【解析】3D打印技术在医学领域中的应用

3D 打印（技术起始于世纪年代，是一种基于三维可视化模2080型的快速堆积成型技术，通过三维扫描、计算机辅助设计三维数字化模型，并对模型进行分层和数控 编程，形成文件输入打印机。这样，无需模STL3D具和机械加工，打印机就可直接将金属、塑料、3D 陶瓷、粉末、细胞、凝胶等单一或混合材料通过激光束或热熔喷嘴等方法层层叠加，最终形成三维实体结构。

开发了第一台商业1986Charles W. Hull 3D打印机，成功地利用光敏树脂打印零件，与传统物件制备时所需的切削雕琢技术相比，打印可极3D大地降低结构复杂产品的制造难度，具有成型精度高、分辨率高、可重复性好、易于集成、高效经济等优点，已逐步应用于航天、军工、医疗、教育、建筑及电影制作等多个领域。 在医学领域，打印技术已在医学基础教育、 3D科研、临床实习及临床实践中均得到了广泛的应用。

在医学教育与临床实习过程中，打印可将复3D杂、微细的解剖结构精确再现，便于学生对局部解剖的认识和理解，甚至进行手术模拟操作；在科研领域，打印通过模拟组织结构与微环境，进行药3D物筛选、药理作用、细胞间相互作用等研究；在临床医学领域，通过再现病损组织器官的局部解剖结构，进行术前讨论，实现了个性化和微创治疗，提高手术精确度与成功率、提高患者生活质量。

1  3D打印技术在医学教学的应用
1.1 基础医学教学
人体解剖学是打印应用最多的基础学科。人3D体解剖学是最重要的一门基础医学学科，其中尸体解剖又是最重要的教学手段。尸体解剖不仅实践性强，更可使学生直观了解人体器官结构、位置、相互关系，促进学生对人体结构与疾病关系的认识。

由于目前多数医学院校存在教学尸体数量逐渐减少的问题，无法满足教学需要，导致很多医学类院校逐渐通过教学录像、数字化三维图像、教学模型、生物塑化标本、甚至虚拟技术辅助教学，但是这3D些都无法比尸体解剖更能满足医学生对解剖结构的深刻掌握。因此，利用打印制备解剖结构模型甚 3D至是标准化“人造尸体（辅artificial cadavers）” 助解剖学教学成为了近年来教学研究的热点。 骨骼是最早也是最主要的打印对象。从仿3D真度方面来看，骨骼的颜色比较均一、硬度较大，与既有的打印材料（如石膏、树脂等）在视觉、3D触觉等方面非常相似；从技术层面来看，骨骼易于复制、且打印出来的模型与实际解剖结构的尺寸高度一致，并且易于保存，不易损坏；从经济方面看，打印数据库可供多所院校或科研机构进行打3D印，可实现快速批量生产，性价比很高。

因此，3D打印的颅骨（包括颞骨、脑室等）、耳蜗、脊柱、骨盆、上肢骨、下肢骨等骨性结构被充分应用于解剖学教学和临床教学中。 随着图像扫描与打印精度的提高、打印材料的丰富，越来越多的高仿真解剖模型，如内脏、肌3D肉、血管、神经等都被成功打印并用于教学中。2014Monash年，澳大利亚大学人体解剖学教育中心与德国解剖模型制造商合作开发了一套人体解剖器 官的打印系统利用石膏、塑料等材料实现了3D，对上肢（包括手）、牙齿等器官高分辨率、高精确度、多层次的彩色打印，不仅能够打印肢体形状3D轮廓，还能对内部的血管、神经、肌腱等微细结构进行精确的彩色打印。

该中心又对结构更2015加复杂的眼眶进行了一系列彩色打印这些模3D，型从不同剖面展示了眼眶的复杂结构，虽然不能完全再现组织的不同质地，但是彩色打印的模型比3D真实尸体更能清晰完整地展示额神经（、视神FN）经（、泪腺神经（、滑车神经（、眼ON）LN）IV）动脉（、眼上静脉（等复杂走行的细小OA）SOV）结构（图。该中心还进一步探讨了打印模型1A）3D的教学效果，与传统尸体解剖相比，模型可使学3D生获得更满意的学习效果，这有可能进一步影响传统的医学教学模式。

