3D打印技术的研究进展与康复临床应用.pdf

中国科技期刊数据库 医药 12 3D 打印技术的研究进展与康复临床应用 马立宏 上海宝山区仁和医院，上海 201900 摘要：摘要：对 3D 打印技术情况、定义以及今后发展具体情况进行阐述，对该项技术在医学、教学等方面的使用进行列举。3D 技术科技领域发展十分迅速，已经变成了研发重点。目前，该项技术在影响、改变传统的医疗模式。本文对目前使用该项技术在医学模型、再生组织器官、病变模型及康复支具辅具、医疗器械、教学等方面的应用进行说明。对国内外 3D 技术的运用现状总结，并对应用中存在的问题和未来发展进行展望及思索。关键词：关键词：3D 打印技术；康复应用；个性化设计；智能制造；材料优化 中图分类号：中图分类号：R49 1 概述 3D 打印（3D printing)始创于 20 世纪 80 年代，又称增材制造（additive manufactur-ing）技术，就是使用可热熔粘合材料，比如说塑料或粉末状金属等材料，经过分层加工、叠加成型等手段，对材料进行逐层叠加，实现整体材料的构建。3D技术需要使用CT、MRI、CAD 或三维扫描等仪器帮助建立三维数据目标模型，在使用逆向工程建模软件等方式，将设置的模型形成三维数字模型文件，之后，将其文件传送到特定的打印机，选择能够进行打印的材料，之后将目标模型按照材料进行逐层打印的方法。该项技术已经被称之为“第三次工业革命的重要标志”。3D 打印常用的材料有塑料、金属、树脂、尼龙、水凝胶、陶瓷、复合材料等，可成型的工艺种类繁多，包括迭层实体制造（laminated object manufacturing，LOM）、选择性 激 光 烧 结/熔 化 技 术（selected laser sintering/melting，SLS/SLM）、立体光固化成型技术（stereo lithography appearance，SLA）、材料/粘结剂喷射技术等工艺1。因为 3D 技术有一定无可代替的优点，如周期时间少、材料应用率高、可以制作出复杂精细构造、可个性化定制等，在医疗中得到了广泛使用，如口腔科的种植牙、外科手术导板、生物组织器官、康复支具辅助器具、医学教学模型等2。3D打印突出的优势非常符合医学领域需求，所以引起了生物医学领域越来越多的关注3-4。2 研究进展 2.1 医学模型 在医疗治疗过程中，3D 技术已经在口腔、外科等治疗领域进行了应用，并对其进行深入的研发，由于该项技术能够制作出可视化三维模型，可以帮助医生和患者更好的进行沟，并且给医生诊断进行一定的数据支持，并为病人制定个体化医治方案5-6。针对关节外科、脊柱外科以及十分复杂的手术，能够使用该项技术设计出髋臼等手术导航模板。器官角度上来看，可以打印出血管、心脏、头颅等各项所需器官的模型。在临床实操中，也展现出了该项技术在临床、教学的前景7。上海中山医院曾经报道了一个病例，80 岁高龄病人患有主动脉瓣重度狭窄合并关闭不全，在治疗过程中试该院第一次将3D技术使用到经导管主动脉瓣置 换 手 术（Transcatheter Aortic Valve Implantation,TAVI）中，并取得良好的成绩，手术之前，经过获得该病人高分辨率CT和心脏超声影像信息，并且将主动脉和心脏 3D 模型完成的展现并且打印，经该技术把病人二维影像信息变成与患者自身器官大小一致的心脏模型，医生可以直观的观察，该高龄患者只用 1 小时就完成了 TAVI 手术，并且十分的顺利，和一般的造影检查医治手段相比，病人在放射线暴露时间明显减少，造影剂使用降低了 1/3，手术之后表明人工瓣膜定位准确、功能好，病人在其中获益颇多。3D技术给临床治疗给予了更多帮助，传统影像学检查并不能展现的数据信息，可以更高程度地确保安全，损伤程度小，能够让高龄、病情十分繁琐的病人在治疗中得到保障。并且，在最新一些年来，使用该项技术进行建模，在口腔科、整形外科、骨科、肿瘤科以及临床教学等方面得到广泛的应用，并且使用了个性化中国科技期刊数据库 医药 13 手术、精准化医治，为现代医学发展加入了新的生命力。