【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(shí)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(diǎn),，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(shí)習(xí)及臨床實(shí)踐中均得到了廣泛的應(yīng)用。

在醫(yī)學(xué)教育與臨床實(shí)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(shí)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(shí)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(diǎn)。 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(shí)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�,；蚩蒲袡C(jī)構(gòu)進(jìn)行打3D印,，可實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(fèi)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(yùn)輸、進(jìn)出口限制,，因此該中心擬將其用于商業(yè)銷售,。可見,，打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(shí)物高度一致,，在色3D澤上甚至優(yōu)于實(shí)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(shí)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(fèi)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(dú)一無二的,，常常沒有機(jī)會被學(xué)生認(rèn)識。現(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(shí)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(shí)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(shí)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(yàn)，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(shí)施，對于實(shí)習(xí)生只能成為其見習(xí)內(nèi)容,，這其實(shí)并不利于其日后臨床工作的開展�,，F(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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)習(xí)模式相比,，使用過打印3D模型進(jìn)行實(shí)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(bǔ)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(bǔ)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(shí)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(shí)際,。此后利用鈦粉,、鈦合金打印假體修補(bǔ)骨骼缺損得以廣泛開展，目前已成功實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)已證實(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)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