3D打印技术在硬组织领域的应用进展*

2015-06-01陈扬夏晓龙张伟彬杨泽雨杨欣建

生物骨科材料与临床研究 2015年5期

陈扬夏晓龙张伟彬杨泽雨杨欣建

3D打印技术在硬组织领域的应用进展*

陈扬夏晓龙张伟彬杨泽雨杨欣建

近年来，随着3D打印技术的不断发展与成熟，其在医学领域的应用大有增长的趋势，国内外不少专家、学者正在进行大量尝试，试图充分应用该技术服务人类的医疗行业。文章就3D打印技术的基本原理、3D打印材料及该技术在医疗领域应用现状作简要描述与说明，使读者对3D打印技术及其在医疗领域的应用有初步了解。

3D打印；快速成型；硬组织

3D打印技术（3Dprintingtechnology）是一种“快速成型（Rapid prototypi,RP）”或“增材制造（Additive manufacturing,AM）”技术，被誉为是第三次“工业革命”的代表性技术之一。随着3D打印技术及打印材料的不断研发，其应用领域越来越广，从航天航空到工艺制造、从建筑到娱乐、从医疗到教育，无不涉及3D打印的身影。3D打印在医疗领域的应用更是与日俱增，不断协助临床医生解决问题，同时为患者减轻痛苦、提高生活质量带来新的希望。

1 3D打印技术简介

3D打印技术是一种综合应用了计算机辅助设计和计算机辅助制造（CAD/CAM）、数控技术、高分子材料、激光技术、三维CT等技术的一项高科技制造方法，其依据的主要原理为离散/堆积成形，即在计算材料或粉层进行二维扫描和处理，层层堆积从而得到一个三维实体（原型）[1]。3D打印的出现完全颠覆的传统二维打印理念。

2 3D打印技术的主要实现方式及其材料

根据美国材料与试验协会（ASTM）3D打印技术委员会（F42委员会）的标准，将3D打印技术分为七类，而目前应用较多的主要有光固化成形（Stereolithography,SLA）、熔融沉积成型（Fused deposition Mmodeling,FDM）、选择性激光烧结成型（Selective laser sintering,SLS）[2-7]等等。

SLA工艺也称光造型或立体光刻，它是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。这种液态材料在一定波长和强度的紫外光（如=325nm）的照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料从液态转变成固态。液槽中盛满液态光固化树脂，激光束在偏转镜作用下在液态树脂表面扫描，光点照射到的地方，液体固化。成型开始时，工作平台在液面下一个确定的深度，聚焦后的光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描固化。当一层扫描完成后，未被照射的地方仍是液态树脂。然后升降台带动平台下降一层高度，刮板在已成型的层面上又涂满一层树脂并刮平，然后再进行下一层的扫描，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕，得到一个三维实体模型。由于组织相容性及可降解性生物高分子材料的应用，SLA工艺的是目前在医疗领域的应用较为成熟的技术。韩国科学家应用生物高分子光敏材料聚富马酸二羟丙酯（PPF）通过SLA技术制备多孔支架并移植到家兔皮下，8周后周围形成了规则的结缔组织[8]。

FDM工艺是通过将丝状材料如热塑性塑料、蜡或金属的熔丝从加热的喷嘴挤出，按照零件每一层的预定轨迹，以固定的速率进行熔体沉积。每完成一层，工作台下降一个层厚进行迭加沉积新的一层，如此反复最终实现零件的沉积成型。FDM工艺的关键是保持半流动成型材料的温度刚好在熔点之上（比熔点高1℃左右）。其每一层片的厚度由挤出丝的直径决定，通常是0.25～0.50mm。近年来，利用 FDM技术，以脂肪族聚酯为原材料制备可降解性生物支架已取得了一定进展，这将为组织、器官打印提供了技术支撑。