2.2 再生组织器官 最近一些年以来，器官供体来源十分稀缺情况对移植医学发展具有一定的阻碍作用，许多病人也这一原因错失最好的治疗窗口期，从而丧失生命。组织移植来源到目前来讲，临床还有一些无法突破的难题等待解决，由于 3D 技术不断发展，人体组织器官打印可能在未来有所实现8。生物 3D 打印是 3D 技术中最具有价值性、最具有前瞻性的一项技术研究。使用该项技术，能够打印出细胞组织架构，并且使用具有活体细胞的“生物墨水”作为材料，依照该项技术对其进行制造，能够打造一个立体的细胞组织架构，从而得到临床中患者所需的人工器官以及组织。相关研究表明，能够使用机体自身的干细胞，经过使用该项技术从而获得器官。一些实验已经成功打印对肝脏、肾脏、鼻子等器官打印出来。德国一项研究报道表明，使用 3D技术制作出的人造血管，性能和组织可以完全融合，在随访过程中目前没有出现器官排斥的情况，并且还生长出类似肌肉的组织，该项结果可能在今后在人体试验以及药物测试等方面应用9。还有国外科研人员使用该项技术融合机体细胞，使用了细胞混合物凝胶的可生物降解脚手架，成功将肾脏打印出来10。在今后，对该项技术的加深研究，该项技术有着更加广泛的应用，移植器官或组织来源不足的难题将会迎刃而解。2.3 打印病变模型用于医患沟通 国内目前医患关系越来越紧张，医患双方进行有效沟通是解决问题的关键。神经外科疾病具有解剖结构复杂、病情进展快、手术风险高、治疗费用高等特点，往往需要更为形象、细致的病情及手术宣教11。然而在病情讲解过程中，患者家属对解剖结构、手术进行等专业知识认知有限，往往无法理解术者想要表达的信息。而将带有疾病标记的 3D 疾病器官模型给家属讲解时，提供直观、准确、详细的疾病情况，使用该项技术所制作的模型与病人及家属进行沟通，能够让其清晰的了解手术方法以及治疗方案，能够详细的告知术中、术后风险和可能出现的并发症。神经外科手术在外科领域都是精尖领域，出现的风险和并发症比例较大，研究人员 DONG 等12 尝试使用三维脑动脉畸形模型对其病症进行讲解说明，从而有效的提升病人和家属对手术医治的理解、减少病人术前教育和需要治疗时间变短。研究人员 EISENMENGER 等13报道，1例成骨不全症病人，需要进行颅骨翻修成型术，该病人由于之前进行了多次的神经外科手术，所以对手术出现了十分严重的恐惧心理，但是 EISENMENGER 等经过制作 3D 病变模型，能够直观、具有针对性的对病人进行宣讲，从而减轻了病人的心理负担，提升了病人手术的配合度。经过该种方法，增加了病人对病变器官直观认识和对医疗操作困难、风险的理解，也极大减少医患纠纷发生。3 康复应用 3.1 矫形器 上肢矫形器，过去也有学者称之为支具、夹板、矫形装置、支架等，是一种用来改变骨骼系统和神经肌肉的结构或机能特性的体外装置，主要通过固定、支持和矫正作用，以预防、矫正畸形或代偿丧失的功能14。矫形器作为一种与人体密切接触的康复辅助器具，个性化设计和制造尤为必要。但传统矫形器制造过程尚存在一些缺陷，如石膏或夹板固定无法做到个性化设计，还可能产生严重皮肤感染、肢体僵硬、骨筋膜室综合征、压疮等井发症15-16。实际操作中发现，高温塑材料的矫形器制作过程十分的繁琐，调试周期比较长、针对个体的舒适性比较少，步骤复杂；使用该种方式制作出来的矫形器还存在外观难看、制作效率不高、弃用比例大的缺陷，制作过程中需要不断的调整试戴，可能对病人造成烫伤，由于 3D 技术以及数字医疗不断的发展、融合，这就让矫形器个性化设计变成了现实。研究人员 Hui 等17提出了在有限元分析设计基础上进行设计的一种方式，设计展现了智能化、快速化等优势，使用前臂骨折矫形器建模设计技术，Hui 等把该项技术使用到骨折矫形器当中，对进行这一手术的患者随访观察 42 天，都没有出现压疮、骨筋膜室综合征等并发症，且 3D 骨折矫形器有着重量轻、透气好、个体匹配度高、舒适度和满意度高等优点18。