与同样能够反映真实解剖结构 [6]的生物塑化标本相比较而言，打印模型的制备简3D便、耗时少、费用低、便于批量生产，另外，打3D印模型不含有人体组织，可避免运输、进出口限制，因此该中心拟将其用于商业销售。可见，打3D印技术不仅具有突出的教学优势，更具有良好的商业应用价值。 虽然打印可在视觉上与实物高度一致，在色3D泽上甚至优于实物，但众多学者并不满足于现状，而是致力于高仿真打印，力求真实模拟不同组织 3D的质地和功能。

等利用石膏、硅等材料打印 O'Reilly出可以反复拆装的下肢骨、高仿真硅胶肌肉和可灌注的股动脉（图。这些下肢骨（包括足骨）模1B）型的内部预先包埋了磁铁，因而便于反复拆装，利于学生研究骨骼间的相互位置与相互作用；硅胶肌肉则很好地模拟了肌组织的柔软质地，并能通过磁性肌腱附着于骨骼上；股动脉和股静脉也是由硅胶制备的中空结构，在内部模拟的液流灌注可以通过超声成像。在教学评价中，学生对此高精度、高仿真的打印模型给予了极高的评价，学生通过反复探究骨骼之间的相互位置关系，能更深刻、形象地理解足部复杂的解剖结构。从某种意义上讲，打印3D有可能彻底改变解剖学的教学模式。

3D打印技术不仅在人体解剖学的教学中得到了充分的应用，在胚胎学、病理学的教学过程中，也有其应用价值。胎儿的骶尾部畸胎瘤、脐膨出、短肢发育不良等发育畸形的立体模型只需依据扫描MRI数据就能成功打印出来，而且打印时间可减至小1时，费用也可低至美元。在病理学的教学过程中，病理大体标本是非常重要的教学资源，但是病理标本通常存在较大差异，有些特殊病例标本极为稀少甚至是独一无二的，常常没有机会被学生认识。现在，打印就可以很好地解决这一问题。3DMahmoud等将肾癌、胰腺癌患者的术后病理标本进行了彩色模型，很好地再现肿瘤组织与周围正常3D组织间的相互关系，甚至能清晰再现胰腺癌的侵袭前缘图。

（1C）所有这些畸形、病理标本连同人体自然存在的解剖学变异对于学生日后的临床实践有很大帮助，但是由于其数量较少而难于为学生充分研究。 2015Macquarie年，澳大利亚的大学就将多年来收集到的各种变异、畸形结构的扫描数据建成数据库，并通过打印使得该校学生有机会对这些罕见结构3D进行全方位的观察和研究。该数据库也对外开放，便于其他院校调取相关信息，进行远程打印。由3D于打印机还可以实现解剖结构的放大打印，3DMacquarie大学还拟将一些在尸体解剖中无法完整暴露、难于观察或过于细小的内耳、中耳、鼻窦等结构进行扩印，便于学生的深入学习，这也拓展了3D打印在解剖学教学的应用价值。

1.2 临床医学教学
医学生在临床见习、实习中需要通过反复的临床操作逐步提高临床技能和经验，但是一些操作复杂、风险系数高、危险性大的手术（如脑室切开术、脑室外引流术、动脉瘤切除术）必须由资深医生实施，对于实习生只能成为其见习内容，这其实并不利于其日后临床工作的开展。现在，打印技3D术通过打印局部病灶、模拟局部生理环境，供实习生进行充分的病例观摩和讨论、手术模拟操作，力求提高其临床诊断与操作技能。  Ryanacrylonitrile等利用丙烯晴-丁二烯-苯乙烯（-butadiene-styrene，ABS）打印颅骨，利用明胶和琼脂打印脑组织，使用重力驱动泵模拟颅内压，打印出高仿真的含有“脑组织”的脑室，并在实习生和住院医师中进行了手术模拟训练。

