3D打印技术在临床中的应用现状及展望

孙小磊，汪缨，张晖，何伟

南京医科大学第一附属医院，江苏 南京 210029

3D打印技术在临床中的应用现状及展望

孙小磊，汪缨，张晖，何伟

南京医科大学第一附属医院，江苏 南京 210029

3D打印是“增材制造”的主要实现形式，对于产品开发和制造来说，3D打印能够带来无限的可能性，特别是其在临床中的实践应用和发展前景引起了全球的广泛关注。本文通过医学模型设计、再生组织器官、医疗器械制造3个方面详细阐述了3D打印技术在临床中的应用现状及意义，并根据现状对3D打印技术在临床中的发展提出了展望。

3D打印；增材制造；医学模型；再生组织器官；器官移植

引言

3D打印技术出现在上个世纪，是制造业领域正在迅速发展的一项新兴技术，被称为“具有工业革命意义的制造技术”。3D打印是“增材制造”（Additive Manufacturing）的主要实现形式[1]。“增材制造”的理念区别于传统的“去除型”制造。传统数控制造一般是在原材料基础上，使用切割、磨削、腐蚀、熔融等办法，去除多余部分，得到零部件，再以拼装、焊接等方法组合成最终产品[2]。而“增材制造”与之截然不同，无需原胚和模具，就能直接根据计算机图形数据，通过叠加材料的方法生成任何形状的物体，这种方法可以简化产品的制造程序，缩短产品的研制周期，提高效率并降低成本。

1 3D打印技术概述

1.1 3D打印技术的流程原理

3D打印技术是快速成型技术的一种，运用该技术进行生产的主要流程是：应用计算机软件，设计出立体的加工样式，然后通过特定的成型设备（即3D打印机），用液态、粉末或丝状的固体材料逐层“打印”出产品。3D打印的前提是需要三维数据，没有三维数据就无法进行3D打印[3]。三维数据可以通过使用三维扫描仪、三维扫描仪+逆向设计或CAD建模等获取。获取的三维模型转换为3D打印标准文件格式STL格式，其中STL格式是存储三维模型信息的一种简单方法，它将复杂的数字模型以一系列的三维三角形面片来近似表达。其次将三维数据分割成二维数据，即把整个三维模型沿水平面切割成一定数量的二维薄片，对应每一个薄片生成其平面尺寸数据，切成薄片的数量由制作材料和打印机本身决定的，理论上讲，分割的层数越多（薄片的数量越多），打印出的产品尺寸越接近原始设计数据[4]。3D打印在数据分割完成后进行打印，实际是利用材料的自身厚度经逐层堆积后形成三维产品的，各层之间的结合是靠喷嘴中喷出的胶水来粘结，故打印时可看到喷一层材料粉末，再喷一层胶水的工艺过程，最后经过后续的处理如固化、修整、上色等即成为一件完整的3D打印产品[5]。

1.2 3D打印技术的主要类型

临床上的常见3D打印技术有：选择性激光烧结成型（Selective Laser Sintering，SLS）、激光光固化（Stereo Litho graphy Appearance，SLA)、熔融沉积造型（Fused Deposition Modeling，FDM）、分层实体制造（Laminated Object Manufacturing，LOM）等[6]。

（1）SLS。采用激光有选择地分层烧结固体粉末，并使烧结成型的固化层层层叠加生成所需形状的物件，整个过程包括建模及数据处理、铺粉、烧结以及后处理等。常采用金属、陶瓷、塑料等材料的粉末作为成型材料。特点是材料适用面广，不仅能制造塑料物件，还能制造陶瓷、金属、蜡等材料的物件，造型精度高，原型强度高。

（2）SLA。以液态光敏树脂为材料充满液槽，由计算机控制特定波长与强度的激光束跟踪聚焦层状界面轨迹，使液体树脂固化，由点到线，由线到面顺序凝固，层层叠加固化，最终得到一个三维实体模型。该方法的特点是原型件精度高，零件强度和硬度好，可制造出形状特别复杂的空心物件，生产的模型柔性化好，可随意拆装，是间接制模的理想方法。

（3）FDM。以热塑性成型材料丝为材料，利用电加热方式将丝材加热至略高于熔化温度，在计算机的控制下，喷头作平面运动，将熔融的材料涂覆在工作台上，冷却后形成工件的一层截面，当一层成形后，喷头上移一层高度进行下一层涂覆，逐层由底到顶地堆积成一个实体模型或零件。该方法的特点是使用、维护简单，成本较低，速度快，一般复杂程度原型仅需几个小时即可成型[7]。

