3D打印技术在保乳手术中应用进展

作者：张聚良，延常姣，黄美玲，凌    瑞
作者单位：空军军医大学西京医院甲乳血管外科  

3D打印属于增材制造技术的范畴，与平面打印类似，只不过3D打印采用的“墨水”是各种材料：陶瓷、塑料、金属、生物材料甚至生物活细胞等。相比于传统的制造方式，3D 打印的优势在于精度高，适用于结构复杂的物体，便于个性化制造等。随着人们对个体化、精准化治疗要求的提高，这项新技术的制造技术逐渐被应用于生物医学领域，为医学的快速发展提供了新的工具。本文就3D打印技术在医学领域的相关应用，特别是在保乳手术中的应用及研究进展进行综述。

1    3D打印的基本概念及常用方法
3D打印是以数字模型文件为基础，通过多次分层打印、逐层叠加的方式，快速加工制造任意形状的三维复杂物体的技术。3D打印的基本步骤包括计算机辅助建模、生成通用的可打印文件格式、三维的构象分层及逐层打印堆积，最终形成预设物体。3D打印常用的方法包括熔融堆积（fused deposition modelling， FDM）、立体光刻（stereolithography，SLA）及激光烧结或熔化（selective laser Sintering /melting， SLS/SLM）等。熔融堆积一般采用丝材，利用高温将材料先进行熔融，由喷头喷出，按照设定的文件进行打印堆积。SLA用激光选择性地让需要成型的液态光敏树脂发生聚合反应变硬，从而造型。和SLA不同的是，SLS用的不是液态的光敏树脂，而是粉末。激光的能量让粉末产生高温和相邻的粉末发生烧结反应连接在一起，完成打印过程。从制作工艺和方法上来看，3D打印技术对材料及相关设备具有很高的要求，例如，镁合金熔点很高，当用这样的材料进行制造时，要求设备喷头必须具备耐高温的能力，因此，即使找到了合适的材料，也需要相应的设备才能完成3D打印的过程。



2    3D打印技术在医学领域的应用报道了2例经历多次手术干预最终需要心脏移植的单心室修复失败案例，1例为左心室发育不良分期手术失败的2岁儿童，其在手术后出现了严重的三尖瓣返流；另1例为肺闭锁及右心室隔膜发育不全的14岁女童，多次手术后出现蛋白流失肠病。两例病人均需要进行心脏移植。医院根据光固化快速成型技术精准制作出了两例病人的3D心脏模型，其尺寸精确到1 mm以内。根据打印出的心脏模型选择合适的手术方式，并对下腔静脉、大动脉、肺动脉等血管进行了精准的测量。Schmauss等报道了1例复杂主动脉弓畸形病人的术前准备，该病人的主动脉瘤使主动脉扩张由升主动脉至降主动脉，术者使用弹性氨基甲酸树脂通过3D打印获得了完整的主动脉模型，以决定合适的手术方案，并使手术顺利进行，术后病人恢复良好。此外，3D打印的教学模型、骨科外支具等都已获得应用。

2011年，比利时和荷兰的研究人员成功为一例患有骨髓炎的83岁妇女植入3D打印制成的下颌骨，使病人恢复了正常的生理功能。这一手术拉开了3D打印植入物在骨组织应用的序幕。此后，在下颌骨、胸廓、关节等各种骨性硬组织的修复中，3D打印的植入物得到广泛应用，取得良好效果。3D打印植入物不仅制作方便，更重要的是实现了个性化的修复。尽管3D打印在骨性硬组织领域的应用较为成熟，但其在软组织的应用一直是一个难点。与硬组织不同，对于软组织缺损修复或者置换，不仅需要外形的类似，更需要具备相应功能，甚至功能的需求更甚于外形。例如，对于肝组织缺损，需要建立功能完全的肝脏组织，实现胆汁分泌，产生各种酶的生物功能，这就更需要结合组织工程技术，才能打印出具有完备功能的器官。


近年来，利用3D打印和组织工程相结合的办法，即利用3D打印的可降解生物材料立体骨架，附着组织干细胞，诱导组织生成的研究也在不断探索。有研究显示，通过挤压式打印，将脂肪来源的干细胞与明胶/海藻酸盐凝胶混合，打印出具有孔隙结构的三维结构，可以为干细胞的生长、增殖、分化提供基质，进一步向该三维结构中添加纤维原生长因子及各种细胞，最终可形成具有类血管结构的人造脂肪组织，该脂肪组织可以稳定存在>60 d。美国普林斯顿大学的研究员利用 3D打印制作出功能及外表都类似于人耳的仿生耳朵。该研究根据病人现有的耳朵三维信息，构建计算机CAD图像，然后在3D打印机中注入细胞、胶原蛋白凝胶、纳米银等，打印出仿生耳朵的外形。接下来将其在体外培养，软骨组织逐渐在电感应线圈触须周围增多并取代凝胶，最终获得逼真的具有人耳功能的仿生耳朵。荷兰的研究员将人心肌祖细胞、支架材料和生物墨水海藻酸盐混合，打印心脏组织，该心脏组织细胞7 d存活率为89%，且其细胞可以表达心脏转录因子Nkx2.5、Gata-4和Mef-2。


