Med Edu Mgt 2017, Vol.3, No.4 2017年 第3卷 第4期医学教育管理医学教育管理·现代技术应用· DOI: 10.3969/j.issn.2096-045X.2017.04.0193D打印技术在医学中的应用豪1 王燮辞2 武文芳3（1.首都医科大学2015级八年制临床医学三班，北京100069；2.四川文理学院教师教育学院，四川 达州 635000；3.首都医科大学生物医学工程学院理学与生物医学工程实验教学中心,北京100069）【摘要】随着计算机建模技术和叠层打印技术等多个学科的蓬勃发展，3D打印技术作为一门多学科交叉技术在科学舞台上越来越活跃，它在医学领域也发挥着无可替代的作用。本文简述了3D打印技术工艺、打印材料，重点介绍了3D打印在口腔医学、肝胆外科、血管外科、骨科和医学教育中的应用，并对现阶段3D打印技术面临的发展瓶颈作了简单介绍。【关键词】3D打印；医学；应用Application of 3D printing technology in medical scienceZhang Jianhao1, Wang Xieci2, Wu Wenfang3(1. Clinical Medicine in 8-year Program, Class 3, Grade 2015, Capital Medical University, Beijing 100069, China; 2. College of Teacher Education, Sichuan University of Arts and Science, Dazhou, Sichuan 635000, China; 3. Experimental Teaching Center of Physical Science and Biomedical Engineering, School of Biomedical Engineering, Capital Medical University, Beijing 100069, China)【Abstract】With the development of many technologies such as computer modeling and laminated printing, 3D printing technology has becoming increasingly active on the scientific stage. It serves as a subject-bounded technology and plays an irreplaceable role in the field of medical science. This article introduces the craft of 3D printing technology and printing material, emphatically explains the application of 3D printing technology to stomatology, hepatobiliary surgery, vascular surgery, orthopaedics and medical education, and presents the bottleneck that 3D printing technology is facing at this stage.【Key words】3D printing; medical science; application 1 引 言 3D打印（3D printing）技术是基于计算机辅助设计（CAD）技术和多次连续打印技术的一种新兴应用技术。近年来，随着打印设备和打印材料的不断研发，该技术在医学中的应用得到了长足的发展。3D打印机以计算机传送的物体三维模型数据为基础，应用选择性激光烧结、熔融沉积制造、叠层实造、光固化成型和喷墨成型等技术[1]，对石蜡、金属、陶瓷、塑料等材料的粉末进行加工，快速化、精准化、个性化[2]地制造出物体实体模型。本文就3D打印技术在医学中的应用进展与未来展望作一综述。 2 3D打印技术简介 3D打印技术又称添加制造技术，因其与传统的切削加工技术不同，采用了计算机建模技术与叠层打印技术相结合的方法，逐层增加材料。它主要由高精度机械系统、数控系统、喷射系统和成型环境等子系统组成[3]，是多学科交叉的综合性应用。此外，打印机结构设计、打印机控制软件设计、打印材料和打印工艺的选择[3]也是3D打印技术体系的重要组成部分。