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三维打印技术的临床应用

2017.08.11

三维(three-dimentional,3D)打印技术也叫增材制造技术,是一种在计算机上利用断层扫描图像模拟立体形态,最终完成重建的新兴技术,被视为带动第三次工业革命的主要技术之一。1983年Chuck Hull发明了世界首台3D打印机,1986年他在美国加利福尼亚州成立了3D Systems公司,标志着3D打印技术的诞生。经过30多年的发展,3D打印技术已经广泛应用于汽车制造等工业领域。近年来,其在医学中的应用也逐步展开。目前,3D打印技术在医学教育培训、假体植入等方面已经发挥了重要作用。在未来,3D打印技术甚至可能彻底改变医疗领域,引发现代外科医学的革新[1]。


一、3D打印技术在临床中的应用


3D打印技术在临床中主要应用于构建医学模型、制造外科器械和植入物、研发药物等[2]。目前,3D打印模型可大致分为三类:(1)非植入性3D打印模具,包括医疗解剖模型、康复辅具等,可用于临床研究、手术规划。(2)植入性3D打印模具:①具有良好的物理形态但无生理功能的模具:打印材料主要为钛合金、生物陶瓷和高分子聚合物等,通过外科手术将模具植入体内,如骨科3D人工定制器官,可植入体内替代被切除的病变组织。②具有良好的物理形态和生理功能的模具:目前大多处于研究阶段。(3)生物3D打印:采用细胞"墨水"等打印出具有活性的器官结构,通过在体内或体外培育完成,是最具价值的3D打印技术,目前正在研究初级阶段。


(一)3D打印技术在骨科的应用


恢复人体缺失的骨骼一直是临床医师追求的目标,3D打印技术可以实现这一愿景。手术切除有肿瘤的下颌骨后,可导致颌面部畸形、咬合错位,通过计算机辅助设计建模和3D打印模具进行下颌骨重建,比传统重建的匹配更精确,可使下颌骨外观轮廓更好[3]。采用个体化定制的外科手术器械进行单侧膝关节置换术,与传统手术器械相比,植入位置更精确、膝关节使用时间更长,可减少患者术后的不良体验。第四军医大学西京医院郭征团队采用金属3D打印技术制备出与患者锁骨和肩胛骨一致的钛合金假体,并成功植入骨肿瘤患者体内,是世界上首个将3D打印技术应用于肩胛带不定型骨重建的报告[4]。与传统手术相比,3D打印的个体化钛合金假体优势明显:(1)3D打印模型大小、形状等与肿瘤切除后骨缺损情况完全匹配。(2)表面多孔设计使软组织更加帖服,骨长入率大幅提高。(3)假体制作成本降低,原材料消耗减少。2015年7月,北京大学第三医院张克、刘忠军团队研发的3D打印人工髋关节技术获国家食品药品监督管理总局批准,为3D打印技术在骨科的应用翻开了新的篇章。3D打印技术有潜力成为骨科个体化治疗的有力工具,满足不同性别、人种和职业的个体化需要,实现决策与治疗技术的优化[5]。 


(二)3D打印技术在肝胆外科的应用


目前在肝胆外科,主要是运用3D打印技术制作忠于患者真实情况的肝脏、血管、肿瘤物理模型。3D打印技术可以辅助术者对术中的复杂解剖结构或变异进行空间对比认知;明确解剖间隙,防止重要管道的损伤;预见肝门部三级肝管的离断位置及断端数目;实时、有效导航围肝门解剖和肝管离断。2015年,上海市第一人民医院彭志海团队采用3D打印技术成功地打印出捐献肝脏者的肝脏仿真模型,顺利完成了1例复杂的小体积移植物原位肝移植[6]。董家鸿团队为10例肝门部胆管癌患者的目标病灶及肝门区脉管结构制作出个体化等比例3D模型,并将3D模型消毒(环氧乙烷)后置入术野,与术中结构进行实时比对,指导肝门部管道系统解剖,结合距离测算数据,实时导航肝管离断。在3D模型辅助指导下,10例肝门部胆管癌根治术均成功完成,无围手术期死亡[7]。方驰华等[8]将三维可视化、3D打印及3D腹腔镜技术联合应用于22例肝脏肿瘤的外科诊治中,通过三维可视化技术可清晰辨认肿瘤位置、肝脏脉管结构,以及其立体空间关系。


