3D打印技术在临床儿科学中的应用进展

胡立伟，钟玉敏

上海交通大学医学院附属上海儿童医学中心 放射科， 上海 200040

3D打印技术在临床儿科学中的应用进展

胡立伟，钟玉敏

上海交通大学医学院附属上海儿童医学中心 放射科， 上海 200040

本文对3D打印技术在临床儿科学中的应用（包括模型设计、再生医学、定制医疗器械等）进行了综述，同时分析了3D打印技术在临床儿科学领域中所面临的困难及未来的发展前景。

3D打印技术；再生医学；3D医学模型；临床儿科学

1 3D打印技术的原理

3D打印技术又称快速成型技术，是基于富比尼定理，应用粉末状或液态塑料或金属等可黏合材料，通过逐层打印方式来构造实物的技术[1]。3D打印技术主要包括熔融沉积成型（FDM）、光固化立体印刷（SLA）、选择性激光烧结（SLS）和三维喷印（3DP）等。以熔融沉积成型为例，首先在封闭的空间中将丝状的热熔性材料进行加热融化，然后将成形材料从微细的喷嘴中挤出，喷嘴可以沿X轴和Y轴方向移动。与此同时另外1个喷嘴挤出需要作为支撑的固化材料。1层材料沉积完成后将调整Z轴方向的厚度，重复上述步骤直至模型完全成形。成形材料冷却后需将支撑材料冲洗分离。3D打印技术作为一项全新的技术，已经在骨科、外科、牙科等医学领域逐步开始运用和发展[2]，其可视化三维模型有助于更好地理解相关解剖区域，有利于医生个体化治疗和诊断。

2 3D打印的流程

完成3D打印需要有以下4个步骤：① 对需要打印的组织行CT或MRI检查，从CT或MRI图像中提取数据图像以DICOM格式保存；② 运用Mimics软件处理系统对断面图像分割处理，使用阈值与区域生长的分割方法提取打印组织，然后经过拉普拉斯平滑处理并以STL格式传导到3D打印机；③ 3D打印机完成模型打印后需要4～6 h使模型干燥稳定；④ 将特定物质完整的覆盖在模型表面便于被模型吸收。模型渗透是为了避免相邻组织间黏连和弹性不足。相比于二维成像，三维模型对解剖结构的测量更加精确，3D打印技术在水平方向和垂直方向的分辨率可达0.01 mm和0.2 mm[3]。模型符合原始图像数据的分辨率，因此3D打印技术已经能够满足复杂人体解剖结构打印的要求。3D打印模型设计的基本流程图，见图1。

图1 3D打印模型设计的基本流程图

3 3D打印技术在儿科中的临床应用

3.1 模型设计

早在1999年Petzold等[4]将3D打印技术应用于儿童颅缝早闭及其他颅颌面畸形患者的术前手术计划，手术都达到了预期效果。2001年Sanghera等[5]研究了3D打印技术在骨科及颅颌面外科的应用后认为该技术在疾病诊断及手术方案制定方面非常有价值。2007年Guarino等[6]将3D打印技术应用于10例小儿脊柱侧凸及3例复杂骨盆骨折，结果表明这些打印出来的实物模型有助于制定术前计划及手术方案，同时还有利于术前复杂性骨折的评估，能准确测量所需钢板、螺钉等内植物的大小，预测其植入位置并进行调整，在减少医源性脊髓损伤几率的同时还能缩短手术时间。3D模型不但有助于设计手术计划，还可以帮助医患之间的沟通与理解，3D模型可使医患之间的交流更加直观、透彻和详尽，降低医患之间的交流障碍，减少理解偏差与误会。2007年Markert等[7]运用3D打印技术成功打印了1个跳动的心脏，开创了3D打印技术在小儿心脏外科领域的应用的先河。制作100 mm的心脏模型大约需要花费5 h。具有高度的灵活性，内部中空的3D模型结构可以适用于制定手术方案。由于模型材料的可伸缩性，在一定的气压下心脏模型可以模拟患儿心脏的跳动。

3.2 再生医学

2009年Mironov等[8]首次提出“生物制造”概念，强调细胞是产生和显示生命的基本元素，只有材料和细胞同时打印才能制备出令人满意的组织工程器官。2012年Faulkner-Jones等[9]利用细胞打印出人造肝脏组织。同年Anthony Atala等首次打印出人体肾脏，成功地将3D打印技术运用于再生医学，使打印组织器官植入人体离人们的生活越来越近[10]。

