3D打印在整形外科領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望

劉慧+賈文娜+牟先虎

【摘 要】3D打印是一種新興的快速成型技術(shù)，伴隨其技術(shù)的進(jìn)步，3D打印被越來(lái)越多地應(yīng)用在制造業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。醫(yī)療整形行業(yè)存在巨大的市場(chǎng)，3D打印技術(shù)可以滿足一部分消費(fèi)者需求，發(fā)揮其用武之地。本文從梳理3D打印技術(shù)概況和特點(diǎn)入手，在分析該技術(shù)在醫(yī)療整形領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，同傳統(tǒng)整形行業(yè)進(jìn)行對(duì)比，指出其應(yīng)用的難點(diǎn)并對(duì)行業(yè)發(fā)展前景進(jìn)行展望。

【關(guān)鍵詞】3D打??；整形外科；應(yīng)用

一、3D打印概況

1.3D打印概念

3D打印技術(shù)，被視為第三次科技革命的重要標(biāo)志之一，其與原子能、電子計(jì)算機(jī)、生物工程、空間技術(shù)等比肩，帶動(dòng)了人類科技的又一次飛躍。因此，以3D打印為代表的數(shù)字化制造技術(shù)，被《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志認(rèn)為是引發(fā)第三次工業(yè)革命的關(guān)鍵因素。近年來(lái)，這一技術(shù)逐漸引起世人的廣泛關(guān)注，其應(yīng)用所涉及的領(lǐng)域也越來(lái)越多。

3D打印是增材制造的俗稱。與傳統(tǒng)對(duì)原材料進(jìn)行切削的減材制造方法正相反，3D打印的過(guò)程好比用磚頭砌墻，逐層增加材料，最終形成物件。具體地說(shuō)，先通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)出立體模型，再利用3D打印機(jī)，將液化、粉末化、絲化的固體材料逐層“打印”出產(chǎn)品。正是由于省略了切割、磨削、熔融、腐蝕這些傳統(tǒng)處理原材料的方式，3D打印實(shí)現(xiàn)了對(duì)原材料的節(jié)約，也大大縮短了生產(chǎn)周期。這對(duì)于制造業(yè)提高效率、降低成本有著重要的經(jīng)濟(jì)意義。

2.醫(yī)學(xué)領(lǐng)域關(guān)于3D打印的文獻(xiàn)綜述

3D打印為醫(yī)學(xué)的發(fā)展提供了新的思路，開(kāi)辟了新的廣闊應(yīng)用領(lǐng)域。隨著醫(yī)學(xué)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)于精細(xì)化、個(gè)性化的需求不斷提升，3D技術(shù)得以大展身手。整形外科手術(shù)實(shí)施過(guò)程存在一系列復(fù)雜的結(jié)構(gòu)處理問(wèn)題，一直以來(lái)，醫(yī)生都是憑經(jīng)驗(yàn)完成，無(wú)法精確定位成為制約行業(yè)發(fā)展的瓶頸。3D數(shù)字成像和打印技術(shù)的出現(xiàn)有效解決了這一問(wèn)題，這也是3D打印在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域蓬勃發(fā)展的主要原因。

國(guó)內(nèi)學(xué)者李青峰（2014）對(duì)于3D打印技術(shù)在整形外科領(lǐng)域的發(fā)展階段進(jìn)行了總結(jié)：第一階段為單純的模型制造，可以實(shí)現(xiàn)假體的個(gè)性化定制、顱骨缺損的個(gè)性化修復(fù)、下頜骨重建術(shù)及截骨手術(shù)等；第二階段由單純的模型制造功能拓展到生物制造，用生物材料制備個(gè)性化假體，可直接植入人體，無(wú)需雕刻；第三階段，3D技術(shù)已日臻完善，通過(guò)與生物學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等的結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)生物活性打印，將結(jié)構(gòu)與細(xì)胞同時(shí)打印。胡迪·利普森（2013）提出了“3D打印生命階梯”的概念，把身體各部位根據(jù)復(fù)雜性排列成一個(gè)階梯。無(wú)生命的假肢位于階梯的底層，中層是簡(jiǎn)單的活性組織，如骨與軟骨；簡(jiǎn)單組織之上是靜脈和皮膚；最靠近階梯頂層為復(fù)雜且關(guān)鍵的器官，如心臟、肝臟和大腦。3D打印的技術(shù)路線則遵從生命階梯，實(shí)現(xiàn)由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的逐步發(fā)展。此外，羅強(qiáng)等學(xué)者深入研究了3D打印技術(shù)在矯形外科的應(yīng)用，主要包括三方面：第一，制定手術(shù)方案。通過(guò)術(shù)前計(jì)劃及手術(shù)操作練習(xí)，縮短手術(shù)時(shí)間，提高手術(shù)成功率；第二，個(gè)性化假體制作。根據(jù)患者的實(shí)際情況，定制個(gè)性化、特殊需求的假體；第三，骨組織工程。主要是將3D打印技術(shù)應(yīng)用于制作結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形狀各異的組織工程支架，甚至打印組織工程人體器官。由于3D打印技術(shù)的高精確性，可以滿足患者的個(gè)性化需求，并且打印器官的相容性較好，利于患者恢復(fù)。

