡3D便、耗時少、費用低、便于批量生產，另外，打3D印模型不含有人體組織，可避免運輸、進出口限制，因此該中心擬將其用于商業(yè)銷售�？梢�，打3D印技術不僅具有突出的教學優(yōu)勢，更具有良好的商業(yè)應用價值。 雖然打印可在視覺上與實物高度一致，在色3D澤上甚至優(yōu)于實物，但眾多學者并不滿足于現狀，而是致力于高仿真打印，力求真實模擬不同組織 3D的質地和功能。

等利用石膏、硅等材料打印 O'Reilly出可以反復拆裝的下肢骨、高仿真硅膠肌肉和可灌注的股動脈（圖。這些下肢骨（包括足骨）模1B）型的內部預先包埋了磁鐵，因而便于反復拆裝，利于學生研究骨骼間的相互位置與相互作用；硅膠肌肉則很好地模擬了肌組織的柔軟質地，并能通過磁性肌腱附著于骨骼上；股動脈和股靜脈也是由硅膠制備的中空結構，在內部模擬的液流灌注可以通過超聲成像。在教學評價中，學生對此高精度、高仿真的打印模型給予了極高的評價，學生通過反復探究骨骼之間的相互位置關系，能更深刻、形象地理解足部復雜的解剖結構。從某種意義上講，打印3D有可能徹底改變解剖學的教學模式。

3D打印技術不僅在人體解剖學的教學中得到了充分的應用，在胚胎學、病理學的教學過程中，也有其應用價值。胎兒的骶尾部畸胎瘤、臍膨出、短肢發(fā)育不良等發(fā)育畸形的立體模型只需依據掃描MRI數據就能成功打印出來，而且打印時間可減至小1時，費用也可低至美元。在病理學的教學過程中，病理大體標本是非常重要的教學資源，但是病理標本通常存在較大差異，有些特殊病例標本極為稀少甚至是獨一無二的，常常沒有機會被學生認識。現在，打印就可以很好地解決這一問題。3DMahmoud等將腎癌、胰腺癌患者的術后病理標本進行了彩色模型，很好地再現腫瘤組織與周圍正常3D組織間的相互關系，甚至能清晰再現胰腺癌的侵襲前緣圖。

（1C）所有這些畸形、病理標本連同人體自然存在的解剖學變異對于學生日后的臨床實踐有很大幫助，但是由于其數量較少而難于為學生充分研究。 2015Macquarie年，澳大利亞的大學就將多年來收集到的各種變異、畸形結構的掃描數據建成數據庫，并通過打印使得該校學生有機會對這些罕見結構3D進行全方位的觀察和研究。該數據庫也對外開放，便于其他院校調取相關信息，進行遠程打印。由3D于打印機還可以實現解剖結構的放大打印，3DMacquarie大學還擬將一些在尸體解剖中無法完整暴露、難于觀察或過于細小的內耳、中耳、鼻竇等結構進行擴印，便于學生的深入學習，這也拓展了3D打印在解剖學教學的應用價值。

1.2 臨床醫(yī)學教學
醫(yī)學生在臨床見習、實習中需要通過反復的臨床操作逐步提高臨床技能和經驗，但是一些操作復雜、風險系數高、危險性大的手術（如腦室切開術、腦室外引流術、動脈瘤切除術）必須由資深醫(yī)生實施，對于實習生只能成為其見習內容，這其實并不利于其日后臨床工作的開展�，F在，打印技3D術通過打印局部病灶、模擬局部生理環(huán)境，供實習生進行充分的病例觀摩和討論、手術模擬操作，力求提高其臨床診斷與操作技能。  Ryanacrylonitrile等利用丙烯晴-丁二烯-苯乙烯（-butadiene-styrene，ABS）打印顱骨，利用明膠和瓊脂打印腦組織，使用重力驅動泵模擬顱內壓，打印出高仿真的含有“腦組織”的腦室，并在實習生和住院醫(yī)師中進行了手術模擬訓練。