3D打印技术实现了三维图像向实体三维物理模型的跨越式转变。进行腹腔镜肝切除时,将3D打印模型带入手术室与术中实时手术进行比对,通过调整3D打印模型并置于最佳解剖位置,可为手术关键步骤提供直观的实时导航,有利于关键部位的快速识别和定位。3D打印技术使外科医师跳出了"凭空想象"的窘境,为术前规划和实际手术的精准实施提供了保障。


一般认为,3D打印不适合用于解剖结构相对简单的常规手术,尤其对有经验的外科医师。3D模型不能替代或削弱外科技能训练、术中风险控制意识和能力的培养。但个体化3D模型可辅助术者制定手术规划和进行术前讨论,以预见术中风险,提高肝脏手术的确定性。


(三)3D打印技术在其他临床学科的应用


1.3D打印技术在神经外科开展比较缓慢。2015年加拿大萨斯喀彻温大学Ivar Mendez将3D打印大脑模型用于术前规划。此外,还可以利用3D打印技术辅助脑血管硬化诊断、脑动脉瘤的测量,采用3D打印个体化颅骨植入物修复颅骨缺损。


2.在心胸外科,可以通过3D打印生物可降解夹板并植入体内治疗气管软化症,避免主支气管的塌陷[9]。


3.在血管外科,3D打印技术可以用于个体化血管模型、血管支架和人工血管的构建。3D打印技术的应用可将影像学图像转变为模拟的真实血管条件,从而利于医师进行评估并进行预手术模拟手术过程;3D快速血管支架制造系统可以自行调节参数选择支架大小,通过改变支架结构使其具有更好的支撑力。其制作过程仅需几分钟,相对于传统的金属切割制作工艺更能节省材料。


4.在口腔颌面外科,可以按照医师的要求制作出各种复杂的个体化托槽,打印出个体化的隐形义齿、颌面部骨骼等。3D打印为口腔颌面外科带来的益处主要有:(1)辅助手术设计和实施,完成高性能修复。(2)研制新型颌骨修复体,节约材料,在获得同样性能或更高性能的前提下,显著减轻金属修复体质量[10]。


(四)3D生物打印的初步探究


生物打印是3D打印技术研究中最前沿的领域。如仿生耳的3D打印是将具有功能的电子元件与生物组织细胞通过3D打印交织在一起,并在体外进行培育而形成,具有感知接收无线电波的功能[11]。Lee等[12]利用细胞和生物材料并采用开放电极导管与3D技术结合制作出了一种新型的人工血管,这种血管具有一定的生理功能。2013年4月26日,美国Organovo公司成功打印出一个深度为0.5 mm、宽度为4.0 mm、具备真实肝脏多种功能的微型肝脏。一旦生物器官3D打印获得实质性突破,将会引起医学史上的又一次飞跃。


二、3D打印临床应用的不足与展望


目前来说,3D打印技术在各个学科领域的发展参差不齐,面临的问题主要包括:(1)费用昂贵,包括硬、软件设备的购置及人员培训,费用从数千美元至百万美元。(2)处理耗时,一般打印一个模具需要5 h以上,有些甚至超过24 h,使其无法应用于大量生产,也不适合急诊手术,尚不能在临床大范围推广。(3)打印材料的种类和性能受限。(4)生物打印尚处于实验室研究阶段,仍需攻克许多技术难题。虽然在一定时间内,3D打印技术的临床应用仍然面临着许多挑战和难题,但其蕴含着巨大的市场应用前景。一旦取得技术上的突破,将会是人类医学史上的重大突破,价值是无法估量的。因此,有必要投入更多的资金与技术进行深入研究,解决关键技术问题。

转载自网络

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