3D器官打印模型在外科领域的应用

徐小冬 王知非

作者单位：310014浙江工业大学（徐小冬）310000浙江省人民医院（徐小冬 王知非）

解剖学模型和模拟器在医学领域的使用可追溯到几个世纪以前，当时粘土和石头模型被用来复制疾病条件[1-2]。多年来，对降低患者死亡率、手术并发症以及缩短手术时间的重视推动了不同手术计划和培训技术的发展[3-4]。然而，美国的一项研究显示“医疗差错”每年平均导致超过25万例患者死亡，成为仅次于心脏病、癌症的第三大死因[5]。因此，有效的临床培训和术前计划对减少这类事件起着至关重要的作用，这也是外科医师从新手不断进级成长的必经之路[6]。建立精确解剖学特征和定量反馈的物理器官模型，可以显著提高对手术靶区的理解，甚至可以用于患者教育。近年来，3D打印等快速成型技术发展迅速，使得生产这样特殊的模型成为可能，现对3D器官打印模型在外科领域中的应用综述如下。

1 不同外科领域中模型材料的应用

3D打印及相关软件的出现增加了将各种器官的医学图像转化为物理模型的可能性。不断创新3D打印技术和材料，结合多种器官模型制作方法，在器官模型的临床开发和应用中不断取得显著成效。器官模型在多种重大外科手术以及手术外的交流和教育中发挥着重要作用，而不同的模型侧重于不同的方面，下面主要讨论神经外科、心胸外科、泌尿外科、肝胆外科、胃肠外科等外科领域某些部位器官模型的应用及其所使用的有关材料。

1.1 神经外科 神经外科模型主要包括脑模型和脊柱模型。面对神经、血管和涉及肿瘤的错综复杂的空间位置，神经外科医师往往需要在手术前作出准确的判断并在术中谨慎操作，任何小错误都可能导致严重后果[7]。因此，该类模型的制造通常涉及复杂结构的设计和材料的选择。NAGASSA等[8]结合两种间接方法制作大脑动脉瘤模型，使用基于光聚合物树脂打印原始结构的模型制造硅橡胶模具，然后铸造水溶性蜡作为牺牲结构，涂上硅树脂并溶解蜡以获得血管内腔，此外还通过控制涂在蜡上的有机硅层来改变动脉瘤血管壁精度。FORTE等[9]利用聚乙烯醇（PVA）和植物胶（PHY）复合水凝胶（CH）制作的脑组织模型用于在载荷下的机械响应，与脑组织的强烈动态和非线性反应紧密匹配，并模拟了有机组织在压缩、松弛、滞后和剪切等方面的机械行为，结果表明其适合于复制大脑移位现象和脑组织对凹陷和触诊的反应，由于主要血管和神经在这个模型中并不存在，缺乏神经解剖细节的模拟。LEIBINGER等[10]通过使用明胶和改良的聚乙烯醇复合水凝胶（MCH）分别模拟脑组织在手术针操作时的力学行为，并对摩擦、粘性等性能进行比较，结果表明明胶和真实脑组织的插入作用力非常接近，但粘弹性较低，而改良复合水凝胶能更好地模拟软组织的粘性，但表现出较低的切割阻力。

