【解析】3D打印在醫(yī)學領域的應用進展

3D打印技術是一種根據計算機數據，將金屬粉末、光敏樹脂等可粘合材料逐層打印，最終疊加為3D實體的技術。3D打印工藝主要有3D印刷技術、選擇性激光燒結技術、選區(qū)激光熔化技術和熔融沉積造型技術等。3D打印技術具有個性化、精準化、遠程化等優(yōu)點，特別適合應用于醫(yī)學領域。3D打印技術在醫(yī)學領域中的應用很廣泛，主要包括在外科手術輔助、個性化醫(yī)療器械打印以及組織工程學、醫(yī)學教育和基礎科研等中的應用。

1.3D打印在外科手術輔助中的應用
3D打印技術可以根據術前計算機斷層掃描、核磁共振成像等影像學資料打印出病變局部的3D實體模型，使醫(yī)生全方位地了解病變局部的解剖關系，從而制定手術計劃并模擬手術過程。3D打印技術已廣泛應用于 骨外科、神經外科、整形外科等領域中。Liu等首先通 過CT數據重建了下頜骨缺損的計算機虛擬模型并3D打印了實體缺損模型和修復模型，在計算機上制定治療計劃，選擇適宜的脛骨取骨部位并確定鈦板尺寸；隨后在3D打印實體模型上進行術前模擬；最終，納入的患者對其外觀及語言功能的恢復感到滿意，同時3D打印技術也顯著提高了手術準確率，縮短了手術時間，該研究表明數字化設計和3D打印相結合有利于提高頜骨缺 損治療手術的精確性和療效。

Dennis等利用3D打印 技術進行術前模擬，成功完成了復雜的頜面部重建手術，該研究認為術前模擬對皮瓣移植和骨板接合具有重要指導作用。 醫(yī)生可以根據患者病灶的影像學數據進行導板等輔助器械的個性化設計，通過3D打印技術將其打印出來并應用于手術中。Levine等成功將3D打印技術應用于顱頜面外科手術，3D打印的個性化手術導板有效地提高了骨骼重新定位與替換的準確性，術后效果理 想。吳東迎等在人工全膝關節(jié)置換術中應用3D打印 截骨導板，發(fā)現3D打印截骨導板輔助的全膝關節(jié)置換手術的手術時間更短、出血量更少。

應用3D打印技術與數字化設計輔助復雜的外科手術有利于提高手術精度和手術成功率，并可優(yōu)化手術效果。另外，3D打印的局部病變模型可用于醫(yī)患交流，降低病人的理解難度，緩解當前日趨緊張的醫(yī)患關系。

2.3D打印在個性化醫(yī)療器械打印中的應用
3D打印技術在助聽器、義肢、義齒、新型給藥系統和個性化內植入物等醫(yī)療器械的制作方面也已得到廣泛應用。由于3D打印的助聽器可滿足不同患者的個性化需求，3D打印助聽器在歐洲的生產規(guī)模正在以每年30%的速度增加。同時，約有30000名歐洲患者使用了3D打印的定制化鈦合金義肢；相較于傳統義肢，3D打印的義肢在患者匹配度和人體工程學方面具有顯著優(yōu)勢。Bibb等經臨床實驗發(fā)現3D打印的可摘除局部義齒的功能完整、合適度高，符合患者的個性化需求，并避免傳統義齒的不確定性 與重復性。 隨著聚合物學和藥劑學的不斷發(fā)展和交叉融合，安全高效的新型給藥系統接連出現，然而，由于缺少足夠精確的控制技術，對該系統內藥物的三維位置、組成以及裝置的微觀結構的研究難以展開。而3D打印技術則有效地彌補了這一不足，現已有許多學者利用該技術進行了相關研究。Wu等應用3D打印技術進行了植入給藥系統制備研究；Katstra等應用3D打印技術進行了口服緩控釋給藥系統制備研究。

