3D打印技术在脑血管病中的应用进展

刘婷，杨德雨，3，刘莉，唐戈，刘曙东

3D打印技术，是一种以数字模型文件为基础，运用橡硅胶、粉末状金属、光敏树脂或者塑料等可黏合的材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。目前3D打印技术在医疗行业的应用主要包括：制造个性化3D模型，模拟或指导手术过程；打印人工骨用于骨重建及骨支架用于骨缺损修复；打印人工器官、血管及皮肤组织；生物活细胞打印；制药工程等。常用的3D打印技术包括：立体光固化成型工艺（立体光刻）、选择性激光烧结、聚合物喷射技术、熔融沉积模型[1]，这种体外生物模型的制造遵循三个阶段：放射成像、数据处理和快速原型制作[2]。以脑血管模型为例，首先提取患者的影像学数据，通过DICOM格式将数据输出，转化为计算机数字模式，再将输出的数据导入到三维重建软件中进行三维重建，利用图像分析软件对重建的影像学数据进行多模影像数据融合，建立3D模型，进行后处理使其清晰显示血管解剖及与周围结构的关系，再将处理后的模型转化为TIFF格式通过3D打印机打印。

1 3D打印技术在脑血管病领域应用的发展历史

3D打印脑血管模型始于1999年，D`Urso等[3]首次以患者的CTA及MRA图像为数据源，利用立体光刻技术打印颅内动脉瘤、动静脉畸形模型。当时生产每个模型的平均耗时为3 d，平均价格为300美元，因3D打印模型耗时长、价格昂贵、打印材料及技术的限制，使得3D打印脑血管模型主要运用于神经病学解剖教学。2004年，Autopsy等[4]开始将可视化3D打印动脉瘤模型运用于临床帮助医师制订手术计划，其准确性在手术中得到验证。

随着3D打印技术及材料的发展，3D打印模型越来越多地用于辅助脑血管疾病手术[5-11]。3D打印血管的材料也不断在更新，早期使用的材料是简单的硅胶，用于打印固态实心的血管模型，现在比较常用聚乳酸、聚氨酯树脂、尼龙及光敏树脂等材料。2015年，Mashiko等[12]首次运用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯材料打印出中空的、软的血管模型，他们在CTA数据的基础上打印出固体3D模型，然后在模型表面涂上一层液体硅胶，待硅胶固化后用二甲苯溶解内部的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯，即可打印出中空的软的血管模型。2016年，Frolich等[13]利用同样的材料打印出空心的硅胶管动脉瘤模型，被证实具有高精确度。

2 3D打印技术在脑血管病领域中的应用

2.1 3 D打印技术在神经科教学的应用 传统的三维解剖学是通过解剖尸体学习，但尸体资源匮乏，完整性难以保障，且存在结构变异、循环利用率低、内部细微结构显示差等问题，导致学生对解剖结构学习困难、遗忘率高。3D打印模型具有精度高、可触摸、可复制、可缩放等优点，能打印出符合学习需求的解剖学模型。

脑血管病是神经病学教学的重点和难点，脑血管位置深、分支复杂、走形迂曲、变异多，医学生通过二维解剖图谱学习，理解记忆困难，传统的授课方式难以使学生形成脑血管的空间立体构造概念，3D打印脑血管模型实现了抽象化为具体的教学模式，提高了教学效果。胡继红等[14]采用CTA薄层扫描数据打印颅内动脉瘤、动静脉畸形的实体模型，对69名影像学专业本科学生进行分组教学，运用3D模型学习组的理论考试成绩、有关颅内动脉解剖掌握程度及学习效率均优于未使用模型组。苏星等[15]利用DSA数据打印颅内动脉瘤的实体模型进行教学，同样证实了其教学效果优于传统教学。在研究生教育方面，王昊等[16]利用3D打印技术结合医学影像学技术对神经外科低年级研究生进行临床前实践培训，提高了学生对颅内动脉瘤疾病的空间结构的认识。另外，在临床轮转学员和低年资医师手术教学方面，3D打印脑血管模型也是优势凸显。3D打印模型可创造仿真模拟临床环境，为培训者提供了视觉、触觉感受，全方位观察手术部位的周围结构，增加年轻医师实际操作的实践机会。Wang等[17]运用3D打印动脉瘤模型对初级住院医师进行动脉瘤夹闭模拟手术培训，提高了初级住院医师手术技能和对手术过程的理解。

2.2 3 D打印技术在颅内动脉瘤诊治中的应用颅内动脉瘤目前主要采用介入血管栓塞术或者微创、开颅夹闭术，前者具有损伤小、疗效好、恢复快等优势，同时也增加了手术的难度与复杂性，提高了对医师技术的要求。3D打印技术在动脉瘤诊治中的应用主要包括：①提高手术医师对患者动脉瘤形态学的评估效果：3D打印模型能够准确显示血管的形态，Anderson等[18]依据DSA数据，制作了10例患者的动脉瘤3D打印模型，发现其模型与源图像相关性良好。②辅助医师模拟练习手术，提高手术成功率：3D打印动脉瘤模型能够清晰显示动脉瘤形态、大小、瘤体朝向、瘤颈位置以及与载瘤动脉的关系[19-20]，可辅助指导手术医师进行细小动脉的保护、手术入路的选择、动脉瘤夹的选择与放置，提高夹闭质量。周路球等[21]通过颅内动脉瘤的3D打印模型对手术进行干预设计及模拟练习，3D模型干预组的手术相关不良事件发生率显著低于对照组，预后明显优于对照组。③辅助精准塑形微导管：微导管塑形是动脉瘤栓塞的关键步骤，精准塑形可减少手术时间和手术并发症。徐超等[22]通过3D打印技术辅助微导管塑形，13例颅内动脉瘤患者在介入栓塞治疗中微导管顺利到位且保持稳定，提高了手术效率。董斌团队[23]利用3D技术打印空心透明动脉瘤模型，成功塑形了9例动脉瘤患者的微导管，并将微导管放置在理想位置，均无微导管回弹及手术并发症发生。

