醫(yī)學(xué)三維打印材料分類(lèi)及應(yīng)用介紹

潘周嫻，陳 適，劉 巍，潘 慧，姚 勇，朱慧娟，楊 華

(中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)院 1.臨床醫(yī)學(xué)八年制；2.內(nèi)分泌科；3.教育處；4.神經(jīng)外科；5.耳鼻喉科，北京 100730)

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短篇綜述

醫(yī)學(xué)三維打印材料分類(lèi)及應(yīng)用介紹

潘周嫻1，陳 適2*，劉 巍2，潘 慧3，姚 勇4，朱慧娟2，楊 華5

(中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)院 1.臨床醫(yī)學(xué)八年制；2.內(nèi)分泌科；3.教育處；4.神經(jīng)外科；5.耳鼻喉科，北京 100730)

醫(yī)學(xué)三維打印成品的用途決定了對(duì)材料選取的特殊要求，材料主要分為模型材料和生物相容材料兩大類(lèi)。本文旨在對(duì)已有的醫(yī)學(xué)三維打印材料進(jìn)行介紹、比較適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)，并列舉應(yīng)用實(shí)例，給醫(yī)學(xué)工作者在選擇材料上提供有用的參考。

三維打??；模型材料；生物相容材料；手術(shù)練習(xí)

三維打印(three-dimensional printing,3DP)，又名快速成型、實(shí)體自由成型、增量制造等，其核心原理是借助電腦數(shù)據(jù)，通過(guò)一層一層添加材料來(lái)構(gòu)建三維物體。正如印刷術(shù)的出現(xiàn)推動(dòng)了文明和社會(huì)進(jìn)步，自1986年三維打印技術(shù)問(wèn)世以來(lái)，因精密復(fù)制、一體成型、 節(jié)約材料等諸多優(yōu)點(diǎn)， 三維打印滲入了各行各業(yè)并引領(lǐng)創(chuàng)新?？梢哉f(shuō)，只要能找到合適的材料，三維打印可以實(shí)現(xiàn)任何設(shè)計(jì)、仿真所有物品，在創(chuàng)新制造上擁有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

因能精確清晰地展現(xiàn)人體結(jié)構(gòu)，三維打印在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。主要應(yīng)用分三方面：一是模型制造，用以醫(yī)學(xué)教學(xué)、手術(shù)規(guī)劃或練習(xí)；二是可移植假體制造，用于人體結(jié)構(gòu)如骨骼、瓣膜的替換，三是組織工程，是指將生物材料、生物化學(xué)物質(zhì)和細(xì)胞共同組裝以制造組織或器官，也稱(chēng)為生物三維打印(three-dimensional bioprinting)[1]。因人體結(jié)構(gòu)有特殊的質(zhì)地，醫(yī)學(xué)三維打印領(lǐng)域?qū)Ψ抡娌牧系耐庥^、機(jī)械性能、生物相容性等方面有各式各樣的特殊要求。可以說(shuō)，材料的發(fā)展決定了醫(yī)學(xué)三維打印的未來(lái)。

1 醫(yī)學(xué)三維打印材料的應(yīng)用分類(lèi)

雖然完美展現(xiàn)精細(xì)結(jié)構(gòu)對(duì)任何三維打印技術(shù)和材料來(lái)說(shuō)都不在話下，但實(shí)際操作過(guò)程中，成品的不同用途往往決定了對(duì)材料選取的特殊要求，具體如表1所示。醫(yī)學(xué)教育用的示教模型只需有高仿真的外觀，但對(duì)機(jī)械性能和生物相容性等并沒(méi)有要求。相比于此，手術(shù)操作練習(xí)模型則要求材料的質(zhì)地與相應(yīng)的人體結(jié)構(gòu)類(lèi)似。而對(duì)于假體移植和組織工程而言，機(jī)械性能、生物相容性才是選取材料需考慮的首要因素。

不同材料需由不同的打印技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，三維打印的常用技術(shù)、簡(jiǎn)稱(chēng)和原理可參見(jiàn)表2。下面將分別針對(duì)模型材料和生物相容材料進(jìn)行介紹。