二、3D打印的技術(shù)分析

1.3D打印所依托的關(guān)鍵技術(shù)

3D打印在醫(yī)療領(lǐng)域是一項(xiàng)多學(xué)科交叉的高新技術(shù)，是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助制造、精密驅(qū)動(dòng)、數(shù)字控制、生物等一系列技術(shù)的高度集成。概括起來(lái)，主要有以下幾方面：

（1）信息技術(shù)。3D打印是根據(jù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）模型逐層完成實(shí)體模型的。對(duì)醫(yī)生們來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)技術(shù)就像是“躲在醫(yī)生身后的手術(shù)助手”。一般情況下，醫(yī)生只能通過(guò)放射科的二維影像了解患者的情況。而3D打印技術(shù)可以將患者的病灶通過(guò)掃描完整地打印出來(lái)，形成三維的、可以拿在手中的模型。

（2）精密機(jī)械。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)于精度的要求越來(lái)越高，因此必須有高精度的設(shè)備作為支撐?，F(xiàn)今成熟的3D打印技術(shù)多以高能激光作為發(fā)生器，使用液態(tài)光敏樹(shù)脂進(jìn)行立體光刻，讓那些可塑性比較強(qiáng)的材料（如液體材料）在特定波長(zhǎng)的光線下曝光，使其迅速硬化，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)打印。目前最薄的打印層僅有25微米，完全能滿足人們對(duì)于整形方面的精度需求。

（3）打印材料。3D打印技術(shù)可選擇的材料范圍很廣，從聚合物到金屬材料，從有機(jī)到無(wú)機(jī)，為該技術(shù)提供了一個(gè)重要的先決條件。工業(yè)零件等需要滿足一定強(qiáng)度的制件可以選擇硬度較高的材料，而應(yīng)用于醫(yī)療整形的材料就要考慮柔韌度和安全性。砂礫、石料、塑料等均可作為3D打印的原料，既解決了材料供應(yīng)不足的問(wèn)題，也降低了成本。

2.3D打印技術(shù)同傳統(tǒng)技術(shù)的對(duì)比

（1）優(yōu)勢(shì)

3D打印的優(yōu)勢(shì)：①穩(wěn)定性與精確性。目前的外科整形存在一系列復(fù)雜的結(jié)構(gòu)處理問(wèn)題，如顱面骨三維結(jié)構(gòu)的定位、移動(dòng)和重建，軟組織形態(tài)結(jié)構(gòu)的三維重建等，對(duì)定位的精確度要求極高，這也是傳統(tǒng)整形外科技術(shù)的瓶頸。3D打印技術(shù)的顯著的優(yōu)勢(shì)在于有精準(zhǔn)“提前預(yù)演”，不僅具有極高的穩(wěn)定性和精準(zhǔn)性，而且能保證修復(fù)的結(jié)果與就醫(yī)者的心理預(yù)期相一致。②個(gè)性化定制。3D打印可以根據(jù)每位整形者整形部位的特征“量體裁衣”，打造完全契合身體構(gòu)造的部件。③解決復(fù)雜的醫(yī)療手術(shù)問(wèn)題。例如，頭部手術(shù)屬高風(fēng)險(xiǎn)性復(fù)雜手術(shù)，通過(guò)3D打印技術(shù)模擬演練以及精準(zhǔn)的操作可降低其手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。④生物相容性良好。Stratasys公司在生物相容性方面的技術(shù)突破使得3D打印面部骨骼整形的術(shù)后并發(fā)癥概率大大降低。如PolyJet光聚合物材料已通過(guò)包括細(xì)胞毒性、基因毒性、遲發(fā)型超敏反應(yīng)、過(guò)敏性和美國(guó)藥典塑料 VI 級(jí)5 項(xiàng)醫(yī)療審批。⑤縮短手術(shù)時(shí)間，提高效率。

