浙江省腫瘤醫(yī)院&浙大：《nature communications》打造全新3D打印肝臟模型

來源： 浙江省腫瘤醫(yī)院新聞中心

近日，浙江省腫瘤醫(yī)院肝膽胰外科張宇華教授課題組攜手浙江大學趙騫/吳晶軍教授團隊共同研發(fā)了一種高度個性化的新型軟性3D打印肝臟模型，有助于進一步提升手術的精準性和安全性。該研究獲國際3D打印專家的支持，研究成果發(fā)表于國際學術期刊nature communications。

現有的術前評估和規(guī)劃主要依賴二維影像（CT/MRI）及三維可視化技術，但存在一定的局限性。例如，三維重建模型僅能在二維屏幕上展示，只具備整體旋轉功能，無法模擬真實手術過程中肝臟由于游離、牽拉等操作引起的局部形變。相比之下，3D打印實物模型不但可以直觀展示肝臟內部的脈管結構和病灶，外科醫(yī)生還可以通過觸摸、旋轉、擠壓、牽拉等方式全面了解不同形態(tài)下各個結構的空間位置關系，為解決實時場景中的問題提供了有力支持。

然而，目前的肝臟3D打印模型模量遠高于真實肝臟，相差1~2個數量級，質地與真實肝臟相去甚遠。此外，這些模型只能進行一次性切割，成本高昂，消耗巨大，大大限制了它們在實際臨床實踐中的應用。

近日，浙江省腫瘤醫(yī)院肝膽胰外科張宇華教授團隊攜手浙江大學趙騫/吳晶軍教授團隊在Nature Communications（綜合性期刊一區(qū)TOP，IF=16.6）雜志在線發(fā)表了題為“3D printing of self-healing personalized liver models for surgical training and pre- operative planning”的研究成果。通過改良3D打印材料及方法，研究團隊共同研發(fā)了一種高度個性化的新型軟性3D打印肝臟模型，其模量接近真實肝臟。該模型在進行切割后能夠在室溫下迅速修復，支持反復多次切除，有望解決目前存在的痛點問題，推動3D打印實物模型在肝臟外科實踐中的應用，進一步提升手術的精準性和安全性。

張宇華教授與趙騫/吳晶軍教授團隊合作基礎深厚，長期致力于醫(yī)工交叉領域的研究，先后合作發(fā)表多篇SCI文章。在雙方日常溝通討論中，張宇華教授指出目前3D打印肝臟模型存在的一些問題，而趙騫/吳晶軍教授則從化學材料的角度出發(fā)，提出了相應的解決辦法。趙騫/吳晶軍教授團隊提出高仿真肝臟模型的彈性體樹脂的材料設計需同時滿足以下特點：模量/粘彈性等力學性能可調、高效的室溫自修復性能、快速光固化、無需復雜化學及成本低。

他們選擇兩種常見的丙烯酸酯單體作為打印前驅液，發(fā)現固化后的彈性體能較好地模擬肝臟的生物力學特征。結合CT三維成像技術和數字光投影3D打印，實現了3D打印肝臟模型的快速個性化定制。由于不含有化學交聯劑，線性的高分子拓撲結構更有利于鏈段的自由運動及相應的自修復行為，適合用于制作自修復肝臟模型。

（自修復彈性體設計及力學性能）

自修復肝臟模型的制作包括CT掃描、三維數字模型構建以及3D實物模型打印，在不斷優(yōu)化的流程下，現在成功制作一個模型僅需1-2天的時間。普通外科手術刀和超聲刀均可在模型上進行切割，修復后的模型能夠迅速恢復至初始狀態(tài)，具備耐受牽拉、扭曲等操作的能力，而這些操作引起的內部管道形變也與真實肝臟的形變相近。

（自修復肝臟模型制作過程及自修復性能）

局部切除和解剖性肝切除是臨床實踐中最常用的兩種手術方式，張宇華醫(yī)生團隊在自修復肝臟模型上進行了相應的測試。結果顯示，通過切割-修復-再切割的方法，醫(yī)生在模型上可以進行反復試錯，不斷探索最佳的手術路徑。在兩種場景下，最終均能夠實現腫瘤的完整切除，并保護關鍵解剖結構免受損傷。

（肝臟兩種常見手術方式模擬）

為了初步探索自修復肝臟模型在臨床實踐中的應用價值，張宇華醫(yī)生團隊展開了一項探索性的臨床研究。借助前述的流程優(yōu)化，趙騫/吳晶軍教授團隊能夠在患者完成術前CT檢查后快速制作自修復肝臟模型。在獲得模型后，張宇華醫(yī)生團隊首先在模型上進行模擬手術，通過切割-修復-再切割的不斷試錯，探索最佳手術路徑，并結合常規(guī)的術前評估（CT/MRI影像和三維重建模型），制定最佳手術方案。初步結果表明，自修復肝臟模型的引入降低了術中意外情況的發(fā)生，進一步提升了手術的安全性。

（自修復模型模擬手術和真實手術）

在本研究的發(fā)表過程中，受益于多位審稿人提供的寶貴意見和建議。值得一提的是，其中一位審稿人是來自希臘亞里士多德大學的Georgios Tsoulfas教授，他是《3D Printing: Applications in Medicine and Surgery》一書的編輯。本研究結果得到了國際3D打印專家同行的支持，標志著我們的研究達到了國際前沿水平。同時，研究團隊基于該項研究成功獲批了2024年度浙江省“尖兵”“領雁”研發(fā)攻關計劃項目，相關專利也正在申請過程中。我們希望將這些成果進一步推進，促使3D打印實物模型在外科手術中得到更廣泛的應用。