2013年Zopf DA报道了全球首例3D打印器官人体移植手术。Zopf DA[11]等使用3D打印技术定制了气道板，可作为严重气管支气管软化新的治疗手段。在没有3D打印技术前患者只能透过器官捐赠或是干细胞培育进行治疗。产后患儿6周出现胸壁凹陷、呼吸困难症状，被证实有局部支气管软化症。研究者设计了1个患儿气管支架的模型，使用聚己内酯构成的生物可吸收材料，通过激光烧结技术制造了塑料薄层支架。该案列表明高分辨的CT和MRI技术、计算机辅助设计、生物材料与3D打印结合起来，已可以针对患者的特定解剖结构创建可植入材料。

3.3 定制医疗器械

3D 打印医疗器械最大的优点是精确化、个性化，这满足医疗器具用品不仅要精准、复杂，更需要量身定做的要求。因此，3D 打印技术在医疗器械领域有着独有的优势。个性化手术医疗器械中最主要的有手术导板，包括脊柱导板、关节类导板等。He等[12]结合有限元模型、计算机辅助技术，利用3D打印技术制作了与膝关节假体配套的假体托，以修复胫骨近端骨肿瘤切除后的骨缺损。此外，3D打印医疗器械可定制儿童肿瘤内部内照射源粒子植入的导向定位导板，以解决放射剂量分布不均，非兴趣区剂量过高、兴趣区剂量过低等问题，能有效地优化放射治疗方案，降低肿瘤复发的可能性。

4 3D打印发展需解决的问题

4.1 打印精度

3D打印在临床的应用中，其打印的人体解剖结构已经能够满足临床的需求。但在儿科的应用中，由于儿童体型结构的特殊性，会对打印模型精度有更高的要求。笔者在前期图像处理的过程中发现以下问题：① CT扫描的薄层图像层厚为0.3～0.6 mm，MRI扫描的薄层图像层厚可达1～2 mm，而3D打印机的横向和纵向的分辨率可达0.01 mm和0.2 mm。如果CT或MRI的图像能够有更高的分辨率，打印模型的精准度会更精细；② 3D打印机默认打印的图像是连续的、无间隙的，在图像的分割和后处理过程中需要对图像进行拉普拉斯平滑处理。然而，平滑处理可能会影响3D模型的真实性；③ 模型的精准度受材料、设备条件等影响；④ 如何在保证模型物理性质的基础上缩短制造时间也是3D打印技术发展面临的难题。

4.2 打印材料

3D打印技术对打印材料要求较高，因此需要针对不同的模型选择合适的材料。目前医学常规的3D打印材料是耐高温及高性能的PC材料和ABS树脂材料。PC材料韧性好，防撞性高，耐高温，抗溶剂力强及带光泽适用于医学模型的打印。如生物3D打印模型，其材料必须具有生物相容性、可降解性。材料可选用磷酸三钙（TCP）[13]、聚乳酸（PLA）[14]、羟基磷灰石（HA）[15]等。而多孔支架植入后的机械性能是需要考量的重要内容。不同的孔隙率、支架强度和韧性对材料的要求不同，现阶段还在寻找最合适的复合型材料用于生物支架植入。尽管目前的3D打印能定制与人体组织结构相似的生物组织，但要使该技术应用于临床还要面临很多挑战[16]。不同类型3D打印材料的优势和劣势，见表1。

表1 不同类型3D打印材料的优势和劣势

4.3 有效的合作平台

3D打印技术面临很多的技术难题，以再生医学为例必须解决材料、细胞类型、生长和分化因子以及组织的结构等问题。解决这些问题需要医学、生物材料学、细胞生物学、细胞生物学工程等多学科的融合[17]。现阶段医院并不具备多学科合作能力，这些因素限制了其在临床医学的发展。

5 3D打印技术发展前景

3D打印技术属于“新兴事物”，但类似的尝试已逐步开始。2008年上海交通大学在广州军区总院建立了3D打印技术中心，已为骨科、外科、泌尿科等提供了近700具模型，3D打印中心能够为医院的各个科室提供各种打印服务，并已被广东省物价局定价成为常规的医疗收费项目。2014年7月中南大学湘雅医院成立3D打印临床应用研究所，中南大学湘雅医院早期就应用3D打印技术指导颅底复杂肿瘤的治疗、泌尿外科手术、血管修复重建、医学教育等领域取得了很好的效果。

在儿科学方面，国内3D打印技术尚处于起步阶段，而北京大学第三医院完成了国内首例3D打印人工定制枢椎应用于儿童尤文氏肉瘤的治疗，患儿通过手术植入人工椎体仅18天后即顺利出院，预示着3D打印技术未来在儿科领域有极大的发展空间。

