【科普知識】3D打印——醫療健康篇_上海長肯供

3D打印作為(wei) 一項醫療輔助技術，日益成為(wei) 未來臨(lin) 床醫學發展的關(guan) 鍵技術之一，受到醫學界的廣泛關(guan) 注。伴隨計算機軟硬件、醫學影像及其後處理技術的飛速發展，借助於(yu) 3D打印技術終可快速實現各種個(ge) 體(ti) 化醫學模型、手術導板、康複輔具、以及骨科/口腔植入物產(chan) 品的製造，有助於(yu) 實現臨(lin) 床手術的個(ge) 體(ti) 化、化治療，服務於(yu) 臨(lin) 床多個(ge) 科室。此外，3D打印技術在醫患溝通、醫學教育等諸多方麵也有望發揮*的重要作用。目前，*各國都將醫學3D打印技術作為(wei) 推動醫學和經濟發展的重要動力，而進行積極投入，並獲得重要成果。

3D打印技術在生物醫學領域的應用可大致分為(wei) 以下幾個(ge) 方麵：

1.3D打印個(ge) 性化診斷或手術規劃模型，它們(men) 通常不與(yu) 人體(ti) 接觸，臨(lin) 床應用風險小；

2.3D打印個(ge) 性化手術導板或外用康複器具等，它們(men) 與(yu) 人體(ti) 短期接觸，材料不能引起皮膚過敏、急性毒性等，臨(lin) 床使用風險較小；

3.3D打印植入器械如骨科關(guan) 節假體(ti) 、鈦板、骨填充材料等，它們(men) 屬於(yu) 長期植入人體(ti) 的醫療器械產(chan) 品，臨(lin) 床使用風險較高；

4.3D打印組織工程產(chan) 品或組織器官。可利用3D打印技術打印多孔可降解支架材料，再複合細胞和生長因子等形成具有生物活性的組織工程產(chan) 品，也可以直接層層打印細胞或細胞材料複合物形成組織器官，如3D打印血管、肝髒、腎髒等。

一、3D打印個(ge) 性化診斷或手術規劃模型

醫生手術前通過CT、核磁共振（MRI）等設備獲取患者的影像數據，然後據此進行病患診斷和手術規劃，但是這些醫學影像數據都是二維的，不夠直觀。如果利用軟件將二維數據轉成三維數據，再通過3D打印機打印出三維模型，相比二維醫學影像數據，三維模型更加逼真和直觀，醫生和病人可以直接觸摸操作，既可輔助醫生進行的三維測量、手術規劃和模擬手術操作以提升手術的成功率，也方便醫生與(yu) 患者就手術方案進行直觀的溝通，特別是對於(yu) 難度大、風險高的手術，3D打印術前診斷和手術規劃模型尤為(wei) 重要。

（補充案例）
       2013年4月9日，日本一家醫院的醫生先使用刀具切割了一個(ge) 由3D打印機打印的患者肝髒的三維複製品。這個(ge) 模型幫助醫生計算出如何切割肝髒，並成功的進行了肝髒移植手術.先天性心髒缺陷是出生缺陷中常見的類型，每年有近1％的新生嬰兒(er) 有此類問題。對嬰幼兒(er) 進行心髒手術要求醫生在一個(ge) 還沒有*長成的小而精致的器官的內(nei) 部操作，難度非常高。在美國肯塔基Louisville的Kosair兒(er) 童醫院，心髒外科醫生Erle Austin在對一個(ge) 患有心髒病的幼兒(er) 進行複雜的手術之前，用3D打印的模型規劃和實驗，保障了手術的成功完成。

     3D打印醫學模型可采用熔融擠出沉積成型（FDM）、立體(ti) 光固化（SLA）、選擇性激光燒結（SLS）、粉末噴墨粘結（3DP）等3D打印技術。FDM 3D打印設備和材料費用較低，可選用的材料包括ABS、PLA等高分子材料，有多種顏色可選，但缺點是打印精度不高，打印速度較慢，去除支撐等後處理工作複雜，表麵比較粗糙。SLA 3D打印設備價(jia) 格適中，打印速度和精度較高，但是采用的光敏樹脂材料價(jia) 格較貴，對環境有一定汙染。SLS 3D打印設備價(jia) 格較貴，打印速度和精度較高，不需要支撐結構，後處理較簡單，打印的尼龍材料韌性較好，但是顏色單一。3DP技術設備價(jia) 格適中，打印速度快，可打印多彩色模型，缺點是采用的石膏粉末材料太脆，打印強度偏差，需要後處理加強等。