1.2 心胸外科 随着3D打印技术的进步，使得弹性材料的打印范围不断扩大。3D可打印弹性材料与早期的3D打印材料相较，杨氏模量低，弹性好[11]，其弹性和柔韧性与聚合物长链的重新配置和共价交联密切相关，与刚性塑料材料相较，这种材料制作的3D打印器官模型可以提供更接近真实器官的触觉，还能够允许外科医师对它们进行不同的预演操作，比如剪切、按压和缝合等。MICHAEL等[12]通过利用3D打印制造肌肉和血管芯模具，通过硅胶铸造法建立腹股沟区血管动脉模型给医学生讲授解剖学，给介入放射科医师讲授插管方法，通过引入生理压力下的脉动血流，让模拟变得更具生理学意义，但使用3D股骨模型练习是否可以提高操作技能缺乏客观证据证明。此外，尽管努力控制流量和压力，股动脉波形并没有显示出明显的上升，动脉和静脉的流速分布也明显不同。SABA等[13]使用3D打印模具和PVA水凝胶注射成型来生产高度逼真及非生物危险的组织模型，可以被解剖、烧灼和缝合。填充PVA水凝胶后并进行加工以复制猪心肌和主动脉组织的机械性能，利用该模型进行左前降支搭桥术，并与主动脉近端吻合、但模型缺乏客观的性能对比，而且没有足够的数据支撑其所达到的性能条件。ATLAN等[14]通过PVA水凝胶和硅胶分别模拟大鼠颈动脉血管和腹主动脉血管模型，并随机分组进行微血管吻合、通畅性测试、吻合口的内在质量、后壁缝合、吻合口漏和腔内内膜瓣等训练，学生和教练都认为PVA血管模型较硅胶血管模型更像大鼠的主动脉，能更好地反映大鼠血管，是替代硅胶管的良好材料，在客观评估的基础上提高了训练效果，还有助于缩短显微外科手术的学习曲线。HINTON等[15]通过悬浮式打印（Fresh printing）打印水凝胶胚胎心脏和大脑及血管等，共同展示了Fresh打印具有打印复杂内部和外部结构的水凝胶的独特能力，且表现出精准的组织数据。MIRDAMADI等[16]使用海藻酸盐水凝胶为基体建立了成人心脏的全尺寸模型，并证明了海藻酸盐水凝胶能高保真地Fresh打印较小但复杂的器官结构，并对其进行机械表征，以确定最接近于心脏组织的材料组分和打印参数评估其力学性能，构建解剖学上准确的组织模型，为外科培训和规划提供潜在的应用。尽管Fresh打印表现出十分优异的潜力，但在训练模型的制作使用上仍然未得到应用，且打印的时间和成本较高。

1.3 泌尿外科 泌尿外科的3D模型是起步较早也是发展较快的，尤其是肾脏相关模型已在不同手术模拟上得到了很好的体现，并取得了极大的进展。ADAMS等[17]将3D打印和铸造技术结合，利用普通树脂打印外模，内模通过蜡质材料印刷得到完整模具，之后往模具注入硅胶成型，通过乙醇溶解蜡质内模以取出完整平滑的无损肾脏模型，在细节上体现出较大优势，但整个模具的制作和溶解耗时较长，降低了生产效率。GOLAB等[18-19]利用3D打印模具制造硅胶肾脏肿瘤模型，用于实际手术前的腹腔镜肿瘤切除及缝合手术培训，验证了模型的外观和内部结构的有效性。然而，机器人辅助腹腔镜肾部分切除手术（RALPN）的许多细微差别并未得到解决，比如标志物识别、肾脏显露、肺门淋巴结清扫、尿瘘和出血的处理以及盆腔重建等都是RALPN的关键，尚未在模型中得到展现。LINK等[20]在RALPN前使用3D打印技术获得特定患者的硅胶肾脏模型用于术前计划和手术预演，提供了摘除时间和切除组织体积的准确信息，并与实际手术结果达到良好的一致性，证明了模型训练的有效性。据称，这些墨水可以模仿正常肾脏和肿瘤组织的性质，不过尚无任何表征结果来支持这一说法。而且，因为这一操作是在肾动脉夹闭的热缺血条件下进行的，模型的模拟未能精确达到要求，所以该模拟不能准确地体现出切除时间。MELNYK等[21]利用3D打印和PVA水凝胶浇铸相结合制造肾脏模型进行RAPN模拟和培训，比较新鲜猪肾脏和不同配方PVA模型肾脏的出血和缝合的功能效果，还用多种力学测试方法对材料杨氏模量进行量化比较，以达到高保真、标准化、解剖学准确的肾脏模型，尚有测试仅限于低应变、对于高应变下的性能变化还未试验的不足之处。MADDOX等[22]利用琼脂凝胶材料创建了与肾组织特性近似的3D物理肾脏结构模型，以允许术前和机器人训练手术模拟，并成功地进行了部分肾切除和肾缝合等手术操作，但很难量化组织处理的准确性，而且这些模型的肾实质缺乏RAPN过程中可能遇到的细小动、静脉分支，也缺乏肾周围脂肪和活跃的血液供应，这给血管系统的识别和解剖增加了难度。