学生和医生普遍感到利用这种高仿真模型进行反复演练有助于提高其临床技能和自信心，虽然打印的脑组织、颅内压变化情况与实际尚有一定差距，但这种针对高风险手术开展的术前模拟操作仍为提高医生手术技能、降低手术风险提供了有力的保证。 尸体颞骨标本是外科常用的手术训练模型，但是尸源数量的不足严重影响临床教学需求，如今，高仿真、高精度的颞骨打印模型可以很好地解决3D这一问题。目前，用于手术模拟训练的颞骨模型多用树脂制成，其轮廓和内部微细结构（如皮质ABS骨、骨小梁孔隙）的精度都非常好，能准确表现出外科手术标志，颜色也近乎天然，价格又非常低廉 （每件成本仅有美元）从视觉效果和仿真度 1.92，来看均高度类似天然标本，唯一遗憾的是在触觉上尚无法表现出皮质骨和松质骨之间的硬度差异。

即便如此，使用过这种模型的实习生也对其寄予了很高的期望，学生普遍认为该模型非常适用于各类乳突根治术、后鼓室切开术及颅底手术的模拟训练。 除了颞骨、脑室，打印的眼窝、脊柱、心3D脏、动脉瘤等模型均已用于引导学生分析病例和手术模拟训练。与传统实习模式相比，使用过打印3D模型进行实习的学生普遍认为模型的解剖结构再现性好，便于全面认识解剖结构，并能借此提早接触临床复杂手术操作，利于其临床技能的提升，因而非常推崇这种新的学习模式。

2  3D打印技术在临床和基础研究的应用
2.1 3D打印技术在临床的应用
外科（尤其是心外科、血管外科等）手术风险通常较大，凭借传统的、等二维图像或三维CTMRI成像容易存在视觉偏差或视角切换不力等缺憾，而3D打印可准确再现病变局部的复杂解剖结构及其空间关系，因而便于医生做充分的术前讨论、确定患者的个性化手术方案，有效提高手术效果和降低手术风险。 3D打印的室间隔缺损、房间隔缺损、二尖瓣瓣周漏，甚至室间隔缺损-大动脉转位-肺动脉狭窄等复杂先心病模型均可精确再现局部缺损、狭窄、梗阻等解剖部位，便于医生据此准确计算出适用于不同患者的封堵器、心内补片、自体皮瓣、支架，并选择患者个性化手术路径（图简化了手术复1D），杂度，提高了手术成功率和安全性。

打印模型3D还能准确定位患者的左心室室壁瘤、心脏神经鞘瘤的解剖位置及其与心肌的关系，使医生既能完整切 除肿瘤，又能最大限度降低心功能受损程度。除此之外，打印的食管憩室、食管裂孔、盆腔内脏3D器、唇腭裂模型也为医生选择最佳手术方式提供了理论依据，有效提高手术的精确性、满意度。 基于打印的准确性，利用聚已内酯、羟基磷3D灰石、钛合金等组织相容性好、机械性能优良的仿生材料对患者局部器官组织进行“量身定做”，打印个性化植入体、假体进行组织重建与修复。

目前，已经成功打印人工骨、人工关节、人工气管、鼻/耳赝复体用于修补骨缺损、颌面部修复等。  比利时大学（利用钛粉打印了Hasselt2011）3D一位岁女性患者的下颌骨，并于荷兰的83Sittard-Geleen医院为该患者成功实施了人工下颌骨移植术，患者术后天即可正常说话和进食，标志着打印技23D术成功应用于临床实际。此后利用钛粉、钛合金打印假体修补骨骼缺损得以广泛开展，目前已成功实施了人工下颌骨、牙槽骨、肩胛骨、锁骨、肋骨、枢椎等的个性化植入。

