3d打印在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用 3D打印與醫(yī)療行業(yè)白皮書

3D打印技術(shù)能夠為醫(yī)療行業(yè)提供更完整的個性化解決方案； 生物3D打印技術(shù)將促進(jìn)再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域在人造活體組織與器官的研究。 

在個性化解決方案方面，比較典型的應(yīng)用有3D手術(shù)預(yù)規(guī)劃模型、手術(shù)導(dǎo)板、3D打印植入物，以及假肢、助聽器等康復(fù)醫(yī)療器械。

在再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，研究人員已經(jīng)在利用生物3D打印技術(shù)培養(yǎng)人造器官方面取得了值得肯定的進(jìn)展。本文將以案例形式來呈現(xiàn)3D打印技術(shù)在醫(yī)療行業(yè)的各種應(yīng)用。

1.3D打印與手術(shù)規(guī)劃模型

3D打印在肝腫瘤外科診治中的最新應(yīng)用。南方醫(yī)科大學(xué)珠江醫(yī)院肝膽醫(yī)科及南方醫(yī)科大學(xué)解剖學(xué)教研室、廣東省醫(yī)學(xué)生物力學(xué)重點(diǎn)實驗室，將三維可視化、3D打印和3D腹腔鏡技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用于肝臟腫瘤的外科診治。

其中，3D打印模型的數(shù)據(jù)是通過三維可視化軟件（MI-3DVS）,對導(dǎo)入的二維CT數(shù)據(jù)進(jìn)行快速圖像分割、配準(zhǔn)和三維重建而來。在獲得可用于打印的STL 三維圖像文件之后，通過3D SystemsSpectrum ZTM 510 3D打印設(shè)備打印出1:1的物理3D模型。 3D打印的1:1模型，真實立體的反映了肝腫瘤與脈管的空間關(guān)系。通過3D打印肝臟模型，醫(yī)生

在手術(shù)前得以進(jìn)行手術(shù)預(yù)規(guī)劃和手術(shù)過程中進(jìn)行手術(shù)指導(dǎo)。在進(jìn)行腹腔鏡肝切除手術(shù)時，醫(yī)生將3D打印模型帶入手術(shù)室中與手術(shù)進(jìn)行比對，通過調(diào)整3D打印模型并置于最佳解剖位置，為手術(shù)關(guān)鍵步驟提供直觀的導(dǎo)航，最終順利完成手術(shù)，并減少手術(shù)時間和并發(fā)癥。

2.3D打印手術(shù)導(dǎo)板

醫(yī)生在手術(shù)預(yù)規(guī)劃階段，可以進(jìn)行手術(shù)導(dǎo)板的設(shè)計。設(shè)計過程需要借助軟件（如：比利時Materialise公司Magics軟件）在手術(shù)部位三維模型中做出標(biāo)記線，通過逆向工程得到可貼附于需要手術(shù)的人體組織表面的導(dǎo)板模型，最終通過3D的打印設(shè)備將導(dǎo)板打印出來。可用于制作手術(shù)導(dǎo)板的3D打印技術(shù)很多，例如：FDM、SLA、3DP、SLS、SLM...每種3D打印技術(shù)使用的打印材料、加工時間、打印產(chǎn)品強(qiáng)度各不相同。 第四軍醫(yī)大學(xué)西京骨科醫(yī)院骨腫瘤科曾經(jīng)對FDM、SLA、3DP、SLM(西安鉑力特激光立體成形技術(shù)) 4種不同3D打印技術(shù)和材料制作的3D打印手術(shù)導(dǎo)板進(jìn)行了研究和對比。研究樣本包括31例患者。

為方便讀者在今后工作中進(jìn)行參考，我們將以圖表形式來重現(xiàn)以上研究結(jié)果：

4種3D打印技術(shù)和材料加工手術(shù)導(dǎo)板的對比

 （數(shù)據(jù)來源：《多種3D打印導(dǎo)板在骨腫瘤切除重建手術(shù)中的應(yīng)用》）

4種3D打印技術(shù)和材料加工手術(shù)導(dǎo)板的優(yōu)缺點(diǎn)