1.4 肝胆外科 WANG等[23]专注于小儿活体肝移植（LDLT），选择光聚合技术打印肝脏模具，同时利用类组织手感的硅胶铸造腹部模型，指出物理肝脏模型有助于降低小婴儿大尺寸综合征和移植物减少的风险。最近，ISHII等[24]和KURODA等[25]采用聚氨酯浇注法制备具有柔软透明实质的肝脏模型，前者模型采用光聚合方法打印出透明、坚硬的外壳，用于肝移植术中导航；后者模型是在前人工作的基础上，加入了3D打印石膏模型铸造肝实质的过程，用于规划和模拟LDLT[26]。3D打印肝脏模型中的血管结构是一个重要的内容，在复杂的肝脏手术中清晰地显示血管的关键区域有助于血管重建。HUBER等[27]利用聚氨酯橡胶材料和材料喷射器制作肝脏薄壁组织，用ABS长丝打印胆囊等其它结构，该肝脏模型在复杂血管重建的应用中为手术计划提供了便利。ANTONIO团队[28]通过熔融沉积成型（FDM）打印ABS模具与硅胶铸造相结合的方法获得低成本、高质量的胆道树教学解剖模型，用于腹腔镜胆囊切除手术的培训，但模型没有展示更困难的场景，比如罕见胆囊管变异，缺乏纤维组织物来模拟液体收集的炎性平台。HE等[29]研制出一种以PVA为主要成分能够反映腹主动脉瘤及其周围组织的主要力学、解剖学和病理学特征的人体模型，通过改变水凝胶制造过程中的参数，使PVA的机械弹性与人腹主动脉瘤壁、管腔内血栓ILT和腹部脂肪非常相似，并设计了一个密封系统以维持腔内和腹部压力、包裹周围组织（如腹部脂肪和脊柱）。在有无周围脂肪的情况下进行EVAR实验，以更好地理解EVAR过程中的生物力学约束，强调了在EVAR中考虑周围组织对腹主动脉瘤整体变形的重要性，给医学培训提供良好的体外环境，但去除内模时可能会引起模型轻微的损伤，并可能在压力下导致水凝胶撕裂。KWON等[30]用3D打印技术与硅胶铸造技术制作了专门的ERCP硅胶训练模型，该模型价格相对低廉且易于制作，允许使用者进行各种专门的ERCP技术操作并进行重复训练，但没有创建一个将食道、胃和十二指肠的所有部分按照与人类相同的顺序排列的模型，材料表面张力比生物组织的表面张力要高且透明性高。DE JONG等[31]利用PVA水凝胶作为仿肝脏材料制作肝脏模型，通过调整材料浓度和工艺方法来调节模型的组织特性，并研究了PVA模体的成像特性和针-组织作用力特性，通过数据的比较设计高质量、高仿真的肾模型，但缺乏粘弹性和真实环境操作等方面的比较设计。1.5 胃肠外科 胃肠外科模型目前主要涉及胃部、食道、各类肠模型。对于空腔脏器的手术操作往往由于肠壁薄、管腔直径较小和腹膜后位置降低内窥镜可操作性以及组织顺应性而不易把握导致穿孔等情况的出现。然而，切除必须是完全的，因为残余组织难以有效治疗，并且外科手术抢救伴随着较高的发病率。HOLT等[32]结合硅胶胃-十二指肠和真实鸡心模拟内窥镜壶腹模型用于提高内窥镜下壶腹切除术的技术技能、知识和信心，并通过训练术前和术后问卷对模型进行评估，不足的是鸡心的使用限制了其进入训练中心和机器人操作的培训，另外也缺乏对参与者在模型体验后的内镜实践随访。WILLIAMS等[33]使用CAD软件为胃黏膜和胃体生成系列模具，之后进行3D打印；使用第一模具用锡固化硅橡胶形成黏膜，然后将黏膜转移到第二个模具中，并加入另一种与胃组织非常相似的聚合物，创建一个定制的、逼真的、可重现的、廉价的双层模型，需要改进的是使用了成人版的盒子训练器，由于儿科器械偶尔无法到达3D胃模型，而且3D模型胃部和盒子训练器的颜色都是白色的，都会给一些参与者带来问题。ZHANG等[34]利用改进硅胶建立了一种3D打印Nissen胃底折叠术训练模型，模拟真实的组织力学性能和解剖细节，研究中16名受试者分为实验组和对照组，采用Likert量表对模型的有效性进行了检验，并由专家和实验组进行了验证；实验组在第1、4、8次训练时用OSATS系统进行评分，并通过录像比较操作持续时间，同时采用体外模型以同样的方式比较实验组和控制组训练后的成绩，结果表明该模型训练可以加快外科住院医师的学习曲线。