3     3D打印技术在乳腺整复手术中的应用
3.1    保乳手术的概况和瓶颈问题  
自20世纪70年代以来，随着对乳腺癌生物学行为认知的不断深入，保乳手术得到了广泛开展。特别是经典的NSABP B06和EORTC10801研究，随访时间均已超过20年，证实了保乳联合放疗在无病生存及总生存方面，均与经典的改良根治手术无差异，奠定了保乳手术的地位。而且，随着全身治疗技术的不断进步，保乳手术的适应证也在不断拓展，对于多灶、多中心病变，只要能保证切缘阴性，均可以实施保乳手术。但是，在保证阴性切缘的同时保证良好的外形仍是保乳手术最大的瓶颈问题，如肿瘤较大（直径> 5 cm）或肿瘤大小与乳腺本身体积比例相比较大时，保乳手术很难实施。在这种情况下，通过新辅助化疗降期进行保乳手术是一种策略，但也仅能解决部分问题，对于占比最高的腔面型乳腺癌，因其本身对化疗反应性差，很难通过这一方法实现保乳。因此，通过3D打印技术，根据术中切除乳腺组织的大小设计个性化的填充物，是一种可行的思路。相对于其他软组织而言，乳腺组织缺损的修复更重要的是外形的维持，不需要恢复功能，对所用材料的要求也相对较低，容易实现。

3.2    3D打印技术在保乳手术中的应用
与其他医学领域的应用一样，最初，3D打印技术应用于保乳手术主要是医学模型的建立。有研究者利用 3D打印技术，构建了乳腺肿瘤的模型，可以精确勾画肿瘤在乳腺组织中的位置，与胸肌等周围组织的关系，通过体外的这一模型作为手术导板，更精准地实施了乳腺癌的保乳手术。也有研究者利用磁共振影像构建乳腺癌的外形轮廓，利用3D打印技术建立肿瘤模型，在模型的指导下对13例病人进行了保乳手术，实现了更小创伤和安全切缘。

除了在保乳手术导航中的应用，笔者团队与西安交通大学机械制造系合作，首次实现了利用3D打印植入物进行乳房保乳整复。在该病例中，病人因肿瘤较大无法实施传统的保乳手术，通过磁共振等影像勾画出肿瘤大小后，在计算机上进行了模拟切除，根据切除后缺损范围的大小设计出个性化的填充物。采用可降解的聚已内酯材料，利用3D打印技术成功制备了填充物。填充物采用了网格状的立体骨架结构，便于诱导自体组织的生长，同时，采用不同分子量的聚已内酯可以调节降解时间，使填充物在预设的时间内逐渐降解，避免了体内留有异物。术后随访2年结果显示，植入物逐渐降解，被纤维肉芽组织替代，植入区有明显的新生血管生成，外形维持良好。由于诱导组织再生多为纤维瘢痕组织，手感较脂肪组织差，Chhaya等将3D打印的聚己内酯乳腺支架植入猪的乳腺区，2周后少量多次进行脂肪注射，结果表明，延迟的脂肪注射可以促进大量脂肪组织再生，避免脂肪坏死。


3.3    新材料与生物复合3D打印在乳房整复中的应用进展
用于乳房整复的3D打印新材料一直是热点问题。良好的材料需要满足生物相容性好，力学强度与乳房组织类似，利于诱导组织再生等条件。近年来，越来越多的生物新材料获得了尝试。纳米纤维素具有显著的物理特性，优异的表面化学性质和出色的生物相容性，具有生物可降解性和低毒性的特点，便于组成各种3D结构，并且厚度和结构均可控，使得这种材料成为生物医学植入物的更好选择。Chhaya等利用孔径＞1 mm聚丙交酯材料，采用熔融堆积的方法进行3D打印，制备了乳腺支架，在动物体内显示出良好的诱导脂肪组织再生能力，进一步研究表明，将支架与脐血管内皮细胞一并孵育后植入裸鼠体内，24周后可见显著的血管生成和脂肪形成。

透明质酸（hyaluronic acid，HA）具有良好的化学、物理和生物特性，可以与细胞内的内源性受体相互作用，积极刺激组织生长和重塑，是用于脂肪组织工程的另一类天然材料。但是，HA的强亲水性导致降解过快，对机械性能具有不利影响。此外，未经修饰的HA的处理也很有挑战性，该材料需要进行化学修改才能更适合于组织工程的实际应用。一种提高HA支架力学性能的方法是将HA与其他生物相容性和生物可吸收材料结合成复合材料。一项研究利用胶原和 HA组成了复合支架，具有较高的交联程度，水溶速率较慢，显著提高了该支架在组织再生过程中的机械强度，体外性能显示这两种材料的结合获得了更高的刚性和细胞增殖率。

一些研究还探索了生物材料与抗肿瘤药物结合的可行性，以达到治疗的目的。有研究者把单宁酸作为胶原交联剂，制备了具有抗癌性能的胶原乳腺植入支架，认为有可能选择性地改变健康细胞和癌细胞的代谢活动。新兴的纳米材料具有良好的机械稳定性、多孔性和可生物降解性，不仅可以对生物支架提供必要的增强，而且能够控制生物活性物质的传递，例如药物或生长因子，可以随着支架降解而被逐渐释放，一方面可以诱导组织生成，另一方面达到抗肿瘤的目的。

4    问题与展望
尽管3D打印技术在保乳手术中显示出了良好的应用前景，但仍有一些问题有待进一步解决。首先，3D打印的生物支架需要与乳腺组织力学特性更好的匹配，特别是不同年龄、不同个体乳腺组织的力学强度并不一致，相应的生物支架的结构也会有所不同，二者之间的匹配关系有待探索；结合活体细胞的生物复合打印仍是难点；结合生物干细胞的支架安全性仍有待观察。总之，作为保乳手术的一个新兴手段，3D打印技术的应用必然会越来越广泛，新材料技术的进步，也不断推动这一领域的发展，最终实现个性化定制乳腺癌手术。


参考文献略
来源： 中国实用外科杂志