3D打印在医学中的应用

摘  要：随着打印材料的研发和3D打印机设备的完善，其应用领域越来越广泛。我国3D打印技术不断发展和完善，3D打印技术在医学领域逐渐得到应用。为了研究3D打印技术在医疗领域中的应用，本文主要介绍了3D打印技术的概念及3D打印相对于传统加工工艺的优势，同时介绍了3D打印在各医学领域中的应用：在骨科手术中的应用、在口腔医学中的应用、胚胎模型的打印、人体心脏的打印、在老年退变性腰椎侧弯手术中的应用、在全耳再造中的应用等。最后本文从3D打印机技术专利及成本方面对3D技术在医学领域的发展前景做出展望。

关键词：3D打印技术;医学应用;3D打印机

中图分类号：TP391.73;R319      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）19-0177-02

Abstract：With the development of printing materials and the improvement of 3D printer equipment，its application fields are becoming more and more extensive. With the continuous development and improvement of 3D printing technology in China，3D printing technology has gradually been applied in the medical field. In order to study the application of 3D printing technology in the medical field，this paper mainly introduces the concept of 3D printing technology and the advantages of 3D printing compared to traditional processing technology. At the same time，this paper introduces the application of 3D printing in various medical fields：application in orthopedic surgery;application in stomatology;printing of embryo model;printing of human heart;application in elderly degenerative lumbar scoliosis;application in ear reconstruction，etc. Finally，the article looks forward to the development prospects of 3D technology in the medical field from 3D printer technology patents and costs.

Keywords：3D printing technology;medical application;3D printer

0  引  言

3D打印是一種快速成型（Rapid Prototyping）技术，根据计算机辅助设计（CAD）数据通过粘合材料逐层打印方式来实现对实物模型的制作。

3D打印技术不同于传统的加工工艺，这一加工过程不需要使用传统的如车床、刀具、模具等机械设备就可以打印制作任意形状的物品。3D打印技术原理类似于传统的打印机，只是两者所用的打印材料有较大区别，传统打印机使用纸张、硒鼓等进行打印，而3D打印技术采用的打印材料为陶瓷、金属、塑料等，通过电脑控制可以把不同的打印材料层层累加起来最终打印出实物，如：牙齿、手臂、玩具车甚至是食物。

3D打印的优势：3D打印所使用的原料和传统的加工工艺不同，它采用分层加工和层层累加的方式来制造产品，在具体生产实践过程中不会产生废料或者产生极少废料，大幅度降低原材料使用量。同时3D打印具备的精准化、个性化、远程化等特征和一次成型的产品制造模式，非常符合医学领域需求，所以引起了生物医学领域越来越多的关注[1，2]。3D打印技术在生物医学领域的应用主要集中在仿生模型的制造、骨科植入体制造、组织工程支架、生物体器官打印、口服控释给药、美容整形等方面。

1  3D打印机的发展历史

1987年，专利3D打印机诞生（US4575330），3D Systems发明第一台3D打印机。1991年，FDM打印机商品化，Stratasys商品化全球第一部FDM打印机，利用热熔技术，成为3D打印的一大突破。1992年，SLS技术用于3D打印。2000年，彩色3D打印机商品化，Z Corp商品化全球第一部具备多重颜色选择的3D打印机。2007年，Objet（现为Stratasys一部分）制作出全球第一部可同时打印多种材料的3D打印机Connex。2013年，家用3D打印机普及化，MakerBot（已于2013年被Stratasys收购）发明家用3D打印机，提供一系列价格便宜、操作简单、体积较小的3D打印机，成为市场最近急速发展的原因之一，FDM的专利权（US5121329）于2009年届满。2014年4月光固化成型（SLA）专利届满（US5597520A）。

2  3D打印在医疗方面的应用

2.1  3D打印技术在骨科中的应用

蚌埠医学院第一附属医院孙晓亮等[3]为8例病人进行了距骨骨折切开复位内固定术，术前将踝关节行64排螺旋CT扫描，将所获DICOM格式进行三维扫描生成STL格式数据，将STL数据传至3D打印机进行1：1模型打印，结果优5例，良2例，可1例，优良率87.5%。后期随访过程中所有病人均未出现复位丢失或内固定松动及距骨坏死等并发症。

对于复杂的距骨骨折病例，3D打印技术可以提供准确的术前规划，能够提高切开复位内固定术的成功率，减少术后并发症，达到精准化及个体化治疗的目的。这充分符合当代骨科个体化治疗的主要需要，在临床上的应用也取得了良好的效果。