目前可应用于医学的3D打印技术工艺有以下几种：熔融沉积成型（fused deposition modeling, FDM）、光固化立体成型（stereo 基金项目 首都医科大学促进高校内涵发展科研创新项目（116093010601）作者简介 豪，本科在读，研究方向：临床医学。Email：244309782@qq.com通讯作者 武文芳，博士，副教授，研究领域：生物医学工程。Email：wuwenfang@ccmu.edu.cnhttp://mem.ccmu.edu.cn323医学教育管理医学教育2017年 第3卷 第4期 Med Edu Mgt 2017, Vol.3, No.4lithography apparatus, SLA）、分层实造（laminated object manufacturing, LOM）[4]、喷墨成型（inkjet printing）[5]。它们在成型精度、制造成本、技术复杂程度和常用材料方面各有不同[6]。针对不同的需要选择不同的技术，但这些工艺技术都是基于叠层堆积原理，实现物体从无到有的过程。医用3D打印技术对材料的要求较高，需要考虑材料的强度、延展性、安全性、生物相容性、材料的可降解性等[7]。3D生物打印医用材料主要分为医用金属材料、医用无机非金属材料、医用高分子材料和复合生物材料。3D打印技术可以将各种材料复合打印，互相取长补短，以达到最佳使用效果。 3 3D打印技术在医学中的应用 3.1 3D打印与口腔医学3D打印技术因其突破了传统制作工艺费时、费人工、费材料的弊端，在口腔疾病的治疗中起到了越来越重要的作用。在口腔颌面外科手术前，应用3D打印技术获得的模型可以辅助口腔颌面部手术的设计，并可将3D打印获得的实体植入颌面缺损部进行替代，既提高了手术精准度，又大大减少了手术的时间。在口腔修复中，应用3D打印技术可以精确地制作大小、形状符合患者需要的修复体，同时在美学上和功能上也能较好地满足患者的要求，这是传统修复体所无法达到的。曹川[8]利用计算机制造充填模型并加以雕刻，将雕刻后的模型植入体内，对下颌骨不对称畸形进行了矫正。孙玉华等[9]在颧骨复合体骨折治疗中利用头颅模型，并由此对手术的实施进行了精确设计。按患者情况进行3D打印的下颌骨模型在术前为医生提供了参考（图1）。在正畸治疗中，应用3D打印技术可以获得更高精度的透明塑料矫正器，使治疗更加方便、舒适、高效[10]。3.2 3D打印与肝胆外科在目前对肝脏恶性肿瘤的治疗方法中，肝切除是唯一有效的方法。肝切除需要准确定位324http://mem.ccmu.edu.cn图1 3D打印下颚骨模型肝内的血管、肝管和肿瘤的位置，常规的CT、MRI等方法无法为医生提供直观的效果，必须要经过想象来确定它们之间的空间关系，这些关系往往不够准确，这就为手术埋下了隐患。3D打印技术可以制造出与患者肝脏空间结构一致的模型，精确定位血管、肿瘤的位置，为手术路径提供了指示，提高了手术的精确性，减少对健康部位的损伤，减少出血和术后并发症。云南省第一人民医院的王峻峰[11]等人利用3D打印技术，对一肝癌合并肝硬化患者的肝脏肿瘤及血管建立1 : 1的物理模型，并在术前用该模型引导手术方案的制定，手术顺利，术后14天患者康复出院，后续1~6个月随访调查无肿瘤复发，肝功能正常（图2）。3D打印还可应用于肝的组织打印，在尚未成熟的肝细胞上种植支架，可获得肝脏。这为器官移植中器官不足提供了潜在的解决办法[12]。图2 3D打印肝脏内血管走形模型3.3 3D打印与血管外科3D打印在血管外科的应用方面可分为体外解剖模型和体内移植物的制作。3D打印体外解剖模型可帮助医生研究疾病的病灶位置、疾病性质和手术方案，也可用于对医学生的解剖和临床操作教学。3D打印模型具有与患者真实病 Med Edu Mgt 2017, Vol.3, No.4 2017年 第3卷 第4期医学教育管理医学教育管理灶较高的一致性。Opolski[13]等人根据复杂主动脉瘤患者的CT图像，以液体树脂为原料进行喷墨3D打印，精确地再现了患者主动脉瘤的生长情况，对手术方案的规划起了重要辅助作用。利用3D打印的心脏模型，可以在模型中注入水以模仿血液流动，可进行解剖、超声检测、血管穿刺等一系列活动（图3）。因其造价较低，求较高的手术，如果螺钉位置不当会导致稳固性下降，达不到固定效果，造成一系列并发症。用3D打印技术可以制造出导航模板，对椎弓根螺钉植入起到了辅助作用，提高了植入准确性（图4）。而在脊柱畸形，脊柱骨折脱位的治疗中，利用3D打印技术制造脊柱实物模型对医生的手术治疗方案具有指导作用。它能够直观地反可以批量制造，是示范和教学的理想教具。