【解析】3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用

3D 打印（技術(shù)起始于世紀(jì)年代,，是一種基于三維可視化模2080型的快速堆積成型技術(shù)，通過三維掃描,、計算機(jī)輔助設(shè)計三維數(shù)字化模型,，并對模型進(jìn)行分層和數(shù)控 編程，形成文件輸入打印機(jī),。這樣,，無需模STL3D具和機(jī)械加工，打印機(jī)就可直接將金屬,、塑料,、3D 陶瓷、粉末,、細(xì)胞,、凝膠等單一或混合材料通過激光束或熱熔噴嘴等方法層層疊加，最終形成三維實體結(jié)構(gòu),。

開發(fā)了第一臺商業(yè)1986Charles W. Hull 3D打印機(jī),，成功地利用光敏樹脂打印零件，與傳統(tǒng)物件制備時所需的切削雕琢技術(shù)相比,，打印可極3D大地降低結(jié)構(gòu)復(fù)雜產(chǎn)品的制造難度,，具有成型精度高、分辨率高,、可重復(fù)性好,、易于集成、高效經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點,，已逐步應(yīng)用于航天,、軍工、醫(yī)療,、教育,、建筑及電影制作等多個領(lǐng)域。 在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,，打印技術(shù)已在醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)教育,、 3D科研、臨床實習(xí)及臨床實踐中均得到了廣泛的應(yīng)用,。

在醫(yī)學(xué)教育與臨床實習(xí)過程中,，打印可將復(fù)3D雜、微細(xì)的解剖結(jié)構(gòu)精確再現(xiàn),，便于學(xué)生對局部解剖的認(rèn)識和理解,，甚至進(jìn)行手術(shù)模擬操作,；在科研領(lǐng)域，打印通過模擬組織結(jié)構(gòu)與微環(huán)境,，進(jìn)行藥3D物篩選,、藥理作用、細(xì)胞間相互作用等研究,；在臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,，通過再現(xiàn)病損組織器官的局部解剖結(jié)構(gòu)，進(jìn)行術(shù)前討論,，實現(xiàn)了個性化和微創(chuàng)治療，提高手術(shù)精確度與成功率,、提高患者生活質(zhì)量,。

1  3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)教學(xué)的應(yīng)用
1.1 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教學(xué)
人體解剖學(xué)是打印應(yīng)用最多的基礎(chǔ)學(xué)科。人3D體解剖學(xué)是最重要的一門基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)學(xué)科,，其中尸體解剖又是最重要的教學(xué)手段,。尸體解剖不僅實踐性強(qiáng)，更可使學(xué)生直觀了解人體器官結(jié)構(gòu),、位置,、相互關(guān)系，促進(jìn)學(xué)生對人體結(jié)構(gòu)與疾病關(guān)系的認(rèn)識,。

由于目前多數(shù)醫(yī)學(xué)院校存在教學(xué)尸體數(shù)量逐漸減少的問題,，無法滿足教學(xué)需要，導(dǎo)致很多醫(yī)學(xué)類院校逐漸通過教學(xué)錄像,、數(shù)字化三維圖像,、教學(xué)模型、生物塑化標(biāo)本,、甚至虛擬技術(shù)輔助教學(xué),，但是這3D些都無法比尸體解剖更能滿足醫(yī)學(xué)生對解剖結(jié)構(gòu)的深刻掌握。因此,，利用打印制備解剖結(jié)構(gòu)模型甚 3D至是標(biāo)準(zhǔn)化“人造尸體（輔artificial cadavers）” 助解剖學(xué)教學(xué)成為了近年來教學(xué)研究的熱點,。 骨骼是最早也是最主要的打印對象。從仿3D真度方面來看,，骨骼的顏色比較均一,、硬度較大，與既有的打印材料（如石膏,、樹脂等）在視覺,、3D觸覺等方面非常相似；從技術(shù)層面來看,，骨骼易于復(fù)制,、且打印出來的模型與實際解剖結(jié)構(gòu)的尺寸高度一致,，并且易于保存，不易損壞,；從經(jīng)濟(jì)方面看,，打印數(shù)據(jù)庫可供多所院校或科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行打3D印,，可實現(xiàn)快速批量生產(chǎn),，性價比很高。