2 应用限制

尽管前述3D打印器官模型对手术计划和训练很有助用，但这些模型作为高级手术辅助工具的有效性也受部分问题的影响，比如不能精确模拟器官组织的物理特性[35]，包括触感、机械特性（如弹性模量、粘弹性和硬度）、仿真颜色等，均限制了它们在术前规划、手术工具预演和手术任务（如按压、缝合、切割和解剖）中的有效性，进而阻碍3D器官模型在外科手术处理期间准确预测和精准复制不同器官物理行为的能力，包括变形和反作用力等。同时，3D打印的器官模型缺乏从器官和组织处理中提供定量反馈的功能，而这项功能对于外科训练人员或模拟器来说是一个重要的附加功能，可以有效帮助医疗专业人员定量评估和准确控制执行的任务，比如通过他们的手或诊断工具施加到器官上的压力量。

3 小结与展望

近年来，3D打印在手术辅助及培训领域取得了很大的进展。笔者发现，使用3D打印来形成可模拟的软组织结构并未得到充分的探索发展，很少有人研究仿真软组织的力学特性以及高分辨率的解剖细节。早先使用的柔性树脂或硅胶，在弹性模量等性能方面并未良好体现组织的真实性，且不能提供湿润、柔软、生物组织的真实感觉，水凝胶的高含水性可以增加打印模型中生物组织的真实感觉，从而成为软组织外科模拟的优良材料。由于每个组织的结构复杂性，单一的材料和制造方式可能无法真正体现出实际结构模型的真实细节，这将需要多材料、多方式的组合工艺进行生产制造，且模型的使用寿命和便捷存储也需要得到一个合适的解决办法。如果上述问题得到解决，将会彻底改变未来医学培训及教育的模式。未来的研究预计将集中在以下几个方向[36]：第一，大多数3D打印器官模型都是静态的，这意味着它们无法模拟器官模型的动态状况，比如心脏的搏动，因此将方便且准确的动态功能（如驱动）纳入器官模型会有助于更真实的手术演练；第二，虽然3D打印软电子的初步集成已经实现，但功能仍然有限，对于更复杂、多维的反馈应用，需要开发不同类型的、功能更强大的保形电子器件，并将其集成到器官模型；第三，虚拟和辅助现实工具可以与器官模型结合使用，在外科模拟过程中可视化血管等精细特征；第四，将功能集成的3D打印器官模型应用于各种手术环境下的实际病例中进行评估，统计调查手术结果和患者安全性，采用大数据评估标准准确、定量评估其有效性；最后，模型的各项异性特性可以通过控制打印路径[37-38]和嵌入填料[39-40]的方向引入到3D打印器官模型中。