下肢矫形器多为支撑型矫形器，对商品的材料性能、功能、配置等参数比较苛刻，一些商品还需要兼备很多运动功能，构造也更加精密、繁琐，以上要求都对一般的假肢制造模式带来的不小的冲击。由于对3D 技术研究的不断的加深，在设计角度上进行了很大的尝试，其创新情况都得到了使用人员的认可。选材中国科技期刊数据库 医药 14 方面使用了不同的材料、厚度，有效的提升了特定位置的灵活程度，并且满足的了对硬度的需要，并可达到繁琐造型和集成的功能;下肢矫形器很大程度上使用在踝足矫形器(ankle-foot ortho-sis,AFO)，对于伴随踝背伸障碍的脑卒中患者，穿戴躁足矫形器可以很好地改善偏瘫步态，提高步行功能，改善平衡能力，降低跌倒风险19-20。许多研究证实了 3D 打印技术用于制造 AFO 的可行性和优势。除了 AFO，有学者研发了3D 足部矫形器(footorthoses.FO)或矫形鞋垫。步态参数结果并没有显著性差异性。美国 3D 打印制造商SOLS 公司于 2014 年 8 月，正式向市场推出矫形鞋垫定制服务，这是全球第一次大规模使用 3D 打印技术定制矫形鞋垫21。矫形鞋垫兼顾儿童生理、心理发育特点，投入临床使用中，具有巨大的市场潜力。来自 2015 年创意设计源报道，发育期儿童群体因坐姿、书包过重、遗传、等内外部环境所引起的下肢力线性疾病，工程师应用了三维数据取摸以及 3D 技术，依照使用人员的足底力学特征对其进行个性化设置，打印制造的鞋垫上特殊以及较为繁琐的网格支撑构造。研究人员Salles 等22的研究数据分析，3D 鞋垫能够有效的减少运动损伤伤害出现。3D 矫形鞋垫还被用于治疗扁平足患者23。3.2 脊柱矫形器 青少年特发性脊柱侧弯在出现该疾病的 80%左右，是在临床中最为常见的的一种疾病，脊柱侧弯常会带来不良的后果，患儿由于身体的原因，所以导致自卑，发生了社交障碍，还有一部分疾病的病人十分严重发生了脊髓变形，引起了下肢截瘫和排便异常情况。很多的青少年特发性脊柱侧弯病人只需要积极的进行保守医治，在目前临床中，最行之有效的方式为佩戴脊柱矫形器24。很多循证医学数据都能够证实，脊柱矫形器的佩戴时间和矫正程度有正比例关系25，但是现有矫形器存在矫形器壁厚过厚、与皮肤不贴合、样式丑陋、透气性差等间题，导致患者的佩戴依从性差，治疗效果大打折扣。据调查，对于患者来说，佩戴矫形器最主要的考虑因素是其有效性和舒适性26。3.3 3D 打印技术在定制化假肢中的应用 假肢制作过程中最重要的结构是假肢接受腔，怎样才能真正的减少假肢接受腔和残肢突出位置的接触压力指数，研究人员 Sengeh 等27研究结果证实，多材料 3D 技术制备的假肢接受腔，能够有效的解决这一问题，并且还可以有效的增加病人步行速率。Laszczak等28则研究佩戴假肢时在其中放入压力传感器，从而可以更加有效的得到压力指标。3D 技术在假足制造角度上也有一定的研究，Fey 等29研究报道证实，对其进行改造后每个手指都能够达到单独屈曲的效果30。2016 年国内徐贵升等31第一次进行了 3D 制作前臂索控假肢的研究，通过研究从而实现了假手的粗大抓握功能。2017 年，英国 Open Bionics 公司在世界第一次将 3D 打印仿生手放入到临床治疗中，其实验发现，相比传统的肌电手，3D 打印仿生手的外形更灵活但价格更低廉。3.4 医疗器械及辅具应用 3D 技术在手术器械治疗的过程中有一定的优势。定制个性化的手术以及相关功能医治阶段都需要配备个性化的手术器械，在今后的研究中，个性化手术模式一定会对传统医疗模式进行颠覆，从而适应人类治疗的需要。科研人员使用 3D 技术制造的矫形器，可以有效的避免了矫形手段和应用工具不灵活的情况，从而让部位和矫型器之间的匹配，提升了矫形器的拟合程度32。在这个过程中，3D 技术能够有效的简化商品的制造程序，减少商品研发时间，提升效率，最终控制成本。比如说 3D 技术打印一颗牙齿至需要 10 分钟,而传统种牙技术牙最少要 3 天33。3D 打印的助听器能够将传统繁琐的工序减少至 3 个工序。并且该项技术在医疗器械制造角度上都被广泛使用34。