SLS法采用红外激光器作能源，使用的造型材料多为粉末材料，可打印金属材料和多种热塑性塑料，如尼龙、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯类、聚苯乙烯、聚氯乙烯、高密度聚乙烯等。加工时，首先将粉末预热到稍低于其熔点的温度，然后在刮平棍子的作用下将粉末铺平；激光束在计算机控制下根据分层截面信息进行有选择地烧结，一层完成后再进行下一层烧结，全部烧结完后去掉多余的粉末，就可以得到一烧结好的零件。临床上使用的通过3D技术打印的个性化骨替代材料、个性化钢板及假肢等通常都是应用该技术制造的产品。目前成熟的工艺材料为蜡粉及塑料粉，用金属粉或陶瓷粉进行烧结的工艺还在研究之中。

3 3D打印技术在医疗领域的应用现状

3D打印技术与医学的结合能够解决很多传统学医很难解决甚至解决不了的难题。传统医学虽可获得三维影像学资料，却不能提供三维实体模型。而3D打印通过影像学手段，如X线、B超、CT及MRI等获得病变或其他需要打印部位的三维数据，经过无数据损失的表面绘制得到三角化网格图像，再将数据输送到3D打印机上，这样不仅可以直接打印出所需模型，为医生及患者提供直观的三维实体模型，甚至可打印出个性化人工植入物，从而为医生的术前手术方案策划、定制模板、制作个性化假体和组织工程材料等提供实体。

3.1 打印下颚骨假体

2012年2月13日比利时和荷兰的医生采用3D打印技术制造的个性化下颚骨首次完成了应用3D技术打印个性化植入物代替整个下颚的制作过程，并成功为一名83岁的女性患者植入了经3D打印制成的下颚骨（图1）。该制作方法耗费的材料更少，生产时间更短，往往只需数小时便可以制出一只下颌骨[9]，与传统的制造方法相比具有明显的优势。对于如何避免排斥反应，科研人员也尝试了很多办法，最后，他们通过在制作完成的下颌骨上喷涂生物陶瓷涂层，从而有效避免排斥反应的发生。通过3D打印技术，研究人员可根据移植患者的具体需求来个性化设计骨骼轮廓，然后利用高精度镭射枪来熔解钛粉，并将其一层层地喷涂叠加起来，最终制作出立体人造骨骼部件成品。整个过程不需要任何胶水或粘结剂。

图1 比利时医生为患者植入的下颚骨假体

3.2 打印骨关节假体

3D打印技术可为患者“量身定制”高精度的手术方案，从而提高关节外科复杂高难度手术的成功率，使手术更精确、更安全。Won等[10]利用该技术为21例髋关节严重畸形患者打印模型，并利用模型进行髋关节置换术前规划，从而明显减少了手术时间及术中出血，术后影像学检查显示假体组件均按计划精确植入。此外，Sciberras等[11]首次应用该技术为1例人工全髋关节置换术后假体松动并伴髋臼内陷的患者实行了复杂髋关节翻修手术，并取得良好效果。目前，3D打印技术在硬组织打印方面的应用相对较多，技术上比较成熟。

3.3 打印支气管

据新英格兰医学杂志（NewEngland JournalofMedicine）报道2012年1月[3]，美国GlennGreen利用3D打印机，成功为因左支气管先天性缺陷而导致气管塌陷患儿植入了一个3D打印的气管，从而恢复了患儿的呼吸道畅通。成为人类首次使用3D打印的部件来帮助组织重建，对组织器官的移植做出了新的定义，大大减少了自体移植、异体移植带来的损伤与痛苦。