學生和醫(yī)生普遍感到利用這種高仿真模型進行反復演練有助于提高其臨床技能和自信心，雖然打印的腦組織、顱內壓變化情況與實際尚有一定差距，但這種針對高風險手術開展的術前模擬操作仍為提高醫(yī)生手術技能、降低手術風險提供了有力的保證。 尸體顳骨標本是外科常用的手術訓練模型，但是尸源數量的不足嚴重影響臨床教學需求，如今，高仿真、高精度的顳骨打印模型可以很好地解決3D這一問題。目前，用于手術模擬訓練的顳骨模型多用樹脂制成，其輪廓和內部微細結構（如皮質ABS骨、骨小梁孔隙）的精度都非常好，能準確表現出外科手術標志，顏色也近乎天然，價格又非常低廉 （每件成本僅有美元）從視覺效果和仿真度 1.92，來看均高度類似天然標本，唯一遺憾的是在觸覺上尚無法表現出皮質骨和松質骨之間的硬度差異。

即便如此，使用過這種模型的實習生也對其寄予了很高的期望，學生普遍認為該模型非常適用于各類乳突根治術、后鼓室切開術及顱底手術的模擬訓練。 除了顳骨、腦室，打印的眼窩、脊柱、心3D臟、動脈瘤等模型均已用于引導學生分析病例和手術模擬訓練。與傳統(tǒng)實習模式相比，使用過打印3D模型進行實習的學生普遍認為模型的解剖結構再現性好，便于全面認識解剖結構，并能借此提早接觸臨床復雜手術操作，利于其臨床技能的提升，因而非常推崇這種新的學習模式。

2  3D打印技術在臨床和基礎研究的應用
2.1 3D打印技術在臨床的應用
外科（尤其是心外科、血管外科等）手術風險通常較大，憑借傳統(tǒng)的、等二維圖像或三維CTMRI成像容易存在視覺偏差或視角切換不力等缺憾，而3D打印可準確再現病變局部的復雜解剖結構及其空間關系，因而便于醫(yī)生做充分的術前討論、確定患者的個性化手術方案，有效提高手術效果和降低手術風險。 3D打印的室間隔缺損、房間隔缺損、二尖瓣瓣周漏，甚至室間隔缺損-大動脈轉位-肺動脈狹窄等復雜先心病模型均可精確再現局部缺損、狹窄、梗阻等解剖部位，便于醫(yī)生據此準確計算出適用于不同患者的封堵器、心內補片、自體皮瓣、支架，并選擇患者個性化手術路徑（圖簡化了手術復1D），雜度，提高了手術成功率和安全性。

打印模型3D還能準確定位患者的左心室室壁瘤、心臟神經鞘瘤的解剖位置及其與心肌的關系，使醫(yī)生既能完整切 除腫瘤，又能最大限度降低心功能受損程度。除此之外，打印的食管憩室、食管裂孔、盆腔內臟3D器、唇腭裂模型也為醫(yī)生選擇最佳手術方式提供了理論依據，有效提高手術的精確性、滿意度。 基于打印的準確性，利用聚已內酯、羥基磷3D灰石、鈦合金等組織相容性好、機械性能優(yōu)良的仿生材料對患者局部器官組織進行“量身定做”，打印個性化植入體、假體進行組織重建與修復。

目前，已經成功打印人工骨、人工關節(jié)、人工氣管、鼻/耳贗復體用于修補骨缺損、頜面部修復等。  比利時大學（利用鈦粉打印了Hasselt2011）3D一位歲女性患者的下頜骨，并于荷蘭的83Sittard-Geleen醫(yī)院為該患者成功實施了人工下頜骨移植術，患者術后天即可正常說話和進食，標志著打印技23D術成功應用于臨床實際。此后利用鈦粉、鈦合金打印假體修補骨骼缺損得以廣泛開展，目前已成功實施了人工下頜骨、牙槽骨、肩胛骨、鎖骨、肋骨、樞椎等的個性化植入。