由于個體之間的骨骼存在差異性，標準化骨科植入物無法完全與患者高度貼合，易造成植入物功能受限、生物力學效果不佳和使用壽命偏短等問題。而3D打印技術可以根據不同的骨骼特征定制個性化植入物，從而避免上述問題。另一方面，3D打印技術可以打印多孔類骨小梁假體，促進假體-骨界面的骨性愈合，減少應力遮擋的發(fā)生，延長植入物使用壽命。目前已經有部分學者進行了相關臨床實驗，并取得了較為理想的實驗結果。程文俊等將3D打印的金屬髖臼杯用于9例患者，隨訪6個月，隨訪結果顯示術后植入髖臼的穩(wěn)定性佳，且有骨長入現象。Benum等用3D技術打印的股骨假體進行了兩例全髖關節(jié)置換手術，并取得較理想的療效。 3D打印技術的定制性強，在制作個性化醫(yī)療器械方面具有顯著優(yōu)勢。3D打印助聽器、義肢和義齒等的技術已經相對成熟，擁有極佳的市場前景。而應用于體內的醫(yī)療器械（如個性化內植入物）的打印尚處于實驗研究階段。3D打印技術在國內外臨床應用的報道較少，因為該技術目前還處于臨床觀察期，存在多項尚未解決的技術難題，如該如何準確打印出適合不同患者的具有不同硬度和密度的骨組織。

3.3D打印在組織工程學中的應用
3D打印在組織工程中的主要應用之一是打印組織工程支架。早期的支架構建采用傳統的鑄造技術，易造成多孔結構的孔徑大小與細胞體積不相匹配的問題，同時支架內部結構及細胞與孔徑間的連接也無法精確控制。而3D打印技術則可以較好地解決這一問題，有學者應用真空冷凍干燥技術與3D打印技術相結合的方法制作組織工程支架，以脂肪干細胞作為種子細胞進行實驗，發(fā)現3D打印支架具有較好的細胞黏附性、組織擴展性，可維持支架固有形態(tài)，抵御細胞生長對支架材料的侵蝕與擠壓。 雖然3D打印支架已取得較好的效果，但僅利用3D打印技術制備3D多孔支架難以確保細胞精確定位。

于是有學者根據所需移植器官的CT、核磁共振影像數據和生理結構信息，重構器官的幾何模型和生理特征，采用3D打印技術逐層打印天然細胞和細胞基質，從而得到具有器官幾何特征和生理功能的人工器官，即3D生物打印。3D生物打印受到了國內外科研工作者的廣泛關注，并在器官修復方面取得了一定的成績。Zopf等成功將3D打印的氣 管支架植入一名患有支氣管軟化癥的嬰兒體內，隨 訪1年，患者生活狀態(tài)良好。 3D生物打印在組織工程中是一種重要的新技術。3D生物打印起步晚，但發(fā)展迅速，國內研究水平接近國際先進水準。清華大學和杭州電子科技大學在細胞打印方面也已取得了一定的成就。3D器官打印作為3D生物打印的一個重要分支，仍面臨許多技術難題，但隨著技術的逐步發(fā)展完善，3D生物打印將會為器官修復提供新的途徑。

4.3D打印在教學和基礎科研中的應用
3D打印技術精確地打印出人體器官以及組織的3D模型，將器官組織的構造逼真而直觀地顯示出來，有利于醫(yī)學教學的進行，同時有效地解決人體管道鑄型標本耗費人體標本以及不能重復再現等問題�？捉鸷５葘�3D打印模型應用于臨床八年制的情景教學中，并進行對照實驗，結果表明八年制學員在3D打印模型的情景教學下對腫瘤大小、動脈、周圍毗鄰神經和腫瘤的邊界等認知掌握程度高于使用傳統教學法的對照組。Mcmenami等將3D打印模型應用于解剖教學，有效地避免了傳統教學中存在的經濟、健康安全和社會倫理等方面的問題，取得了較為理想的效果。