3.4 打印脊椎模型

CAD-RP技术的发展为复杂寰枢椎脱位患者治疗提供了一种有效的辅助方法，通过3D打印可以按1：1的比例打印出受损部位脊柱模型，为术者提供一个可供触摸和不同角度观察的三维实体模型，帮助判断病变范围及程度，确定最佳手术方案。同时，由于某些特殊部位，如寰枢椎等的结构复杂性，对置钉方法及角度、内固定的尺寸及塑形也有特殊要求。有了三维立体模型，术者可以在模型上寻找最佳的置钉角度和方向，选择尺寸比较合适的内固定钢板。在正式实施手术时会更加得心应手，降低内固定失败的几率。同时，该技术也有利于医患之间的有效沟通，应用三维实体模型给患者讲解手术方法及可能的治疗术后的效果，增强患者手术信心。另外，该技术可通过打印脊柱个性化人工椎体为脊柱肿瘤、结核、创伤等导致的椎体破坏的治疗提供新的治疗思路。FuM[12]等通过尸体实验，进行了椎弓根导板设计和三维打印，并取得了满意效果。Kawaguchi Y[13]等进行了大量的椎弓根螺钉的设计、改进和应用，从而有效降低了上颈椎融合术螺钉置入术后的并发症。Lu S[14]等人报道了在上颈椎后路手术中利用导向模板可有效缩短手术时间，提高置钉的准确率，从而减少射线对医生和患者的辐射量。2014年8月1日，北京大学第三医院刘忠军教授，成功完成了世界首例应用3D打印技术人工定制枢椎椎体治疗寰枢椎恶性肿瘤（图2，3）。

图2 刘忠军等通过3D技术打印的羊C4椎体

图3刘忠军等进行羊C4椎体置换术后X线片

此外，近年来研究人员不断将3D打印引进医疗领域。Hanrard大学的Ingber DE[15]和ComeU大学的Sung JH[16]先后研究了通过与细胞芯片结合，实现抗肿瘤药物筛选[17]；日本学者正在研究利用3D打印治疗与高级神经中枢异常刺激和相关神经疾病，如癫痫、抑郁症、帕金森氏病的防治及治疗[18]；伦敦的一家超声中心率先通过3D打印与超声技术的结合，为孕妇提供3D打印出的胎儿雏形。这些探索将3D打印技术逐步引入软组织领域，甚至是细胞、分子水平，为该技术在医学上的推广应用提供思路及理论与实践基础。

4 展望

人类医学发展到今天，很多技术水平都已经趋于成熟，但仍不乏困扰临床医生的难题，如何获得生物相容性好、符合人体生物力学特性的个性化移植材料，如何无创获取人体活组织材料等等。随着3D打印技术的出现和不断成熟、3D打印理念的不断推广，3D打印材料的开发，信息化、智能化程度的不断提高，3D打印技术不断向着精密化、智能化、便捷化及个性化的发展，将会为此类临床难题提供越来越多的解决思路，为临床医生带来攻克医学难关的新的希望，让患者充分享受到基于3D打印技术带来的个性化服务。当然，作为一项新兴技术，3D打印技术想要在临床上推广应用，还要克服很多难题。3D打印材料的生物相容性、生物力学性能等仍需不断探索，这也在很大程度上限制了其在医学上的应用范围；目前，3D打印技术在临床上主要用于硬组织领域，软组织方面的应用还有待于进一步研究，对于一些小的血管、神经、韧带等组织的重建还不成熟，因此，临床医生在参考重建模型时应注意把握其局限性；由于快速成型打印存在精确度的差异，打印的模型或假体可能存在变形情况，也需要医生根据实际情况作出准确判断；原材料方面，费用较高、缺乏安全性保障及完善的监管措施也成为制约其大规模应用的重要因素；此外，由于医学的特殊性，现阶段国家相关法律法规对3D打印产品作为内植物植入人体仍持保守态度，还没有出台完善的准入标准及监管措施，这就在法律层面限制了该项技术在临床医学上的普及，也提醒临床医生在应用该技术为患者解除痛苦的同时要与患者及家属做好沟通，挣得其理解与支持，避免医疗纠纷及相关伦理问题。所以，3D打印技术与医学的结合任重而道远，仍需医疗工作者不断探索、勇于创新，推动医疗技术与方法的不断进步。

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The application of 3D printing in hard tissue field

In recent years,along with the continuous development and gradually matured of 3D printing technology,its application in the medical field is shows a growing trend,many experts and scholars at home and abroad are trying a lot to make full use of this technology for human health services.This article brief description and explanation the basic principle of 3D printing technology,3D printing materials and the application status of this technology in the medical field, so that readers can have a preliminary understanding of the 3D printing technology and its application in the medical field.

3D printing;Rapid prototypi;Hard tissue

R318

10.3969/j.issn.1672-5972.2015.05.021

swgk2014-12-00230