3D打印技术助力临床医学的发展
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摘要：3d打印技术在各领域应用越来越广泛，主要应用于机械制造、航空航天、建筑、工业造型和医学等领域。该文介绍了3D打印技术在医学领域的应用，结合3D打印技术的基本原理，重点阐述了3D打印技术在手术策划、定制模板、制作个性化假体和组织工程等医学上的应用，并介绍了3D打印技术在现代医学应用上的发展。最后根据3D打印技术的特点，提出应用展望，并分析未来的发展趋势。
关键词：3D打印技术；快速成型；手术策划；组织工程
中图分类号：TP37 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）32-7323-04
3D打印技术（又称快速成型技术），其原理是采用分层加工、叠加成形的方式逐层增加材料来生成3D实体。3D打印技术可以制作任意复杂几何形状的实体，不受传统加工方法的限制，在很大程度上提升了生产效率，可以实现单件、个性化产品的快速制作。
随着3D打印技术的发展，该技术被越来越多应用于医学领域，目前商品化的技术有十几种，应用于医学领域的3D打印工艺主要有：三维印刷技术（3DP—Three-dimensional Printing）、选择性激光烧结技术（SLS—Selective Laser Sintering）、选区激光熔化技术（SLM—Selective Laser Melting）和熔融沉积造型技术（FDM—Fused Deposition Modeling）等。3DP常采用非金属粉末材料，通过逐层粘结制备零件，常用于非承重要求的零件制作。SLS的特点是可采用多种材料，如塑料、陶瓷、金属等，可用于制作定位导板模型，制件强度高，材料利用率高。SLM工艺常采用钛合金等材料，用于制备颅骨、颧骨部位缺损的、具有一定承载能力的定制化假体等。FDM工艺的材料一般是热塑性材料，如蜡、ABS树脂，常应用于制备手术策划的骨骼模板或者生物骨。
在CT图像合成三维立体图像的软件出现之前，医生通过一系列的断层扫描图像来分析病情。随着三维医学影像技术的发展，已能够根据患者的CT数据来构造三维虚拟模型来观察患处的情况，但是毕竟不如实物直观。利用患者的CT扫描数据重建患处三维CAD模型，并通过3D打印技术制作出实物模型，则可以在临床辅助诊断、复杂手术方案的确定、制作个性化假体等方面使诊断和手术修复更加直观化、实物化、具体化，因此，3D打印技术在医学领域得到了广泛的应用。
1 术前策划的应用
传统的手术治疗修复是通过X线片、CT影像学检查得到的数据，凭借医生的经验确定手术方案。而通过3D打印技术可以快速获得手术部位的数字化实体模型，供外科医生在术前确定手术方案、模拟手术过程、熟练手术操作、预计手术结果，这种方式对经验尚不丰富的医生来说更有帮助。
图1术前策划流程图，对于修复部位与原型相匹配模型设计是这项技术的难点。可以根据特定患者的CT数据来逆向建模，这样极大地减少了模型出错的可能性，有利于建立准确的患处模型。除了进行术前模拟策划，还可以通过3D打印技术模型向患者及家属详细讲解病变的复杂性及手术操作的危险性，取得患者及家属的理解与配合。
王征等将3D打印技术应用脊柱病变，发现仅凭二维图像是无法获得数字化脊柱模型的一些隐藏信息，因此3D打印对在上可以了解大量隐藏的信息，制定手术计划有极大的帮助[1，2]。Hermann Seite等人通过SL技术和真空铸造技术建立颅颌面模型。SL技术制备的软组织模型可以提高手术的规划效果，帮助外科医生在手术规划期间控制细节的操作，帮助外科医生预测和控制手术的结果[3]。
Jun-Young等人对一个左侧颌骨缺损的男孩进行下颌骨CT分析，进行数据建模，通过3D打印技术将原下颌骨模型制备出来，实验人员通过测量、模型优化设计出了修补方案[4]。Vaibhav Bagaria 等人对进行髋骨术前计划，先分割CT扫描数据进行三维重建，然后通过4.5毫米厚的钢板在模板上手术模拟，发现误差再对模板进行设计[5]。
2 手术辅助器械的应用
通常在患者的二维影像中无法获取缺损部位空间隐藏的信息，为保证使病变部位的解剖形态具体化，并根据具体的情况制作专门的辅助器械，应用3D打印技术建立需手术部分的模型，并制作与之相匹配的导板等辅助器械，可有效的保证手术的质量。
图5所示为手术辅助器械设计流程图，其中根据患处逆向CAD模型进行导板等辅助器械的设计是整个过程的关键。
Arvier应用3D打印技术复制出颅骨标本，与实际标本进行测量比较，绝对误差在0.1mm-4.66mm之间，平均误差0.85mm [6]。Bianchi对一个离体下颌骨CT断层扫描三维重建，根据重建数据用SL法制作了该下颌骨的复制品，其精度令人满意，总体误差在0-4.03%，且解剖细节清楚[7]。Christian Herlin通过3D打印技术治疗颧骨创伤畸形，使用计算机辅助外科手术模拟，在颧骨截骨上做一个定位参考模型，根据三维软组织的变化作出调整，一旦得到所需的位置，将创建的右颧骨导向定位在确定位置中，可以顺利进行手术[8]。
刘云峰等人先根据病人牙床的三维设计模型和钻孔尺寸设计出一组具有不同孔径的导板。然后通过SLS 方法制造出局部骨骼和一组导板，并将具有一定高度的不锈钢钻套与导板按孔径不同进行装配，最后对骨骼和导板的配合情况进行检查，并对导板进行局部打磨修整，使其配合良好[9]。