2.3 3 D打印技术在颅内动静脉畸形诊治中的应用 脑动静脉畸形（arteriovenous malformation，AVM）是动脉直接分流到静脉的异常血管连接，有复杂的供血动脉、引流静脉、弥散的畸形血管，与周围脑组织混杂，导致其3D打印比动脉瘤更加困难。Weinstock等[24]利用动静脉畸形的真实手术解剖结构与3D打印模型进行对比，血管直径差异＜10%（3.7 mmvs3.5 mm）。Dong等[25]也证明3D打印AVM模型的精准度高（血管直径偏差＜2 mm），可提高医师对AVM解剖结构的理解。临床工作中，区分动静脉畸形的供血动脉与引流静脉对手术是至关重要的，3D打印AVM模型能更好地辅助手术医师识别供血动脉，缩短获得DSA数据到开始血管内治疗的时间。陈光中等[26]证实3D打印组术中DSA造影后至手术实施时间较对照组显著缩短（5.7±0.4 minvs10.5±1.6 min，P＜0.01）。

由于AVM结构的复杂性，目前尚不能根据脑血管造影的血流动力学结果进行3D打印动静脉，只能根据重建软件结合医师经验手动选择动脉和静脉区[8]。3D打印AVM模型不能清晰显示畸形血管团的内部结构，在Dong等[25]的研究中，手术医师认为模型模拟术中真实的AVM，只有40%的相似度，更真实的模型是一个值得改进的研究领域。

与一般二语词汇教学相比，英语军语词汇有其特殊性，专业性强。军校学员在学习英语军语词汇方面普遍存在较大困难，主要表现在军事英语单词意义的理解和使用与基础英语有所差异，学员不能熟记单词，单词记住了却又用不出来，而且在翻译和作文中用错。这种困难是词语形式与意义在跨语言匹配上的障碍。

2.4 3 D打印技术在颅内动脉狭窄诊治中的应用运用透明丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物打印颅内动脉狭窄段模型，可与MRA影像效果一致并提供额外的视觉信息，是临床医师评估脑血管狭窄程度的一种新的辅助工具[27]。颅内动脉狭窄传统治疗主要包括药物保守治疗与血管介入治疗（颅内血管成形和支架置入术），3D打印技术的发展为新一代颅内支架的研发带来契机。单纯的3D打印支架力学性能较差，不能有效地装载药物及提供细胞生长的微环境[28]。2015年，刘媛媛等[29]用3D打印与静电纺丝相结合的方式制备了复合生物可吸收血管支架，该支架的纵向抗拉强度（18.5±1.5 MPavs16.7±1.2 MPa）及径向支撑力（127±11.6 kPavs122±13.7 kPa）均高于普通3D打印支架，证明该支架具有良好的力学性能。将大鼠成纤维细胞接种于该支架表面能迅速繁殖，表明该支架具有良好的生物可溶性，同时支架表面由生物壳聚糖组成，能帮助种植细胞更好地吸附和繁殖。因此，该复合生物支架可作为治疗脑血管狭窄的良好选择。

干细胞移植是可能具有良好前景的新的治疗脑缺血的方法，神经干细胞通过分化替代损坏神经元、分泌神经营养因子、抑制梗死区炎症及免疫调节三种途径，实现神经再生及神经功能恢复[30]。目前研究主要是在动物模型进行立体定向植入神经干细胞，探讨干细胞的修复机制和治疗潜力。Annabella等[31]提出将神经干细胞种植于根据颈动脉狭窄程度定制的3D生物支架上，纠正颈动脉血管狭窄及血管内皮剪切力，实现远端缺血脑组织的神经再生及功能恢复，用于缺血性卒中的预防。在干细胞移植治疗缺血性卒中广泛应用于临床之前，组织工程的临床安全性和生物相容性仍然是在临床应用中需要解决的主要问题。

3 总结和展望

3D打印技术在脑血管病中的应用主要包括神经病学教学、手术培训、术前计划的制订以及血管生物支架制作等。3D打印脑血管模型可为医师提供更为真实的手术模拟环境、制订更为详细安全的手术方案，从而提高手术成功率、减少术后并发症，也可协助医师进行良好的医患沟通，使患者更好地了解手术操作流程、术中相关风险、术后并发症等。但现有3D打印技术仍存在不足：一是，打印模型的逼真性依赖于原始图片的清晰度与分辨率，图像数据的质量直接影响图像切割和融合的效果[32]。二是，3D打印模型不能提供动脉瘤内的血流动力学参数，同时也不能反应动脉瘤壁内的钙化、血栓形成、瘤壁厚度、瘤顶与邻近血管的紧密性等特点，而这些特殊情况都是影响动脉瘤夹闭成功的关键因素[33]。随着3D打印技术及材料的发展，这些问题也是未来3D打印技术在脑血管病领域应用的突破方向。3D生物打印是3D打印的热门研究领域，未来利用3D打印技术联合造血干细胞培养人造血管、颅内血管生物支架，有望为脑血管疾病带来新的治疗方式。

【点睛】3D打印技术可还原脑血管疾病模型，应用于教学、脑血管疾病血管模型制作、手术演练以及脑血管3D生物支架研发等。