 （數(shù)據(jù)來源：《多種3D打印導(dǎo)板在骨腫瘤切除重建手術(shù)中的應(yīng)用》）

3.3D打印骨科植入物

使用3D打印技術(shù)能夠制造出更多先進(jìn)合格的植入物和假體。3D打印技術(shù)也讓定制化植入物的交貨速度得以提升，從設(shè)計到制造一個定制化的植入物最快時可以在24小時之內(nèi)完成。工程師通過醫(yī)院提供的X射線、核磁共振、CT等醫(yī)學(xué)影像文件，建立三維模型并設(shè)計植入物，最終將設(shè)計文件通過金屬3D打印設(shè)備制造出來。

上海九院3D打印骨盆假體重建手術(shù)

上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院戴尅戎院士和郝永強(qiáng)教授領(lǐng)銜的骨腫瘤團(tuán)隊，曾為一位44歲男性患者成功實施了骨盆軟骨肉瘤切除后假體重建手術(shù)。患者術(shù)后3天即能進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練和下地，術(shù)后2周已能扶拐行走，術(shù)后10月可完成下蹲和駕駛汽車。

作為真正意義上的3D打印骨盆假體重建手術(shù)的成功，標(biāo)志著3D打印技術(shù)在骨科臨床應(yīng)用領(lǐng)域取得的又一個突破。自上世紀(jì)80年代開始，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院骨科即與上海交通大學(xué)王成燾教授合作，應(yīng)用3D打印技術(shù)制作骨盆腫瘤病人的骨盆模型，進(jìn)行模擬腫瘤切除及個性化假體的設(shè)計和試安裝。這臺與3D打印技術(shù)相結(jié)合的骨科手術(shù)主要具有5個特點(diǎn)：

1）假體的制作同時利用3D打印進(jìn)行快速原型模型制造和直接金屬打印半骨盆假體；

2）假體的設(shè)計同時解決了腫瘤周圍肌肉軟組織大塊切除后的傷口閉合問題；

3）3D打印的假體有多孔表面，有利于殘余肌肉的附著點(diǎn)重建；

4）手術(shù)中使用了3D打印導(dǎo)板的引導(dǎo)技術(shù)；

5）假體上的螺釘孔道是手術(shù)前根據(jù)3D打印模型設(shè)計規(guī)劃的，具有可靠的導(dǎo)向作用，醫(yī)生在手術(shù)時根據(jù)孔道的引導(dǎo)鉆入長螺釘，可以成功的避開神經(jīng)和髖關(guān)節(jié)間隙，讓手術(shù)變得更安全、精準(zhǔn)。

目前，直接3D打印的內(nèi)植物還用于骨骼大塊缺損病人的個體化充填內(nèi)植物的制作，并已用于臨床。

4.3D打印技術(shù)與康復(fù)輔具

與3D打印鈦合金定制化飛機(jī)零部件和超級轎跑個性化零部件一樣，假肢、助聽器等康復(fù)醫(yī)療器械同樣具有小批量、定制化的需求，并且設(shè)計具備復(fù)雜性，傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床受到加工角度等因素的限制往往難以實現(xiàn)。

利用3D打印技術(shù)制作單個定制化康復(fù)輔具的成本會顯著下降。以3D打印假肢舉例，傳統(tǒng)假肢特別是針對兒童，美國的創(chuàng)客團(tuán)隊曾與3D打印公司Stratasys合作，為一位兒童制作假肢，成本僅350美元，而常規(guī)的假肢價格高達(dá)4萬美元。在兒童的成長中需要多次更換假肢，如果購買傳統(tǒng)的假肢將會給家庭帶來沉重負(fù)擔(dān)。然而，假肢在設(shè)計時既要考慮舒適安全性，又需要考慮運(yùn)動功能，這兩種性能之間存在的“剛”與“柔”的矛盾需要解決。在設(shè)計前，需要科學(xué)的采集佩戴者的掃描數(shù)據(jù)。

因此，3D打印康復(fù)醫(yī)療器械的推廣需要專業(yè)的醫(yī)療器械服務(wù)商介入，從數(shù)據(jù)采集、設(shè)計、成型以及產(chǎn)品的認(rèn)證方面進(jìn)行專業(yè)的操作。

美國一個學(xué)生團(tuán)隊用3D打印機(jī)為一名出生就沒有右臂的六歲男孩做了一條手臂。制作完成后，中佛羅里達(dá)大學(xué)(UCF)的航空航天工程專業(yè)博士生ALBERT MANERO帶領(lǐng)著他的團(tuán)隊，將義肢送給了這位來自佛羅里達(dá)格羅夫蘭的小男孩ALEX PRING。小男孩很快就適應(yīng)了這條手臂。