（4）LOM。以片材为原材料，将背面涂有热熔胶的片材用激光切割，切割完一层后，将新的一层叠加上去，利用热粘压将已切割层粘合在一起，然后再切割，这样一层层地切割、粘合，最终成为三维物件。该方法特点是模型支撑性好、成本低、效率高，常用材料是纸、金属膜、塑料膜等，此方法除了可以制造模具、模型外，还可以直接制造结构件或功能件。

除此之外还有三维喷印技术、电子束熔化成型技术等，对于产品开发和制造来说，3D打印技术能够带来无限的可能性，其应用领域在不断扩展，如今3D打印技术已经在汽车行业、航空航天、机械制造、建筑设计、模具制造、医疗行业等各个领域得到广泛应用[8]。

1.3 3D打印材料

3D打印技术并不复杂，关键点在于材料。普通打印机的耗材是墨水和纸张，但3D打印机的耗材主要为胶水和粉末，而且材料必须经过特殊处理，对其固化反应速度等也要求很高。根据化学组成，3D打印材料分为金属材料、陶瓷材料、复合材料和聚合物等[9]。

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，例如打印生物模型或组织，要求其材料必须具有生物相容性、可降解性[10]。目前临床主要的3D打印材料有耐高温及高性能的PC材料、ABS树脂材料等[11]。ABS材料具有强度高、韧性好、耐冲击等优点，正常变形温度超过90℃，可进行多样加工，且颜色种类丰富，广泛应用于医学模型的3D打印，打印出的模型解剖结构清晰、细节逼真。此外很多金属材料如不锈钢、钛、钛合金、钴铬合金、铝合金等在临床3D打印中也有广阔的应用空间。钛及其合金是非常理想的的医用3D打印材料，与常用的不锈钢、钴铬合金相比具有优异的耐腐蚀性、强度高、耐热度高、生物相容性好，常用作人体的植入物，通过3D打印技术得到的医用钛合金产品，在个性化植入物、口腔、颌骨修复、人体骨架、人工关节等方面得到了成功的应用[12]。

但是，3D打印材料的单一性、材质本身特性等因素制约了3D打印技术在临床上的应用与发展，许多3D打印材料的生物特性、功能性、相容性以及可降解性有待进一步研究，能够满足临床应用要求的打印材料不够丰富且成本较高，这些问题都需要得到解决[13]。

2 3D打印技术在临床中的应用现状

2.1 医学模型设计

在临床应用中，3D打印技术目前已在骨科、外科、牙科等各专业开始使用和发展，已成功的打印出了头颅模型、心脏模型、骨骼模型、血管模型等各组织器官模型，其可视化三维模型有助于更好地理解相关解剖部位，有利于指导医生个体化治疗和诊断[14-15]。利用3D打印技术打印出来的模型能将器官和组织内部结构的细节逼真地显示出来，使医学知识变得更为直观明了，可用于临床、教学和术前模拟、优化手术设计方案，实现精确化、个性化手术[16]。复旦大学附属中山医院首次将3D打印技术应用于经导管主动脉瓣置换手术（Transcatheter Aortic Valve Implantation，TAVI），成功为一位77岁高龄的主动脉瓣重度狭窄合并关闭不全患者实施了TAVI手术规划与导航。该案例通过3D打印技术将患者二维影像数据转化成实物大小的心脏模型呈现在医生眼前，提供更多传统影像学检查难以显示的丰富信息，使手术更准确安全。通过采集该患者高分辨率CT及心脏超声影像，为其打印出完整的心脏及主动脉3D模型，据此制定周密细致的手术规划与实施方案，仅耗时1 h即顺利完成TAVI手术，患者X线暴露时间比既往缩短一半，造影剂用量减少1/3，术中、术后生命体征非常平稳，复查显示人工瓣膜定位准确、工作正常。同样，对于复杂创伤、脊柱外科和关节外科等手术，可以通过3D打印技术设计出椎弓根、髋臼等手术导航模板，显示出其在临床、教学工作中良好的应用前景[17]。近年来，利用3D打印技术进行的医学模型设计已经广泛应用于临床教学和骨科、整形外科、牙科等精确化、个性化手术中，为临床发展注入了新的生命力。