由于儿童群体年龄结构的特殊性，需要3D打印模型的精确化、个性化诊断和治疗。个性化精准治疗是目前临床医疗发展的重要方向之一，如何为患者设计最精准的手术治疗方案，减轻患者的病痛，减少并发症的发生，缩短患者术后康复时间，充分合理地配置有限的医疗资源,以提高患者的治愈率是急需解决的临床实际问题。利用3D打印开创虚拟手术研究的应用转化，将为患者个体化手术方案的制定与规划，术前手术操作特点的预估与评价，临床医学人才梯队的培养，手术技能的训练与提高等方面奠定坚实的基础。同时可推动相关临床手术设计的发展和临床医疗器械的创新。

综上，3D打印技术还存在一些问题与不足，但随着3D打印技术的日趋成熟、打印材料的扩充及相关专业人员的培训，必将在儿科临床应用上有着更广阔的发展前景。

[1] Lipson H．New world of 3-D printing offers "completely new ways of thinking":Q&A with author,engineer,and 3-D printing expert Hod Lipson[J]．IEEE Pulse,2013,4(6):12-14．

[2] Oliveira AL,Sousa EC,Silva NA,et al．Peripheral mineralization of a 3D biodegradable tubular construct as a way to enhance guidance stabilization in spinal cord injury regeneration[J]．J Mater Sci Mater Med,2012,23(11):2821-2830．

[3] Markert M,Weber S,Lueth TC．A beating heart model 3D printed from specific patient data[J]．Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc, 2007:4472-4475．

[4] Petzold R,Zeilhofer HF,Kalender WA．Rapid prototyping technology in medicine basics and applications[J]．Computer Med Imaging Graph,1999,23(5):277-284．

[5] Sanghera B,Naique S,Papaharilaou Y,et al．Preliminary study of rapid prototype medical models[J]．Rapid Prototyping Journal, 2001,7(5):275-284．

[6] Guarino J,Tennyson S,McCain G,et al．Rapid prototyping technology for surgeries of the pediatric spine and pelvis: benefits analysis[J]．J Pediatr Orthop,2007,27(8):955-960．

[7] Markert M,Weber S,Lueth TC．A beating heart model 3D printed from specific patient data[J]．Eng Med Biol Soc,2007:4472-4475．

[8] Mironov V,Trusk T,Kasyanov V,et al．Biofabrication: a 21st century manufacturing paradigm[J]．Biofabrication,2009,1(2): 022001．

[9] Faulkner-Jones A,Greenhough S,King JA,et al．Development of a valve-based cell printer for the formation of human embryonic stem cell spheroid aggregates[J]．Biofabrication,2013,5(1):015013．

[10] Murphy SV,Atala A．3D bioprinting of tissues and organs[J]．Nat Biotechnol,2014,32(8):773-785．

[11] Zopf DA,Flanagan CL,Wheeler M,et al．Treatment of severe porcine tracheomalacia with a 3-dimensionally printed bioresorbable external airway splint[J]．JAMA Otolaryngol Head Neck Surg,2014,140(1):66-71．

[12] He J,Li D,Lu B,et al．Custom fabrication of composite tibial hemiknee joint combining CAD/CAE/CAM techniques[J]．Proc Inst Mech EngH,2006,220(8):823-830．

[13] Tarafder S,Balla VK,Davies NM,et al．Microwave-sintered 3D printed tricalcium phosphate scaffolds for bone tissue engineering[J]．J Tissue Eng Regen Med,2013,7(8):631-641．

[14] Giordano RA,Wu BM,Borland SW,et al．Mechanical properties of dense polylactic acid structures fabricated by three dimensional printing[J]．J Biomater Sci Polym ED,1996,8(1):63-75．

[15] Detsch R,Schaefer S,Deisinger U,et al．In vitro:osteoclastic activity studies on surfaces of 3D printed calcium phosphate scaffolds[J]．J Biomater Appl,2011,26(3):359-380．

[16] Derby B．Printing and prototyping of tissues and scaffolds[J]．Science,2012,338(6109):921-926．

[17] 管吉,杨树欣,管叶,等．3D打印技术在医疗领域的研究进展[J]．中国医疗设备,2014,29(4):71-72,135．

Advances in Application of Three Dimensional Printing Technology in Clinical Pediatrics

HU Li-wei, ZHONG Yu-min
Department of Radiology, Shanghai Children’ Medical Center Affiliated to Shanghai Jiaotong University School of Medicine, Shanghai 200040, China

This paper reviewed the application of 3D (Three Dimensional) printing technology in clinical pediatrics, including modeling design, regenerative medicine and medical equipment customization. Meanwhile, its difficulties and future development prospects in clinical pediatrics were also analyzed.

three dimensional printing; regenerative medicine; three dimensional medical model; clinical pediatrics

TP334.8

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.06.019

1674-1633(2015)06-0075-03

2014-11-11

钟玉敏，主任医师。

通讯作者邮箱：zyumin2002@163．com