（2）劣勢(shì)

相對(duì)于傳統(tǒng)整形行業(yè)，3D打印的劣勢(shì)也較為突出：①主導(dǎo)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、開(kāi)發(fā)平臺(tái)尚未確立，技術(shù)研發(fā)和推廣應(yīng)用還處于無(wú)序狀態(tài)。雖然在2012年中國(guó)成立了3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，但其發(fā)展的步伐仍然較慢。②3D 打印技術(shù)可以復(fù)制很多東西，對(duì)人體指紋、虹膜的復(fù)制可能導(dǎo)致生物特征識(shí)別技術(shù)失敗，涉及到社會(huì)穩(wěn)定、倫理道德等問(wèn)題。③3D打印的個(gè)性化定制很難形成規(guī)模效應(yīng)，產(chǎn)業(yè)化能力低。④設(shè)備及材料的成本費(fèi)用高，難以大面積推廣。⑤尚有許多技術(shù)未突破，能整形部位只限制在少數(shù)幾種。3D打印基本上還是“硬打印”，在雙眼皮等簡(jiǎn)單手術(shù)中因其和原有技術(shù)相比無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)，難以打開(kāi)市場(chǎng)。⑥國(guó)內(nèi)缺乏掌握3D醫(yī)用整形技術(shù)的專家及醫(yī)療團(tuán)隊(duì)。目前，3D打印在我國(guó)還是新興事物，多數(shù)應(yīng)用于制造業(yè)，在醫(yī)療領(lǐng)域基本空白。在美容整形這一領(lǐng)域的資深專家不了解3D打印技術(shù)，難以發(fā)揮專長(zhǎng)。endprint

三、3D打印技術(shù)應(yīng)用于整形行業(yè)的市場(chǎng)分析

1.整形市場(chǎng)需求巨大

人們對(duì)美麗的追求給予了整形行業(yè)以生命，也推動(dòng)其不斷發(fā)展壯大。由于國(guó)際時(shí)尚潮流的涌入和審美趨向的個(gè)性化，越來(lái)越多的人希望通過(guò)整形美容來(lái)塑造一個(gè)全新的自我。國(guó)際美容整形外科學(xué)會(huì)調(diào)查顯示，早在2009年中國(guó)的整形手術(shù)量已達(dá)340多萬(wàn)例，成為繼美國(guó)和巴西后全球第三整容大國(guó)。目前我國(guó)美容機(jī)構(gòu)市場(chǎng)規(guī)模已超過(guò)4500億元，且將保持10%以上的增速，預(yù)計(jì)2018年將超過(guò)8500億元。截止2012年底，中國(guó)從事整形美容行業(yè)相關(guān)人員已達(dá)60余萬(wàn)人，整形美容相關(guān)行業(yè)年產(chǎn)值突破287億。需求即意味著潛力，也讓3D技術(shù)有了可以依托的載體。

2.3D打印應(yīng)用空間巨大

消費(fèi)者不斷上漲的需求，推動(dòng)了美容業(yè)的改革和創(chuàng)新。目前市場(chǎng)上存在的整形項(xiàng)目種類繁多、前景廣闊，但競(jìng)爭(zhēng)也同樣相當(dāng)激烈。我們期待3D打印發(fā)揮得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，諸如精度高、速度快等，在細(xì)分市場(chǎng)上占據(jù)一席之地。由不同整形項(xiàng)目在醫(yī)院收入中所占比例可以看出，隆胸、隆鼻、頜面部整形三個(gè)項(xiàng)目總共占據(jù)了美容整形市場(chǎng)份額的62%。目前，鼻梁整形是植入硅膠或Gortex的人工鼻模，讓鼻梁更立體；鼻頭是利用耳朵軟骨或鼻中隔軟骨來(lái)雕塑。在歐美日韓普遍受歡迎的隆胸材料是果凍硅膠，但倘若其在體內(nèi)破掉后，并不會(huì)立即有感覺(jué)，因而會(huì)產(chǎn)生衍生物滲漏的問(wèn)題。而3D打印精細(xì)化、誤差率小等優(yōu)勢(shì)可以為隆鼻、隆胸等植入手術(shù)提供大量精準(zhǔn)的模型材料。并且，隨著3D打印向生物活性打印領(lǐng)域發(fā)展，手術(shù)中的安全問(wèn)題也將被更好地解決，彌補(bǔ)傳統(tǒng)整形手術(shù)的不足。