2.2 再生组织器官

人体组织器官移植一直是临床医学上的一个难题，器官来源阻碍了移植医学的发展，很多患者也可能会因此丧失生命。随着3D打印技术的发展，3D打印人体组织器官已经成为可能[18]。生物3D打印是3D打印技术最前沿、最有价值的领域之一。利用3D生物打印技术，以含有活体细胞的“生物墨水”为材料，打印出一层细胞组织架构，然后按3D成型技术进行制造，逐渐形成立体的细胞组织架构，最终获得所需的人工器官和组织。德国研究人员利用3D打印技术制作出柔韧的人造血管，可以与人体组织融合，不但不会发生器官排斥，而且还可以生长出类似肌肉的组织，该研究成果有望用于人体试验和药物测试等临床应用[19]。在器官移植的制造方面，3D打印技术有着广阔的空间，目前器官移植的来源主要靠捐赠，而捐赠的器官存在免疫排斥的风险，常常会导致器官移植失败。利用人体自身干细胞，通过3D打印技术打印出的器官可以避免这一风险。目前已经有学者已成功打印出耳朵、鼻子、微型人体肾脏、肝脏等人体器官。例如，有外国科研人员采用3D打印技术成功配合人体自身细胞，使用加入细胞混合物凝胶的可生物降解脚手架，逐层构建出了肾脏[20]。相信随着科技的进步，移植组织或器官不足的难题必将得到解决。

2.3 医疗器械制造

利用3D打印技术打印制造医疗器械有着显著地优越性，可以显著提高医疗器械的精确度，科研人员利用3D打印技术打印制造的矫正器解决了矫形手段与辅助工具不能灵活调整的问题，能够做到矫形部位与矫形器完全匹配，提高了矫形器的拟合效果[21]。同时，3D打印大大地简化了产品的制造程序，缩短产品的研制周期，提高效率并最终降低成本。例如3D打印技术打印一颗牙齿只需10 min，而传统种牙技术牙则需要3 d[22]。3D打印的助听器可把传统复杂的工序缩短为简单的3个工序，即扫描、建模、打印。同样3D打印技术在各类医疗器械的制造方面已被广泛应用，在辅助治疗中使用的医疗装置方面，3D打印技术打印的如矫正器、助听器、导航板、关节支架等诸多医疗器械，已经成功地在临床上得到应用[23]。在手术器械方面，个性化的手术必将使传统医疗设备适应新的医疗模式，个性化、定制化的手术和其他功能治疗过程需要配备个性化的手术器械，这些新的手术器械开发、制造可通过3D打印技术来实现。总而言之，在各类体内外器械、手术器械、辅助医疗器械等的研发与制造过程中，3D打印技术正发挥着巨大的作用，也可以说3D打印技术正引领着医疗器械研发、制造的技术革命。

3 前景展望

目前，3D打印技术还没有在临床上得到普遍化应用，其主要局限在打印材料上，3D打印材料的材质特性与单一性制约着其发展。例如，利用金属粉末打印出假体的生物力学性能达不到传统工艺制造的假体性能，生物打印的材料只能利用单一的活性细胞打印组织器官，并不能实现人体组织器官功能的复杂多样性[24]。除此之外，3D打印技术在临床应用的法律法规还不够完善，各类3D打印技术在临床中的行业规范与标准的制定等诸多问题，例如对知识产权的保护，对危险物品设计与制造的限制等[25]。此外，3D打印人体器官组织等涉及到社会道德和伦理问题。但3D打印技术的应用前景是十分广阔的，机遇与挑战并存，应当将3D打印技术限定在合理的、不至于威胁人类社会生存与发展的范围之内，使之更好地造福于全人类。

随着材料技术的不断发展与完善、打印材料质量不断提高，先进材料如智能材料、纳米材料、新型聚合材料、合成生物材料、石墨烯材料等也开始成为3D打印材料，使打印材料更加多样化、成本更低，这些都有利于3D打印技术在医疗领域发展。我国制定的首部关于3D打印技术的产业发展规划《国家增材制造产业发展推进计划（2014-2016）》，从医用3D打印材料的研发生产、医用3D打印装备的研制、医用3D打印装备应用进程和加强医用3D打印人才培养4个方面作出了规划，相信在未来的5～10年，随着临床技术的不断进步和市场需求的不断扩大，也随着3D打印技术的打印精度和效率等的不断提高以及3D打印设备的成本降低等，3D打印技术在临床上的应用将会更加高效化、精确化和普遍化[26]。

[1] 张阳春,张志清.3D打印技术的发展与在医疗器械中的应用[J].中国医疗器械信息,2015,(8):1-6.

[2] 寿晶晶,马克,陈燕,等.医疗领域三维打印技术专利状况研究[J].中国医学装备,2014,11(12):22-25.