3D打印為病理學及疾病發(fā)生機制的研究提供了一個新的工具。通過打印3D實物模型可以展示病理組織的結構形態(tài)，或模擬真實人體環(huán)境中的血流動力學和組織應力應變等生物力學情況，這為研究疾病發(fā)展的生物力學機制提供了工具。過去腫瘤的體外研究局限于腫瘤細胞培養(yǎng)，而培養(yǎng)液與人體內環(huán)境有較大差別，從而限制了對腫瘤的病理發(fā)生機制及治療方法的研究，而3D打印技術的出現改善了這一現狀。Xu等以成纖維細胞和人體卵巢癌細胞為原料，利用高通量自動化細胞打印系統打印了兩種細胞的3D共培養(yǎng)模型，該模型中兩種細胞的密度和距離均受到嚴格控制，細胞在打印和增殖過程中始終保持活性，該方法為癌細胞與正常組織細胞間監(jiān)督反饋機制的研究開辟了新道路。

現今，藥物測試主要通過動物模型來完成，非人 靈長類動物基因與人類相近，但是其使用受到費用和倫理道德等因素的限制；而易獲得的實驗動物（如小鼠等）與人類生物學差異較大，所得到的實驗結果不完全適用于人類。而3D打印技術為上述問題的解決提供了可能，2014年11月，Organovo公司發(fā)布了用于臨床藥物測試的商用3D打印人體肝臟組織ex-Vive3DTM，3D打印的人體器官（如肝臟等）用于新藥測試后，不僅可以得到較為準確的測試結果，而且可以降低新藥研發(fā)成本。

5.不足與展望
雖然3D打印技術有著各種各樣的優(yōu)點，但其發(fā)展仍然受到多種因素的限制，如材料的制約：醫(yī)用3D打印材料種類受到限制，主要為水凝膠、磷酸鈣生物陶瓷材料及鈦等，且國內缺乏關于3D打印材料的標準，因此3D打印材料主要依賴進口；成本價格的制約：材料價格限制了3D打印技術的推廣，對于鈦合金等適合人體特性的金屬材料，其金屬粉末價格高達200~400美元/kg，而相應配套的3D打印設備價格從數萬元到上千萬元人民幣不等；精度的制約：組織和器官的結構復雜，繁雜的內部結構中含有多種類型的細胞，分辨率在微米級別，因此3D打印的成型分辨率及多噴嘴控制工藝將是醫(yī)學應用亟待解決的技術難題。 當前3D打印技術存在的不足制約了其在科研和臨床中的推廣應用，許多研究尚處于起步階段，但是隨著技術的不斷發(fā)展，當前的難題有望被一一攻克。隨著新材料的不斷發(fā)現和應用，3D打印的應用范圍會越來越廣泛；隨著技術的逐步完善，3D打印的經濟成本也會逐漸下降；隨著新打印設備的不斷改良升級，3D打印的精度會逐漸提高，直接打印出的個性化的活性器官或組織將有望實現。

Huang等調查發(fā)現中國每年大約有150萬人因末期器官功能衰竭需要器官移植，但每年能夠使用的器官數量不到1萬，供求比例約為1∶150。同時，中國需要接受器官移植的患者數量還在以每年超過10%的增量增加。因此，隨著技術的逐漸完善，3D打印或許會為這些患者提供生存的希望。 3D打印技術在醫(yī)學領域的應用顯著地推動了醫(yī)學技術的發(fā)展，初步顯示了其巨大的應用潛力。在臨床醫(yī)學應用領域，3D打印技術定制性強的特點將為個性化醫(yī)療的實現提供有利條件，這意味著，隨著技術的不斷發(fā)展與完善，患者將享受到更優(yōu)質的個性化醫(yī)療服務。

編輯：南極熊
作者：鄧濱，歐陽漢斌，黃文華 （南方醫(yī)科大學基礎醫(yī)學院解剖教研室）