因此,，3D打印的顱骨（包括顳骨,、腦室等）、耳蝸,、脊柱,、骨盆、上肢骨,、下肢骨等骨性結(jié)構(gòu)被充分應(yīng)用于解剖學(xué)教學(xué)和臨床教學(xué)中,。 隨著圖像掃描與打印精度的提高、打印材料的豐富,，越來越多的高仿真解剖模型,，如內(nèi)臟、肌3D肉,、血管,、神經(jīng)等都被成功打印并用于教學(xué)中。2014Monash年,，澳大利亞大學(xué)人體解剖學(xué)教育中心與德國解剖模型制造商合作開發(fā)了一套人體解剖器 官的打印系統(tǒng)利用石膏,、塑料等材料實現(xiàn)了3D，對上肢（包括手）,、牙齒等器官高分辨率,、高精確度、多層次的彩色打印,，不僅能夠打印肢體形狀3D輪廓,，還能對內(nèi)部的血管、神經(jīng),、肌腱等微細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的彩色打印,。

該中心又對結(jié)構(gòu)更2015加復(fù)雜的眼眶進(jìn)行了一系列彩色打印這些模3D，型從不同剖面展示了眼眶的復(fù)雜結(jié)構(gòu),，雖然不能完全再現(xiàn)組織的不同質(zhì)地,，但是彩色打印的模型比3D真實尸體更能清晰完整地展示額神經(jīng)（、視神FN）經(jīng)（,、淚腺神經(jīng)（,、滑車神經(jīng)（,、眼ON）LN）IV）動脈（、眼上靜脈（等復(fù)雜走行的細(xì)小OA）SOV）結(jié)構(gòu)（圖,。該中心還進(jìn)一步探討了打印模型1A）3D的教學(xué)效果,，與傳統(tǒng)尸體解剖相比，模型可使學(xué)3D生獲得更滿意的學(xué)習(xí)效果,，這有可能進(jìn)一步影響傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)教學(xué)模式,。

與同樣能夠反映真實解剖結(jié)構(gòu) [6]的生物塑化標(biāo)本相比較而言，打印模型的制備簡3D便,、耗時少,、費用低、便于批量生產(chǎn),，另外,，打3D印模型不含有人體組織，可避免運輸,、進(jìn)出口限制,，因此該中心擬將其用于商業(yè)銷售,�,？梢姡���3D印技術(shù)不僅具有突出的教學(xué)優(yōu)勢,，更具有良好的商業(yè)應(yīng)用價值,。 雖然打印可在視覺上與實物高度一致，在色3D澤上甚至優(yōu)于實物,，但眾多學(xué)者并不滿足于現(xiàn)狀,，而是致力于高仿真打印，力求真實模擬不同組織 3D的質(zhì)地和功能,。

等利用石膏,、硅等材料打印 O'Reilly出可以反復(fù)拆裝的下肢骨、高仿真硅膠肌肉和可灌注的股動脈（圖,。這些下肢骨（包括足骨）模1B）型的內(nèi)部預(yù)先包埋了磁鐵,，因而便于反復(fù)拆裝，利于學(xué)生研究骨骼間的相互位置與相互作用,；硅膠肌肉則很好地模擬了肌組織的柔軟質(zhì)地,，并能通過磁性肌腱附著于骨骼上；股動脈和股靜脈也是由硅膠制備的中空結(jié)構(gòu),，在內(nèi)部模擬的液流灌注可以通過超聲成像,。在教學(xué)評價中，學(xué)生對此高精度,、高仿真的打印模型給予了極高的評價,，學(xué)生通過反復(fù)探究骨骼之間的相互位置關(guān)系,，能更深刻、形象地理解足部復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu),。從某種意義上講,，打印3D有可能徹底改變解剖學(xué)的教學(xué)模式。

3D打印技術(shù)不僅在人體解剖學(xué)的教學(xué)中得到了充分的應(yīng)用,，在胚胎學(xué),、病理學(xué)的教學(xué)過程中，也有其應(yīng)用價值,。胎兒的骶尾部畸胎瘤,、臍膨出、短肢發(fā)育不良等發(fā)育畸形的立體模型只需依據(jù)掃描MRI數(shù)據(jù)就能成功打印出來,，而且打印時間可減至小1時,，費用也可低至美元。在病理學(xué)的教學(xué)過程中,，病理大體標(biāo)本是非常重要的教學(xué)資源,，但是病理標(biāo)本通常存在較大差異，有些特殊病例標(biāo)本極為稀少甚至是獨一無二的,，常常沒有機(jī)會被學(xué)生認(rèn)識�,，F(xiàn)在，打印就可以很好地解決這一問題,。3DMahmoud等將腎癌,、胰腺癌患者的術(shù)后病理標(biāo)本進(jìn)行了彩色模型，很好地再現(xiàn)腫瘤組織與周圍正常3D組織間的相互關(guān)系,，甚至能清晰再現(xiàn)胰腺癌的侵襲前緣圖,。