3 定制假体中的应用
由于患者的骨骼结构因人而异，所以根据特定患者的CT或MRI数据而来设计并制作种植体，这样极大地减少了假体制作的出错几率，实现了假体制造和植入的“个性化”。目前，3D打印技术已广泛应用于颅骨、眼眶、颌骨及牙假体、耳廓假体、人工骨盆等的个性化制作[10，11]。
图6 为定制假体设计流程图定，制化假体是根据患者自身的信息和数据制作的，对假体与身体的适配性要求很高。因此在设计过程中，不仅要精确设计缺损部位的形状，使假体可以嵌入缺损部位中，增强边缘密封性，使固位稳定，而且还要准确的设计假体的力学强度，从而保证假体的应力分布。
毛克亚等将3D打印技术应用于骨盆病变患者，根据患者骨盆CT扫描结果制造的骨盆和患者骨盆完全一致，为手术计划提供指导，预先制备骨盆重建的异体骨、重建钢板预弯或人工髋关节假体的设计，提高了治疗效果[12]。Ashleyllsl在3D打印技术应用于假肢制造方面进行了研究，采用3D打印技术制造的假肢，可以达到假肢与残肢的完全适配，而且保证了合理的应力分布[13]。王臻等设计制造出一例个体化人工半膝关节，用于半膝关节移植术[14]。张永超利用SLS法快速获得上颌骨赝复体的蜡型，对蜡型进行评估和调整后，即可制作将要戴入患者口内的成品赝复体。制作的赝复体修复后的效果突出，边缘密封性好，固位支持稳定。结果与骨移植材料的托盘填充，给出。Sekou Singare等人制备了一个钛合金下颌骨填充腔，来覆盖填充骨髓和皮质骨[15]。3D打印技术对下颌骨的对称性和重建等高线的修复的准确度是很高的，并且改进了手术规划，让定制植入也实现高效的直接重建.使用这种技术会减少操作时间，有助于减少操作错误，提高配合的精确度，高效精准的确定缺损部位的形状。
4 组织工程中的应用
在组织工程的支架制备中，3D打印技术也被广泛应用。传统技术制备的支架微结构出现无序、孔隙率不理想，3D打印技术可制备出微结构可控、连通性好、力学性能稳定的支架微结构。
图8为3D打印技术在组织工程中应用的示意图。根据器官的逆向CAD模型，进行仿生设计，对其微结构进行设计和优化，在通过3D打印技术还将不同类型的生物材料组合起来， 制备出满足机械与生物性能要求的组织工程化人工骨、人工骨肝脏等器官。
许宋锋等应用CAD和3D打印技术，结合立体编织工艺，选择胶原、壳聚糖等基质材料，在编织物内充填自固化磷酸钙骨水泥（CPC）并复合骨形态发生蛋白（BMP），固化后形成含有微孔结构的3DBF人工骨[16]。颜永年等采用自行研制的常温多头喷射成型技术，以纳米晶羟基磷灰石/胶原复合材料、复合骨生长因子BMP作为成型原料，制造出非均质、多孔结构的细胞载体框架结构。植入人体后，在体液和BMP的芡同作用下，依靠细胞载体框架结构，诱导新骨生成，并参与代谢，原有框架在新骨生长后，逐步降解[17]。郭大刚等用锶离子掺杂技术，以RP宏孔可控树脂为负模，构建出“成分可变、结构可控、性能可调”的新型Sr-BCP骨支架。宏孔直径与百分数是影响该支架强度、降解速率的重要因素。用3D打印技术制作的人工骨支架具有的突出特点是微孔的数量、大小、分布及形状可人工控制[18]。
目前，3DP技术已经在高分子材料如聚交酯（polylactide）等制造生物骨方面有了长足的发展。采用可降解聚酯材料，结合3DP制造技术可降解的羟基类复合材料制造生物骨，这样制造出的生物骨不产生局部毒理作用（10calcell toxicity）。近年来，应用3DP技术快速制造合成材料和天然材料的支架和其他复杂立体结构都是相当成功的，是迄今为止在支架制备中应用最广的一种3D打印技术[19，20]。R.Landers等人提出应用3DP技术制造水凝胶支架，得到了满意的孔隙率和良好的表面质量。美国Dayton大学的研究小组正在研究用3D打印技术方法中的LOM技术，应用羟基磷灰石（HA）/玻璃薄膜材料制造人造骨骼基体[21]；Michigan大学采用了3D打印技术方法中的SL技术，将羟基磷灰石粉末（40%的体积含量）与紫外光可固化的丙烯酸单体（60%的体积含量）混合，制造人工骨[22]。Hutmacter等采用具有热塑性且可降解的CL（polycaprolactone）材料，应用FDM技术制造生物骨[23]。
5 总结
3D打印技术根据患者的具体情况，制备手术策划模型、定制化假体等，简化了手术操作，缩短了手术时间，提高手术质量和治疗效果，减少了手术的风险。但目前3D打印技术过程制作成本仍较高，而且制备出的个体化修复体生物性能和适应性还有待深入研究。临床使用医疗3D打印模型提高术前计划和形式调制过程的质量。目前3D打印技术在组织工程领域的应用还处于初级阶段，其应用主要局限于骨组织工程领域。从理论上来讲，所有组织工程的微结构都可以用3D打印技术造出来。
随着组织工程技术研究的突飞猛进和3D打印技术的迅猛发展，还需攻克人体主要器官如骨骼、肝脏、和肾脏等的组织工程诱导成形技术的难关，并且逐步克服受到材料和设备限制等因素的影响。为使应用3D打印技术制备出的个体化修复体向真正意义上的生物功能性修复这一目标迈进，应对个体化修复体修复后的修复体的生物力学进行分析，其力学分析结果可以为以后个体化修复体的结构优化设计提供借鉴和参考，使其修复后的缺损部位达到功能和形态的完美统一。
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