5.3D打印與口腔科

牙齒修復(fù)和治療的成本是牙科診所、實驗室需要考慮重要因素，很多有先見之明的牙科診所、實驗室已經(jīng)引入數(shù)字化口腔技術(shù)，以提升效率、降低成本。

近年來，以軟件設(shè)計為基礎(chǔ)的牙科修復(fù)變得普及，很多牙科診所、實驗室或?qū)I(yè)義齒生產(chǎn)企業(yè)都引入了3D打印技術(shù)。結(jié)合了3D打印的數(shù)字化口腔技術(shù)為牙科行業(yè)帶來了精度高、成本低、效率高，以及符合規(guī)范化生產(chǎn)鏈相符的口腔數(shù)據(jù)。

許多牙科診所或?qū)嶒炇叶加欣?D打印機(jī)來制造患者牙齒模型。制作模型需要的三維數(shù)據(jù)可以通過直接掃描口腔來收集（掃描整個口腔大約需要2分鐘），或者通過間接掃描傳統(tǒng)的物理模型的方式來收集。-17 牙科3D模型可以用作模具并使用傳統(tǒng)方法輔助生產(chǎn)牙冠、假牙等。

另一種作用與骨科、腫瘤手術(shù)3D模型類似，即用來模擬、規(guī)劃手術(shù)過程，或與患者溝通手術(shù)過程。

6.生物3D打印

前面提到的使用金屬、塑料等非活體組織材料3D打印的定制化假肢、牙科、骨科植入物、助聽器外殼等醫(yī)療器械都屬于“初級階梯”。而打印血管、軟骨組織這類單一的活體組織屬于“中級階梯”。3D打印的人工肝臟、心臟等人工器官則屬于“頂級階梯”。無論是人造血管、軟骨組織，還是肝臟組織、腎臟組織，其核心是特定類型細(xì)胞的分離（或定向誘導(dǎo)）及大規(guī)模擴(kuò)增。而生物3D打印技術(shù)，在人工組織、器官培養(yǎng)過程更多承擔(dān)了三維形狀的構(gòu)建，即讓人體細(xì)胞按照預(yù)先設(shè)計好的形狀來生長。因此人造器官、組織的發(fā)展更大程度上取決于生物技術(shù)的發(fā)展。

英國未來學(xué)家Christopher Barnatt, 在explainingthefuture.com 網(wǎng)站中公布了可以省實現(xiàn)"頂級階梯"應(yīng)用的生物打印機(jī)概念圖，我們可以通過下圖對于未來的目標(biāo)先睹為快：

7.3D打印與定制化藥物

通過調(diào)整打印液流速、噴頭移動速度、打印液液滴直徑、粉末鋪層厚度、噴涂次數(shù)、噴涂角度、噴涂位置等工藝參數(shù)，可以改變藥劑中含量、輔料成分和組成，從而改變藥物釋放速率和釋放量，使得具體的生產(chǎn)過程靈活而簡單，通過CAD（計算機(jī)輔助設(shè)計）為單個患者設(shè)計制造理想化的治療方式成為可能。

英國中央蘭開夏大學(xué)利用3D打印技術(shù)研制針對患者需要定制的藥物

英國中央蘭開夏大學(xué)研究人員正在研究一種3D打印藥物技術(shù)。這種3D打印藥物技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用有其固有的優(yōu)勢。首先，量產(chǎn)的藥物制作成本較低。其次，3D打印藥物可以更具患者需要定制藥物。3D打印藥物技術(shù)的關(guān)鍵之處在于可3D打印的藥物材料。

目前，來自藥劑與生物醫(yī)學(xué)科學(xué)院的Mohamed Albed Alhnan團(tuán)隊開發(fā)出一種藥物線材。該團(tuán)隊表示目前正在申請相關(guān)專利，3D打印藥物技術(shù)可以根據(jù)實際需要打印出藥片。根據(jù)患者的需要精確的配比藥物不同成分的含量。實現(xiàn)真正意義上的個性化醫(yī)療。

這是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一大進(jìn)步，不僅可以降低部分成本，而且可以實現(xiàn)私人定制。3D打印藥物技術(shù)在材料上可以解決藥物作為3D打印材料的難題，同時可以作為私人藥劑師，只要一臺基于FDM成型技術(shù)的3D打印機(jī)，讓我們期待3D打印藥物技術(shù)盡早的獲得推廣應(yīng)用。

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