（1C）所有這些畸形、病理標(biāo)本連同人體自然存在的解剖學(xué)變異對于學(xué)生日后的臨床實踐有很大幫助,，但是由于其數(shù)量較少而難于為學(xué)生充分研究,。 2015Macquarie年，澳大利亞的大學(xué)就將多年來收集到的各種變異,、畸形結(jié)構(gòu)的掃描數(shù)據(jù)建成數(shù)據(jù)庫,，并通過打印使得該校學(xué)生有機(jī)會對這些罕見結(jié)構(gòu)3D進(jìn)行全方位的觀察和研究。該數(shù)據(jù)庫也對外開放,，便于其他院校調(diào)取相關(guān)信息,，進(jìn)行遠(yuǎn)程打印。由3D于打印機(jī)還可以實現(xiàn)解剖結(jié)構(gòu)的放大打印,，3DMacquarie大學(xué)還擬將一些在尸體解剖中無法完整暴露,、難于觀察或過于細(xì)小的內(nèi)耳、中耳、鼻竇等結(jié)構(gòu)進(jìn)行擴(kuò)印,，便于學(xué)生的深入學(xué)習(xí),，這也拓展了3D打印在解剖學(xué)教學(xué)的應(yīng)用價值。

1.2 臨床醫(yī)學(xué)教學(xué)
醫(yī)學(xué)生在臨床見習(xí),、實習(xí)中需要通過反復(fù)的臨床操作逐步提高臨床技能和經(jīng)驗,，但是一些操作復(fù)雜、風(fēng)險系數(shù)高,、危險性大的手術(shù)（如腦室切開術(shù),、腦室外引流術(shù)、動脈瘤切除術(shù)）必須由資深醫(yī)生實施,，對于實習(xí)生只能成為其見習(xí)內(nèi)容,，這其實并不利于其日后臨床工作的開展。現(xiàn)在,，打印技3D術(shù)通過打印局部病灶,、模擬局部生理環(huán)境，供實習(xí)生進(jìn)行充分的病例觀摩和討論,、手術(shù)模擬操作,，力求提高其臨床診斷與操作技能。  Ryanacrylonitrile等利用丙烯晴-丁二烯-苯乙烯（-butadiene-styrene,，ABS）打印顱骨,，利用明膠和瓊脂打印腦組織，使用重力驅(qū)動泵模擬顱內(nèi)壓,，打印出高仿真的含有“腦組織”的腦室,，并在實習(xí)生和住院醫(yī)師中進(jìn)行了手術(shù)模擬訓(xùn)練,。

學(xué)生和醫(yī)生普遍感到利用這種高仿真模型進(jìn)行反復(fù)演練有助于提高其臨床技能和自信心,，雖然打印的腦組織、顱內(nèi)壓變化情況與實際尚有一定差距,，但這種針對高風(fēng)險手術(shù)開展的術(shù)前模擬操作仍為提高醫(yī)生手術(shù)技能,、降低手術(shù)風(fēng)險提供了有力的保證。 尸體顳骨標(biāo)本是外科常用的手術(shù)訓(xùn)練模型,，但是尸源數(shù)量的不足嚴(yán)重影響臨床教學(xué)需求,，如今，高仿真,、高精度的顳骨打印模型可以很好地解決3D這一問題,。目前，用于手術(shù)模擬訓(xùn)練的顳骨模型多用樹脂制成,，其輪廓和內(nèi)部微細(xì)結(jié)構(gòu)（如皮質(zhì)ABS骨,、骨小梁孔隙）的精度都非常好，能準(zhǔn)確表現(xiàn)出外科手術(shù)標(biāo)志，顏色也近乎天然,，價格又非常低廉 （每件成本僅有美元）從視覺效果和仿真度 1.92,，來看均高度類似天然標(biāo)本，唯一遺憾的是在觸覺上尚無法表現(xiàn)出皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨之間的硬度差異,。