3.5 教学应用 人体解剖学对于临床工作者而言是非常重要的学科，而现代解剖学需要对尸体进行解剖，才能对其进行观察学习，但是现在尸体来源也成为了一种重要的难题，在教学过程中反复使用的尸体标本会存在解剖结构改变、结构展示不清、污染等情况35。对比 3D 技术，能提供更逼真的医学模型，还可呈现一些少见的正常变异形象或病理解剖35，也能更有利于康复专业学生更好理解人体解剖结构。3D 打印技术还广泛应用于手术模拟、技术培训、医患交流等方面。我国假肢矫形器装配人员严重不足，截至目前统计，全国假肢矫形行业专业技术职工也不到 1 千人，从业人数不足 5千人。3D 技术辅助假肢设计、康复矫形器，将传统矫中国科技期刊数据库 医药 15 形器最大的困难从之前的装配难以转化到数字化设计时期，有效的解决了康复假肢矫形专业人才缺少的困难。4 展望与思索 当下，材料和技术的飞速发展以及医工交叉融合的日益紧密，推动了 3D 技术在临床的多学科应用。但仍面临巨大挑战：打印效率与速度尚待提高，无法普遍应用于急诊手术；在打印材料方面，生物相容性较好的医学材料较少且成本较高，亟待探索研究出特性及生物兼容性与人脑结构更为相似的医学替代材料；在血栓性动脉瘤中，暂时无法重建血栓及壁钙化情况36；在 3D 应用技术方面，对跨学科人才的需求量增大，而相应的医工复合型人才培养方式改革未能跟上节奏。不仅需要合适的医疗设备与技术，还需要多学科技术人员交叉合作；临床影像数据在转化为立体打印数据以及三维立体化模型时可能存在数据缺失，对三维重建人员技术要求较高，推广过程困难重重；目前无论三维重建还是 3D 打印，都无法描述血流变化，因而对于动静脉的确认都是依靠位置而非脉管系统的流动状态，存在误差可能性。我国 3D 打印康复产业的自主创新能力不足。基于上述，是否能通过如下举措完善：优化三维重建及 3D 打印过程，提高专业人员数量及质量；加深临床医生、辅助科室及3D打印专业人员交流合作，设计并打印更适合临床需要的产品；可将血管造影应用于脑血管疾病的打印过程中，提高血流状态对疾病影响的认识；国家科技部可以增加相关方面的课题资金投入及医疗投入，鼓励 3D 打印更优地服务于临床。从长远来看，3D 打印技术正在迅猛发展，社会各方面均在共同努力，相信诸多难题都将被逐个攻克，最终开发出更适合于培训与模拟的 3D 模型，将更好地服务于临床治疗及医学教育。2018 年 2 月 7 日，国家食药督局增材制造医疗器械技术审查指导原则草案研讨会成功在京举行。但考虑到 3D 打印矫形器为专属定制型器械，对制作过程的监督管理要和传统医疗器械有一定的差异，3D 打印矫形器的市场准入一定要确保病人权益以及鼓励研发间找到一个平衡，需要在上市前进行检测并且在进入市场之后监督防范，两点之间相结合的手段37。之后，我们可尝试打破原有思维观念，考虑如何将工业互联网、云计算、大数据、智能技术、可穿戴传感器设备等现代技术融合到 3D 打印的产业链中来。我们还可进一步探索3D打印技术在残障人士个人生活自理和防护辅助器具、休闲娱乐辅助器具、职业和就业训练辅助器具、技能训练辅具、家务辅助器具等方面的应用可行性。总而言之，怎样让该项技术真正的走进我国康复医学事业中，并促进其事业的发展，更切实改善残障人士生活现状，帮助残障人士回归生活和工作，减轻家庭负担，增加残障人士的生活幸福指数，期待社会各界、尤其是康复从业者的更多探索。参考文献 1Kaufui VW,Aldo H.A review of additive manufacturingJ.Is-rn Mechanical Engineering,2012(2):30-38.2邓滨,欧阳汉斌,黄文华.3D 打印在医学领域的应用进展J.中国医学物理学杂志,2016,33(4):389-392.3常永泉.3D 打印技术在医疗领域中的应用J.科技创新与应用,2017(8):50-51.4陈道道.3D 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