此外，3D打印在骨組織代替品制作方面也有巨大的發(fā)展空間。由于疾病、自然災(zāi)害、事故工傷的發(fā)生和局部戰(zhàn)爭(zhēng)，導(dǎo)致每年發(fā)生骨創(chuàng)傷的人數(shù)在全世界約有數(shù)千萬(wàn)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，中國(guó)骨缺損患者每年達(dá)300萬(wàn)人次，并呈增多趨勢(shì)，但目前僅有2%的患者得到了有效治療，潛在市場(chǎng)在20億美元以上。在國(guó)外，一公司將3D打印技術(shù)應(yīng)用于義肢打印，該義肢成本價(jià)大概是100美元，只要6小時(shí)就可以打印出來(lái)。低廉的價(jià)格給那些被戰(zhàn)爭(zhēng)蹂躪的蘇丹殘疾兒童帶去了希望。隨著我國(guó)步入老齡化社會(huì)，骨折等病損日益增加，老年人群體對(duì)骨組織材料的龐大需求，和目前市場(chǎng)上骨組織材料的供應(yīng)不足，將給3D打印在骨科領(lǐng)域的應(yīng)用帶來(lái)巨大的空間。

3.面臨的問(wèn)題

作為嶄新的應(yīng)用領(lǐng)域，3D技術(shù)在美容整形方面的推廣并非一片坦途，還面臨著來(lái)自多個(gè)方面的問(wèn)題：一是知識(shí)產(chǎn)權(quán)的落后，很多企業(yè)的研發(fā)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)都是國(guó)外的，技術(shù)上的不自主不利于本國(guó)范圍內(nèi)新興技術(shù)的普及；二是我國(guó)3D打印裝備的可靠性和材料研發(fā)上和國(guó)外有一定的差距，部分3D打印機(jī)的關(guān)鍵器件需從國(guó)外進(jìn)口，而用國(guó)產(chǎn)零件生產(chǎn)的打印機(jī)穩(wěn)定性不夠；三是目前我國(guó)3D打印應(yīng)用面還比較狹隘，局限于模具打印、文化創(chuàng)意產(chǎn)品等少數(shù)領(lǐng)域，在醫(yī)療方向上尚未取得實(shí)質(zhì)性的突破，難以將其大面積推廣；四是高成本。目前，3D打印設(shè)備、運(yùn)行費(fèi)用成本高昂。而且由于打印出來(lái)的都是個(gè)性化模型或假體，不可能通過(guò)大批量生產(chǎn)來(lái)降低成本。只有實(shí)現(xiàn)成本的降低，才能使產(chǎn)業(yè)擴(kuò)大化。

四、前景展望

國(guó)內(nèi)對(duì)3D打印技術(shù)寄予厚望。工信部等政府決策層制定3D打印技術(shù)路線圖和中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃，意味著該項(xiàng)技術(shù)已得到戰(zhàn)略上的重視和認(rèn)可，對(duì)其進(jìn)一步成熟和產(chǎn)業(yè)化運(yùn)用起到關(guān)鍵的作用。在生命科學(xué)的研究和應(yīng)用中，3D打印以“細(xì)胞打印”“仿生定制”等形式出現(xiàn)，把標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化的機(jī)械加工業(yè)生產(chǎn)方式，應(yīng)用到生物工程、生物制藥和臨床醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，已取得豐碩成果。以生物組織為原材料的制造業(yè)，有望成為高端制造業(yè)的重要組成部分。3D打印技術(shù)將促進(jìn)我國(guó)在生物能源開(kāi)發(fā)利用、生物和化學(xué)藥劑試驗(yàn)、人體組織和器官再造等領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，在整形美容領(lǐng)域的應(yīng)用不但可以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制，最大限度滿足客戶需求，而且也為傳統(tǒng)整形手術(shù)注入了新鮮的血液。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展、材料的研發(fā)和更新以及醫(yī)生熟練度的提高，整形行業(yè)必將迎來(lái)成本降低的浪潮。低成本會(huì)讓科技成果惠及大眾，從而激發(fā)潛在消費(fèi)需求。

當(dāng)前，3D打印技術(shù)雖存在一系列問(wèn)題與不足，但隨著各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展、相關(guān)專業(yè)人員的培訓(xùn)，在未來(lái)的臨床工作中，尤其是矯形外科疾病診療中，3D 打印技術(shù)勢(shì)必會(huì)發(fā)揮越來(lái)越大的作用。endprint