即便如此,，使用過這種模型的實習(xí)生也對其寄予了很高的期望，學(xué)生普遍認(rèn)為該模型非常適用于各類乳突根治術(shù),、后鼓室切開術(shù)及顱底手術(shù)的模擬訓(xùn)練,。 除了顳骨、腦室,，打印的眼窩,、脊柱、心3D臟,、動脈瘤等模型均已用于引導(dǎo)學(xué)生分析病例和手術(shù)模擬訓(xùn)練,。與傳統(tǒng)實習(xí)模式相比，使用過打印3D模型進(jìn)行實習(xí)的學(xué)生普遍認(rèn)為模型的解剖結(jié)構(gòu)再現(xiàn)性好,，便于全面認(rèn)識解剖結(jié)構(gòu),，并能借此提早接觸臨床復(fù)雜手術(shù)操作，利于其臨床技能的提升,，因而非常推崇這種新的學(xué)習(xí)模式,。

2  3D打印技術(shù)在臨床和基礎(chǔ)研究的應(yīng)用
2.1 3D打印技術(shù)在臨床的應(yīng)用
外科（尤其是心外科、血管外科等）手術(shù)風(fēng)險通常較大,，憑借傳統(tǒng)的,、等二維圖像或三維CTMRI成像容易存在視覺偏差或視角切換不力等缺憾，而3D打印可準(zhǔn)確再現(xiàn)病變局部的復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)及其空間關(guān)系,，因而便于醫(yī)生做充分的術(shù)前討論,、確定患者的個性化手術(shù)方案，有效提高手術(shù)效果和降低手術(shù)風(fēng)險,。 3D打印的室間隔缺損,、房間隔缺損、二尖瓣瓣周漏,，甚至室間隔缺損-大動脈轉(zhuǎn)位-肺動脈狹窄等復(fù)雜先心病模型均可精確再現(xiàn)局部缺損,、狹窄、梗阻等解剖部位,，便于醫(yī)生據(jù)此準(zhǔn)確計算出適用于不同患者的封堵器,、心內(nèi)補片、自體皮瓣,、支架,，并選擇患者個性化手術(shù)路徑（圖簡化了手術(shù)復(fù)1D），雜度，提高了手術(shù)成功率和安全性,。

打印模型3D還能準(zhǔn)確定位患者的左心室室壁瘤,、心臟神經(jīng)鞘瘤的解剖位置及其與心肌的關(guān)系，使醫(yī)生既能完整切 除腫瘤,，又能最大限度降低心功能受損程度,。除此之外，打印的食管憩室,、食管裂孔,、盆腔內(nèi)臟3D器、唇腭裂模型也為醫(yī)生選擇最佳手術(shù)方式提供了理論依據(jù),，有效提高手術(shù)的精確性,、滿意度。 基于打印的準(zhǔn)確性,，利用聚已內(nèi)酯,、羥基磷3D灰石、鈦合金等組織相容性好,、機(jī)械性能優(yōu)良的仿生材料對患者局部器官組織進(jìn)行“量身定做”,，打印個性化植入體、假體進(jìn)行組織重建與修復(fù),。

目前,，已經(jīng)成功打印人工骨、人工關(guān)節(jié),、人工氣管,、鼻/耳贗復(fù)體用于修補骨缺損、頜面部修復(fù)等,。  比利時大學(xué)（利用鈦粉打印了Hasselt2011）3D一位歲女性患者的下頜骨,，并于荷蘭的83Sittard-Geleen醫(yī)院為該患者成功實施了人工下頜骨移植術(shù)，患者術(shù)后天即可正常說話和進(jìn)食,，標(biāo)志著打印技23D術(shù)成功應(yīng)用于臨床實際,。此后利用鈦粉,、鈦合金打印假體修補骨骼缺損得以廣泛開展,，目前已成功實施了人工下頜骨、牙槽骨,、肩胛骨,、鎖骨、肋骨,、樞椎等的個性化植入,。

組織相容性好的聚已內(nèi)酯也被用作植入體進(jìn)行 組織修復(fù)。年，等將打印的聚己內(nèi)酯氣2013Zopf3D管支架植入一位患有支氣管軟化癥的嬰兒體內(nèi),，該支架與氣管銜接良好,，患兒術(shù)后天便可實現(xiàn)自主21呼吸，一年后的隨訪表明患兒的左主支氣管一切正常,，并且未發(fā)生過支架相關(guān)問題,。 目前，國內(nèi)外已有武漢協(xié)和醫(yī)院,、北京阜外醫(yī)院,、美國休斯頓德克薩斯兒童醫(yī)院等多家醫(yī)院設(shè)立了專門的打印中心，便于根據(jù)患者需求訂制個性3D化植入體,，以有效解決臨床實際問題,。