組織相容性好的聚已內酯也被用作植入體進行 組織修復。年，等將打印的聚己內酯氣2013Zopf3D管支架植入一位患有支氣管軟化癥的嬰兒體內，該支架與氣管銜接良好，患兒術后天便可實現自主21呼吸，一年后的隨訪表明患兒的左主支氣管一切正常，并且未發(fā)生過支架相關問題。 目前，國內外已有武漢協(xié)和醫(yī)院、北京阜外醫(yī)院、美國休斯頓德克薩斯兒童醫(yī)院等多家醫(yī)院設立了專門的打印中心，便于根據患者需求訂制個性3D化植入體，以有效解決臨床實際問題。

2.2 3D打印技術在基礎研究的應用
利用組織相容性好的生物大分子仿生材料（包括聚己內酯、明膠、藻朊酸鹽等）打印出的高仿3D真生物支架具有良好的機械強度，其內部含有豐富的孔隙利于細胞的爬貼與增殖，許多體外實驗已證實貼附、種植其上的細胞能在幾周內保持較高的活性，動物體內移植實驗也顯示其與周圍組織的整合性良好，并能有效誘導軟骨等組織的再生。 但這些僅包含生物大分子的組織工程支架限制了其應用范圍的拓展，隨著打印技術的發(fā)展，活細胞（肝細胞、腎細胞、干細胞等）也可與納米纖維素、水凝膠等生物大分子及生物活性因子按生物構造被一同打印出來，直接形成“人造組織”，為醫(yī)學研究的深入提供新的理論和技術支持。

繼Gaebel 3D利用打印的間充質干細胞和內皮細胞修復心肌之后等利用聚氨酯水凝膠包裹打印，Hsieh神經干細胞，使其不僅保持良好的體外增殖與分化能力，更在斑馬魚神經損傷體內模型中表現出神經修復功能，表明打印有望使心肌、神經修復成為3D可能。 活細胞成功用于打印為未來的組織器官打印3D甚至器官移植提供了美好前景。等將內皮[29]Horváth細胞與基底膜成分逐層打印，模擬肺泡氣血屏障用于藥物測試。美國公司在該領域一直處于Organovo領先地位。

該公司于年研制成功了世界第一臺2010可利用患者自身細胞打印靜脈的生物打印機，3D2014exVive3DTM年打印了商用人體肝臟組織用于臨床前的藥物測試，年月又打印了世界上第一個20154全細胞腎組織，雖然只是把腎細胞打印成腎形，但它可以持續(xù)存活天以上，也能夠在一定程度上模14擬藥理反應，因而可用于藥物毒性和療效評價等。該公司稱商用的生物打印腎組織將在年下半年2016正式發(fā)布，對廣大腎疾患者來說不啻為一大福音。在我國，杭州電子科技大學等高校于年自主研2013發(fā)出一臺名為“的生物打印機，該打Regenovo”3D印機操作方便、打印精度高，可用于打印活細胞，并且能使細胞存活率達到、存活時間長達個90%4月。目前，這臺打印機已成功打印出人類耳軟骨組織、肝臟單元等。年，四川公司也研發(fā)2015Revotek出了血管生物打印機，使得我國制造個體功能器3D官成為可能。當然，從組織器官打印到真正應用于臨床實際還有相當長的一段路需要走。

小結與展望
3D打印以其高保真、高仿真、高精確度地重現解剖結構，展示了傳統(tǒng)工藝所無法比擬的優(yōu)勢，極大地便利了解剖學等基礎學科的教學。由于打印能夠迅速形象化不同患者、不同病3D患處的解剖特征，為術前討論、醫(yī)患交流、手術模擬提供了極大便利，有利于縮短手術時間、降低手術風險、減少患者不舒適感，也使個性化治療成為可能。三維數字模型是打印的基礎，這類數字化3D信息便于收集和分析，可實現資源共享，為其他類似病例分析提供參考資料。雖然打印尚受限于打3D印材料，其打印的生物材料可能存在組織兼容性、安全性、版權、倫理、監(jiān)管等問題，但隨著打印材料、制作工藝的發(fā)展，未來制造出理想的可應用于臨床的人造組織器官仍指日可待。

編輯：南極熊
作者：于 敏，張曙光，邵海波