2.2  3D打印技术在口腔医学领域的应用

在口腔医学（包括口腔种植学、修复、矫正以及内科学等）领域，3D打印技术应用较为广泛。Ozkol等[4，5]配置含量为27%的氧化锆陶瓷浆料，通过喷墨打印制作了氧化锆陶瓷冠，在此基础上，通过对比不同固相含量的氧化锆陶瓷浆料，从粒径、Zeta电位、粘度、表面张力以及液滴的分布、性状等因素分析，总结了氧化锆陶瓷浆料的配制方法，制造出相对密度达96%、抗弯强度达834MPa的陶瓷冠桥修复体。

3D打印锆陶瓷假牙的材料利用率超过90%，成本相对较低。但目前，氧化锆材料的3D打印工艺仍存在一些问题，如内应力大、烧结后易开裂、体积收缩大，这些问题可能影响其性能和临床适用性，仍需进一步展开研究。

2.3  3D打印用于胚胎模型

日本工程公司Fasotec将3D打印技术和核磁共振扫描相结合，通过3D打印设备利用扫描数据打印胚胎模型。准妈妈们可以通过核磁共振扫描，打印出整个胎儿的模型，然后利用树脂模型包裹，这份胎儿模型可以作为妈妈们的纪念礼物。

2.4  3D打印出人類心脏

以色列特拉维夫大学的研究者公布了器官移植领域的重大突破：使用人体组织3D打印出全球首个完整心脏，该心脏大小与兔子心脏类似，其中包含有细胞及血管，打印材料来自人体细胞及组织。因为这颗心脏还不具备泵血能力，暂时还不能真正应用到人体。

2.5  3D打印技术在老年退变性腰椎侧弯手术中的应用

赵晖等[6]探讨3D打印技术应用于老年退变性腰椎侧弯手术的效果和可行性，20例老年退变性腰椎侧弯患者采取3D打印腰椎模型和术中椎弓跟定位-定向导板的后路减压植骨融合椎弓根螺钉内固定侧弯纠正术，结论显示3D打印腰椎模型及椎弓根导板可以提高老年退变性腰椎侧弯患者手术椎弓根螺钉置入的精确性，节约了手术时间，减少了术中出血及术中C臂机透视次数。

2.6  3D打印技术在全耳再造中的应用

上海交通大学医学院附属第九人民医院张如鸿教授将3D打印技术运用到全耳再造中，大大节省了手术时间。全耳再造手术要先取一段病人的肋骨软骨，然后植入耳朵部位的皮肤下，抽掉空气，让它像真空吸盘那样贴紧患者头侧竖起来。当然，软骨植入前先要精雕细刻，塑造形状，所以过去做这样一台手术，张教授得需要在手术室里耗费6小时。如今运用3D打印机，张教授可以事先得到每个病人“未来耳朵”的塑料模型，手术中的软骨雕刻有了实物参照，提升了手术速度，全耳再造手术由此缩短到2个小时。

3  结  论

随着以上专利期届满，这些技术逐渐公开透明化，会有更多的医学领域会引入3D技术，无论在设计方面还是在生产方面，人们可以合理地预测一些重要的3D打印领域，很多公司都可以参与这类研发。这些3D设备根据消费者的需求在国内生产定制产品，随着越来越多的个人和公司采用这种技术，材料和机械成本也将大幅下降。材料和设备成本的降低也会带来3D打印机数量的增长，从长远来看，3D打印在医学领域的研究和应用会越来越广。

参考文献：

[1] 常永泉.3D打印技术在医疗领域中的应用 [J].科技创新与应用，2017（8）：50-51.

[2] 陈道道.3D打印技术在医学中应用的认识 [J].工程技术研究，2018（1）：93-94.

[3] 孙晓亮，官建中，吴敏，等.3D打印技术在成人距骨骨折手术中的临床应用 [J].安徽医药，2019，23（6）：1163-1166.

[4] OZKOL.E，EBERT.J，UIBEL.K，et al. Development of high solid content aqueous 3Y-TZP suspensions for direct inkjet printing using a thermal inkjet printer [J].Journal of the European Ceramic Society，2009，29（3）：403-409.

[5] OZKOL.E，ZHANG.W，EBERT.J，et al. Potentials of the “Direct inkjet printing” method for manufacturing 3Y-TZP based dental restorations [J].Journal of the European Ceramic Society，2012，32（10）：2193-2201.

[6] 赵晖，邹明，胡伟，等.3D打印技术在老年退变性腰椎侧弯手术中的应用 [J].郑州大学学报（医学版），2019，54（4）：623-626.

作者简介：史云涛（1984.11-），女，汉族，江苏溧阳人，市场部经理，中级职称，毕业于郑州大学，硕士，研究方向：药物化学。