2.2 3D打印技術(shù)在基礎(chǔ)研究的應(yīng)用
利用組織相容性好的生物大分子仿生材料（包括聚己內(nèi)酯、明膠,、藻朊酸鹽等）打印出的高仿3D真生物支架具有良好的機(jī)械強(qiáng)度,，其內(nèi)部含有豐富的孔隙利于細(xì)胞的爬貼與增殖，許多體外實驗已證實貼附,、種植其上的細(xì)胞能在幾周內(nèi)保持較高的活性,，動物體內(nèi)移植實驗也顯示其與周圍組織的整合性良好，并能有效誘導(dǎo)軟骨等組織的再生,。 但這些僅包含生物大分子的組織工程支架限制了其應(yīng)用范圍的拓展,，隨著打印技術(shù)的發(fā)展，活細(xì)胞（肝細(xì)胞,、腎細(xì)胞,、干細(xì)胞等）也可與納米纖維素、水凝膠等生物大分子及生物活性因子按生物構(gòu)造被一同打印出來,，直接形成“人造組織”,，為醫(yī)學(xué)研究的深入提供新的理論和技術(shù)支持。

繼Gaebel 3D利用打印的間充質(zhì)干細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞修復(fù)心肌之后等利用聚氨酯水凝膠包裹打印,，Hsieh神經(jīng)干細(xì)胞,，使其不僅保持良好的體外增殖與分化能力，更在斑馬魚神經(jīng)損傷體內(nèi)模型中表現(xiàn)出神經(jīng)修復(fù)功能,，表明打印有望使心肌,、神經(jīng)修復(fù)成為3D可能。 活細(xì)胞成功用于打印為未來的組織器官打印3D甚至器官移植提供了美好前景,。等將內(nèi)皮[29]Horváth細(xì)胞與基底膜成分逐層打印,，模擬肺泡氣血屏障用于藥物測試。美國公司在該領(lǐng)域一直處于Organovo領(lǐng)先地位,。

該公司于年研制成功了世界第一臺2010可利用患者自身細(xì)胞打印靜脈的生物打印機(jī),，3D2014exVive3DTM年打印了商用人體肝臟組織用于臨床前的藥物測試,，年月又打印了世界上第一個20154全細(xì)胞腎組織，雖然只是把腎細(xì)胞打印成腎形,，但它可以持續(xù)存活天以上,，也能夠在一定程度上模14擬藥理反應(yīng)，因而可用于藥物毒性和療效評價等,。該公司稱商用的生物打印腎組織將在年下半年2016正式發(fā)布,，對廣大腎疾患者來說不啻為一大福音。在我國,，杭州電子科技大學(xué)等高校于年自主研2013發(fā)出一臺名為“的生物打印機(jī),，該打Regenovo”3D印機(jī)操作方便、打印精度高,，可用于打印活細(xì)胞,，并且能使細(xì)胞存活率達(dá)到、存活時間長達(dá)個90%4月,。目前,，這臺打印機(jī)已成功打印出人類耳軟骨組織、肝臟單元等,。年,，四川公司也研發(fā)2015Revotek出了血管生物打印機(jī)，使得我國制造個體功能器3D官成為可能,。當(dāng)然,，從組織器官打印到真正應(yīng)用于臨床實際還有相當(dāng)長的一段路需要走。

小結(jié)與展望
3D打印以其高保真,、高仿真,、高精確度地重現(xiàn)解剖結(jié)構(gòu)，展示了傳統(tǒng)工藝所無法比擬的優(yōu)勢,，極大地便利了解剖學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的教學(xué),。由于打印能夠迅速形象化不同患者、不同病3D患處的解剖特征,，為術(shù)前討論,、醫(yī)患交流、手術(shù)模擬提供了極大便利,，有利于縮短手術(shù)時間,、降低手術(shù)風(fēng)險、減少患者不舒適感,，也使個性化治療成為可能,。三維數(shù)字模型是打印的基礎(chǔ)，這類數(shù)字化3D信息便于收集和分析,，可實現(xiàn)資源共享,，為其他類似病例分析提供參考資料。雖然打印尚受限于打3D印材料,，其打印的生物材料可能存在組織兼容性,、安全性、版權(quán),、倫理,、監(jiān)管等問題，但隨著打印材料,、制作工藝的發(fā)展,，未來制造出理想的可應(yīng)用于臨床的人造組織器官仍指日可待。

編輯：南極熊
作者：于 敏,，張曙光,，邵海波