二、3D打印個(ge) 性化手術導板或外用康複器具

手術導板是將手術規劃方案準確的在手術中實施的輔助手術工具。例如在外科手術中，醫生通過預先設計出的手術導板可以控製植入器械的放置位置和角度，實現植入器械的安裝，也可以準確定位需要截骨的位置和方向，以實現病灶部位的切除。傳(chuan) 統手術需要憑借醫生的經驗進行，而借助3D打印手術導板，可降低手術難度，提高手術度，使得年輕醫生也可以進行一些複雜的外科手術。3D打印手術導板根據應用領域的不同可分為(wei) 關(guan) 節假體(ti) 安置導板、脊柱定位導板、口腔種植體(ti) 導板、截骨導板等，設計過程需要借助軟件在手術部位三維模型中做出標記線，通過逆向工程得到可貼附於(yu) 需要手術的人體(ti) 組織表麵的導板3D模型，終通過3D的打印設備將導板打印出來。

     以3D打印錐體(ti) 內(nei) 固定置釘導板為(wei) 例，首先對目標椎體(ti) 進行三維CT薄層掃描，掃描層厚在1mm左右，以Dicom格式保存。將Dicom格式文件導入3D圖像生成及編輯處理軟件，生成目標椎體(ti) 的三維模型，以STL格式導出。導入逆向工程軟件等，設計置釘通道，提取椎板、棘突及關(guan) 節突後麵的表麵解剖形態，建立與(yu) 其解剖形態相一致的反向模板。將置釘通道與(yu) 模板擬合成一體(ti) ，即形成帶有導向孔的導航模板，以STL格式保存。後導入3D打印機，打印出椎體(ti) 模型及置釘導板。
 

FDM 技術、SLA技術和SLS技術都可以用於(yu) 手術導板的製作，各有優(you) 缺點，通常來說FDM技術適合於(yu) 精度要求不高的領域，且因為(wei) 強度差，不適合製作厚度較薄的導板，易在手術過程中發生導板斷裂和變形；SLA技術打印精度高，具有一定的強度，適合打印體(ti) 積較小、高精度和需要一定強度的手術導板，如口腔種植導板等；也可以采用選擇性激光熔融技術（SLM）製備金屬導板，優(you) 點是打印導板的精度高、強度*，尤其適合加工直接引導鑽頭、擺鋸甚至骨刀的手術導板，但是打印設備和耗材成本較高。實際使用時，需要根據使用領域和性能要求綜合考慮需要采用的3D打印技術和材料。

三、3D打印個(ge) 性化康複器具

假肢、助聽器、矯正器具等康複醫療器械同樣具有小批量、定製化的需求，並且它們(men) 的設計具備複雜性，傳(chuan) 統數控機床受到加工角度等因素的限製往往難以實現。利用3D打印技術有望降低單個(ge) 定製化康複輔具的製作成本，以假肢舉(ju) 例，利用3D打印技術製作童假肢，成本僅(jin) 有幾百美元，而常規的假肢價(jia) 格高達數萬(wan) 美元。在兒(er) 童的成長中需要多次更換假肢，如果購買(mai) 傳(chuan) 統的假肢將會(hui) 給家庭帶來沉重負擔。

四、3D打印骨科植入或口腔器械

利用3D打印技術可直接製備鈦合金、鈷鉻鉬合金的植入器械，如3D打印的鈦合金骨盆假體(ti) 、脊柱融合器、3D打印鈷鉻鉬合金牙冠等均已經實現臨(lin) 床應用。利用3D打印技術除了可製備複雜外形的植入器械外，還可以製備*連通的多孔結構，用在骨科植入器械領域，可促進周圍骨組織長入孔隙內(nei) 部，提高植入器械與(yu) 周圍組織的結合力。

五、3D打印組織工程產(chan) 品或器官

Boland等於(yu) 2003 年提出“細胞打印”技術的概念,該技術突破了傳(chuan) 統組織工程技術空間分辨率低的局限性 ,可控製細胞的分布。在“細胞打印”過程中 ,細胞(或細胞聚集體(ti) )與(yu) 溶膠(水凝膠的前驅體(ti) )同時置於(yu) 打印機的噴頭中,由計算機控製含細胞液滴的沉積位置 ,在的位置逐點打印 ,在打印完一層的基礎上繼續打印另一層 ,層層疊加形成三維多細胞/凝膠體(ti) 係.