3D打印血管模型用于体内移植时，具有较高的组织相容性，排斥反应小，无血栓形成，弹性好，所以可替代传统的支架成为理想的移植物[14]。第四军医大学唐都医院泌尿外科的专家们为一胡桃夹综合征患者利用3D打印技术量身定做了钛合金血管外支架，该支架与传统支架相比有高度个性化、减压效果好等优势，在植入患者体内后消除了静脉受压现象，术后患者恢复良好[15]。图3 3D打印心脏模型3.4 3D打印与骨科针对情况复杂的关节骨折和脊柱疾病，3D打印模型精度高的特点发挥得淋漓尽致。人与人之间骨的发育是有差异的，医生需要对每位患者制定个性化的手术方案，最为典型的是手术置钉导板，包括关节导板、脊柱导板[16]等。延安大学附属医院脊柱外科对43例寰椎骨折和/或脱位患者进行后路寰枢椎切开复位内固定术，按手术方式不同分为3D打印导航模板组 （19例）和传统置钉组（24例），运用统计学方法对多项手术指标进行验证，发现3D打印导航模板组在置钉准确率、置钉时间、手术时间等方面均优于传统置钉组，但仍需注意置钉所带来的手术并发症及植骨融合现象[17]。椎弓根螺钉的植入是临床脊柱外科手术中对精度要映病灶处的三维立体结构，能够帮助医生准确地判断临床骨折的分型，帮助医生进行术前规划、内固定的选择，提高了手术的安全性[18]。图4 3D打印导航模板3.5 3D打印与医学教育在医学学习的过程中最必不可少，也是最重要的科目就是形态学，而学习形态学就需要对尸体进行解剖。随着人们法律意识的增强和传统观念的影响，示教尸体资源变得越来越稀缺。传统的形态学教学也存在着环境污染，尸体标本结构显示不清等问题。利用3D打印技术制造的人体标本，可以等比例清晰显示人体的各个结构，还可进行缩放，对某些特殊结构进行仔细观察[19]，除此之外，3D打印技术还可对经典病例和罕见临床情况进行高度复制，使学员学到在书本上难以学到的临床诊断思维和治疗技能，让他们能对单一的知识点加以整合，形成一套融合各科知识点的思维体系[20]。 4 对3D打印技术应用的展望 本文介绍了3D打印技术在医学中的应用，从中我们可以看到，目前3D打印技术大部分仍处于研究阶段，能应用于临床的只是其中的一小部分。要进一步开发3D打印的作用，在http://mem.ccmu.edu.cn325医学教育管理医学教育2017年 第3卷 第4期 Med Edu Mgt 2017, Vol.3, No.4打印技术的精准度、打印材料的生物适应性、打印设备的造价等方面还需继续优化。除此之外，该技术对学科知识的交叉提出了很高的要求，高昂的科研经费也成了阻碍其发展的一块绊脚石，它的发展面临的瓶颈还有：技术研发相对落后、产业的规划统筹缺乏、知识产权保护有待完善和加强、消费市场有待拓展[21]。但是3D打印技术有着无可比拟的特点和优势，我们有理由相信，通过研究人员的努力，3D打印技术必将在医学领域大放光彩。参考文献[1]姜杰,朱莉娅,杨建飞,等.3D打印技术在医学领域的应用与展望[J].机械设计与制造工程,2014,(11):5-9.[2]邱宾.3D打印技术结合数字化技术在医学中的应用[J].科技创新与应用,2016,(15):72.[3]王雪莹.3D打印技术与产业的发展及前景分析[J].中国高新技术企业,2012,(26):3-5.[4]张学军,唐思熠,肇恒跃,等.3D打印技术研究现状和关键技术[J].材料工程,2016,(2):122-128.[5]徐弢.3D打印技术在生物医学领域的应用[J/CD].中华神经创伤外科杂志,2015,1(1):57-58.[6]胡嵩晗,胡媛茜,李根,等.3D打印技术研究现状及技术探究[J].科技展望,2016,(25):282.[7]罗文峰,杨雪香,敖宁建.生物医用材料的3D打印技术与发展[J].材料导报,2016,(13):81-86.[8]曹川,李世荣,毕胜,等.应用快速原型技术辅助矫正下颌骨不对称畸形[J].中国美容医学,2008，17(4):507-510．[9]孙玉华,唐友盛,徐兵,等.颧骨复合体骨折治疗中头颅模型的应用[J].口腔颌面外科杂志,2007，17(3):240-243．[10]张雷青,董研,董星涛.3D打印技术在口颌面治疗中的应用进展口腔颌面修复学杂志[J].2016,(3):188-192.326http://mem.ccmu.edu.cn[11]王峻峰,孙志为,王罡,等.3D打印模型在肝脏 肿瘤切除手术中的应用[J].中国现代医学杂志,2017,(3):136-138.[12]杨华瑜,廖文俊,桑新亭,等.3D打印技术在 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