[3] 徐步光,李丹荣,宁锐剑.3D打印技术在口腔种植领域的应用进展及对牙科工业发展的革命性影响[J].中国医疗器械信息, 2015,(8):13-18.

[4] 余洪山,赵科,王耀南.融合2D/3D摄像机的方法与获取高精度三维视觉信息的装置[J].控制理论与应用,2014,31(10):1383-1392.

[5] 黄烽坚,封小影,黄昊.3D打印技术应用前景展望与分析[J].中国卫生质量管理,2014,21(2),53-55.

[6] 胡立伟,钟玉敏.3D打印技术在临床儿科学中的应用进展[J].中国医疗设备,2015,30(6):76-77.

[7] 王宁,李杰,王晓龙,等.应用3D打印熔融沉积技术制作个性化种植修复体的精确度研究[J].华西口腔医学杂志,2015,33 (5):509-512.

[8] 王庆大,李波.3D打印技术在医学领域的应用研究进展[J].重庆医学,2016,45(1):126-128.

[9] 金冬梅,方奥,张建斌.3D打印材料[J].金属世界,2014,(5):6-13.

[10] 付明福,杨影,陈伟才,等.喷墨打印技术同步打印细胞和生物支架材料及在组织工程中的应用[J].中国组织工程研究与临床康复,2011,15(42):7892-7896.

[11] 杜宇雪,孙菲菲,原光,等.3D打印材料的发展现状[J].徐州工程学院学报(自然科学版),2014,29(1):20-24.

[12] 张海峰,杜子婧,毛曦媛,等.3D打印PLA-HA复合材料构建组织工程骨的实验研究[J].国际骨科学杂志,2016,37(1):57-63.

[13] 赵占盈,徐铭恩,石然,等.基于细胞3D打印技术的肿瘤药物筛选细胞芯片研究[J].中国生物医学工程学报,2014,33(2):161-169.

[14] 李东阳,郝萱语.3D打印技术在临床医学中的应用进展[J].山东医药,2015,55(9):101-102.

[15] 俞沁园.3D打印技术临床医学的进展探析[J].硅谷,2015, (2):141.

[16] 顾铁保,张泽锋,王彭.3D技术打印个体化手术导航计划系统治疗原发性三叉神经痛[J].中国医疗设备,2015,30(11):22-25. [17] 刘琨,赵汝岗,张强.3D打印技术在骨科的应用研究进展[J].中华创伤骨科杂志,2015,17(1):63-66.

[18] 陈杨,夏晓龙,张伟彬,等.3D打印技术在硬组织领域的应用进展[J].生物骨科材料与临床研究,2015,12(5):69-71.

[19] 孙晓林.3D打印技术的应用[J].机电产品开发与创新,2013,26(4): 108-109.

[20] 石静,钟玉敏.组织工程中3D生物打印技术的应用[J].中国组织工程研究与临床康复,2014,18(2):271-275.

[21] 曹雪飞,宋朋杰,乔永杰,等.3D打印骨组织工程支架的研究与应用[J].中国组织工程研究,2015,19(25):4076-4080.

[22] 赵冰净,胡敏.金属3D打印技术在口腔医学应用前景[J].口腔颌面外科杂志,2015,24(4):311-314.

[23] 杨卫民,迟百宏,高晓东,等.软物质材料3D打印技术研究进展[J].塑料,2016,45(1):70-74.

[24] 徐弢.3D打印技术在生物医学领域的应用[J/CD].中华神经创伤外科电子杂志,2015,1(1):57-58.

[25] 刘步青.3D打印技术的内在风险与政策法律规范[J].科学经济社会,2013,31(2):131-132.

[26] 李金华,张建李,姚芳萍,等.3D打印精度影响因素及翘曲分析[J].制造业自动化,2014,36(11):94-96.

本文编辑 刘峰

Clinical Application Status and Prospect of 3D Printing Technology

SUN Xiao-lei, WANG Ying, ZHANG Hui, HE Wei
the First Affiliated Hospital of Nanjing Medical University, Nanjing Jiangsu 210029, China

3D printing is the main implementation of additive manufacturing, and can bring infinite possibilities for product development and manufacture. It has drawn widespread concern across the world, especially its clinical application and development prospect. This article elaborated the clinical application status and significance of 3D printing technology from aspects of medical model design, tissues and organs regeneration, medical devices manufacturing, and put forward development prospect of 3D printing technology in clinical application.

3D printing; additive manufacturing; medical model; regenerative tissues and organs; organ transplantation

TG665；TH774

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.01.026

1674-1633(2017)01-0099-04

2016-03-14

2016-03-29

作者邮箱：749856490@qq.com