3d打印在醫(yī)療領(lǐng)域的應用 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)將促進再生醫(yī)學領(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，比較典型的應用有3D手術(shù)預規(guī)劃模型、手術(shù)導板、3D打印植入物，以及假肢、助聽器等康復醫(yī)療器械。

在再生醫(yī)學領(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用。南方醫(yī)科大學珠江醫(yī)院肝膽醫(yī)科及南方醫(yī)科大學解剖學教研室、廣東省醫(yī)學生物力學重點實驗室，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）,對導入的二維CT數(shù)據(jù)進行快速圖像分割、配準和三維重建而來。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)前得以進行手術(shù)預規(guī)劃和手術(shù)過程中進行手術(shù)指導。在進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)導板

醫(yī)生在手術(shù)預規(guī)劃階段，可以進行手術(shù)導板的設計。設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板模型，最終通過3D的打印設備將導板打印出來。可用于制作手術(shù)導板的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)品強度各不相同。 第四軍醫(yī)大學西京骨科醫(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)導板進行了研究和對比。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)導板的對比

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

4種3D打印技術(shù)和材料加工手術(shù)導板的優(yōu)缺點

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

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)學影像文件，建立三維模型并設計植入物，最終將設計文件通過金屬3D打印設備制造出來。

上海九院3D打印骨盆假體重建手術(shù)

上海交通大學醫(yī)學院附屬第九人民醫(yī)院戴尅戎院士和郝永強教授領(lǐng)銜的骨腫瘤團隊，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天即能進行康復訓練和下地，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，標志著3D打印技術(shù)在骨科臨床應用領(lǐng)域取得的又一個突破。自上世紀80年代開始，上海交通大學醫(yī)學院附屬第九人民醫(yī)院骨科即與上海交通大學王成燾教授合作，應用3D打印技術(shù)制作骨盆腫瘤病人的骨盆模型，進行模擬腫瘤切除及個性化假體的設計和試安裝。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：

1）假體的制作同時利用3D打印進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重建；

4）手術(shù)中使用了3D打印導板的引導技術(shù)；

5）假體上的螺釘孔道是手術(shù)前根據(jù)3D打印模型設計規(guī)劃的，具有可靠的導向作用，醫(yī)生在手術(shù)時根據(jù)孔道的引導鉆入長螺釘，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。

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)與康復輔具

與3D打印鈦合金定制化飛機零部件和超級轎跑個性化零部件一樣，假肢、助聽器等康復醫(yī)療器械同樣具有小批量、定制化的需求，并且設計具備復雜性，傳統(tǒng)數(shù)控機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擔。然而，假肢在設計時既要考慮舒適安全性，又需要考慮運動功能，這兩種性能之間存在的“剛”與“柔”的矛盾需要解決。在設計前，需要科學的采集佩戴者的掃描數(shù)據(jù)。

因此，3D打印康復醫(yī)療器械的推廣需要專業(yè)的醫(yī)療器械服務商介入，從數(shù)據(jù)采集、設計、成型以及產(chǎn)品的認證方面進行專業(yè)的操作。

美國一個學生團隊用3D打印機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，中佛羅里達大學(UCF)的航空航天工程專業(yè)博士生ALBERT MANERO帶領(lǐng)著他的團隊，將義肢送給了這位來自佛羅里達格羅夫蘭的小男孩ALEX PRING。小男孩很快就適應了這條手臂。

5.3D打印與口腔科

牙齒修復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，以軟件設計為基礎(chǔ)的牙科修復變得普及，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胞的分離（或定向誘導）及大規(guī)模擴增。而生物3D打印技術(shù)，在人工組織、器官培養(yǎng)過程更多承擔了三維形狀的構(gòu)建，即讓人體細胞按照預先設計好的形狀來生長。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。

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

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（計算機輔助設計）為單個患者設計制造理想化的治療方式成為可能。

英國中央蘭開夏大學利用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)學領(lǐng)域的應用有其固有的優(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)學科學院的Mohamed Albed Alhnan團隊開發(fā)出一種藥物線材。該團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)學領(lǐng)域的一大進步，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，讓我們期待3D打印藥物技術(shù)盡早的獲得推廣應用。

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