组织相容性好的聚已内酯也被用作植入体进行 组织修复。年，等将打印的聚己内酯气2013Zopf3D管支架植入一位患有支气管软化症的婴儿体内，该支架与气管衔接良好，患儿术后天便可实现自主21呼吸，一年后的随访表明患儿的左主支气管一切正常，并且未发生过支架相关问题。 目前，国内外已有武汉协和医院、北京阜外医院、美国休斯顿德克萨斯儿童医院等多家医院设立了专门的打印中心，便于根据患者需求订制个性3D化植入体，以有效解决临床实际问题。

2.2 3D打印技术在基础研究的应用
利用组织相容性好的生物大分子仿生材料（包括聚己内酯、明胶、藻朊酸盐等）打印出的高仿3D真生物支架具有良好的机械强度，其内部含有丰富的孔隙利于细胞的爬贴与增殖，许多体外实验已证实贴附、种植其上的细胞能在几周内保持较高的活性，动物体内移植实验也显示其与周围组织的整合性良好，并能有效诱导软骨等组织的再生。 但这些仅包含生物大分子的组织工程支架限制了其应用范围的拓展，随着打印技术的发展，活细胞（肝细胞、肾细胞、干细胞等）也可与纳米纤维素、水凝胶等生物大分子及生物活性因子按生物构造被一同打印出来，直接形成“人造组织”，为医学研究的深入提供新的理论和技术支持。

继Gaebel 3D利用打印的间充质干细胞和内皮细胞修复心肌之后等利用聚氨酯水凝胶包裹打印，Hsieh神经干细胞，使其不仅保持良好的体外增殖与分化能力，更在斑马鱼神经损伤体内模型中表现出神经修复功能，表明打印有望使心肌、神经修复成为3D可能。 活细胞成功用于打印为未来的组织器官打印3D甚至器官移植提供了美好前景。等将内皮[29]Horváth细胞与基底膜成分逐层打印，模拟肺泡气血屏障用于药物测试。美国公司在该领域一直处于Organovo领先地位。

该公司于年研制成功了世界第一台2010可利用患者自身细胞打印静脉的生物打印机，3D2014exVive3DTM年打印了商用人体肝脏组织用于临床前的药物测试，年月又打印了世界上第一个20154全细胞肾组织，虽然只是把肾细胞打印成肾形，但它可以持续存活天以上，也能够在一定程度上模14拟药理反应，因而可用于药物毒性和疗效评价等。该公司称商用的生物打印肾组织将在年下半年2016正式发布，对广大肾疾患者来说不啻为一大福音。在我国，杭州电子科技大学等高校于年自主研2013发出一台名为“的生物打印机，该打Regenovo”3D印机操作方便、打印精度高，可用于打印活细胞，并且能使细胞存活率达到、存活时间长达个90%4月。目前，这台打印机已成功打印出人类耳软骨组织、肝脏单元等。年，四川公司也研发2015Revotek出了血管生物打印机，使得我国制造个体功能器3D官成为可能。当然，从组织器官打印到真正应用于临床实际还有相当长的一段路需要走。

小结与展望
3D打印以其高保真、高仿真、高精确度地重现解剖结构，展示了传统工艺所无法比拟的优势，极大地便利了解剖学等基础学科的教学。由于打印能够迅速形象化不同患者、不同病3D患处的解剖特征，为术前讨论、医患交流、手术模拟提供了极大便利，有利于缩短手术时间、降低手术风险、减少患者不舒适感，也使个性化治疗成为可能。三维数字模型是打印的基础，这类数字化3D信息便于收集和分析，可实现资源共享，为其他类似病例分析提供参考资料。虽然打印尚受限于打3D印材料，其打印的生物材料可能存在组织兼容性、安全性、版权、伦理、监管等问题，但随着打印材料、制作工艺的发展，未来制造出理想的可应用于临床的人造组织器官仍指日可待。

编辑：南极熊
作者：于 敏，张曙光，邵海波