1.1 模型材料

模型材料用于醫(yī)學(xué)教學(xué)、 手術(shù)規(guī)劃或手術(shù)練習(xí)的模型制作，以下分成硬質(zhì)和軟質(zhì)材料進(jìn)行介紹(模型材料對(duì)應(yīng)的打印技術(shù)、優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用實(shí)例的總結(jié)參見(jiàn)表3)。

表1 不同醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)θS打印材料的要求

1.1.1 硬質(zhì)材料：硬質(zhì)三維打印材料種類(lèi)多、成本低、普及廣，是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的材料，成品主要用于三方面：一是示教模型，用于醫(yī)學(xué)教育、術(shù)前討論、醫(yī)患溝通等；二是手術(shù)導(dǎo)板，在整形外科、口腔科使用較多；三是手術(shù)操作練習(xí)模型，但僅限于模仿原本就堅(jiān)硬的人體結(jié)構(gòu)，如骨骼、牙齒、氣管，醫(yī)生可在模型上切割、鉆孔等，大大提高手術(shù)熟練度。

硬質(zhì)材料主要有如下幾類(lèi)：1)光敏樹(shù)脂。光敏樹(shù)脂多呈液態(tài)，最早使用的有聚丙烯酸樹(shù)脂和環(huán)氧樹(shù)脂，包括它們?cè)趦?nèi)的大多樹(shù)脂成品透明、堅(jiān)硬且易脆，可由SL或PolyJet打印[2]。堅(jiān)硬的樹(shù)脂成品在制作示教模型、手術(shù)導(dǎo)板和骨骼、牙齒等人體結(jié)構(gòu)的手術(shù)練習(xí)模型等方面幾乎沒(méi)有限制。往樹(shù)脂原料里添加石膏粉、陶瓷顆粒等，還能使成品更加堅(jiān)硬牢固[2]。樹(shù)脂的“透明”特性使之可以制作內(nèi)部結(jié)構(gòu)可視化的理想教學(xué)模型，例如內(nèi)部靜脈分支清晰可見(jiàn)的透明肝臟[3]，或是顯示內(nèi)部腫瘤的透明器官模型等[4]。2)工程塑料。用于三維打印的工程塑料有聚碳酸酯(polycarbonate, PC材料)、聚酰胺(尼龍類(lèi)材料)和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(acrylonitrile butadiene styrene, ABS)等。工程塑料強(qiáng)度高、硬度高，目前在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用多限于示教模型和手術(shù)導(dǎo)板的制作[5]。不過(guò)隨著材料的發(fā)展，也有工程塑料成品能滿足手術(shù)操作的真實(shí)性，例如聚酰胺顆粒和玻璃微球的混合粉末制作的骨骼模型的外觀和質(zhì)感非常真實(shí)，可由SLS實(shí)現(xiàn)[6]。3)其他。金屬、石膏、合成聚合物也可用于制作堅(jiān)硬物品，可以粉末形式由SLS技術(shù)打印[7]。金屬制品堅(jiān)固、制作精度高，但畢竟顏色局限、成本高、搬運(yùn)不便，較少用于醫(yī)學(xué)模型制作。石膏的價(jià)格低廉，可由多種技術(shù)打印。值得一提的是，3DP可通過(guò)不同顏色的黏合劑來(lái)給石膏成品賦予不同的顏色，是難得的能打印全彩色樣件的三維打印工藝[5,7]。

表2 三維打印的常用技術(shù)介紹Table 2 Introductions on 3D printing methods

1.1.2 軟質(zhì)材料：軟質(zhì)材料主要用于模仿較軟的人體結(jié)構(gòu)，可供選擇的種類(lèi)相對(duì)少。真實(shí)質(zhì)感的手術(shù)操作練習(xí)模型不僅能給醫(yī)生很好的形態(tài)展現(xiàn)和空間體驗(yàn)，還能模擬剪切縫合的真實(shí)質(zhì)感，對(duì)縮短手術(shù)時(shí)間、降低并發(fā)癥等都有幫助。不過(guò)大多材料不具備表面摩擦力、延展性等復(fù)雜性能的仿真度，也無(wú)法在質(zhì)感上模仿脂肪等軟組織，未來(lái)材料的進(jìn)步直接決定了醫(yī)學(xué)三維打印的發(fā)展。

軟質(zhì)醫(yī)學(xué)模型材料多為樹(shù)脂，例如橡膠類(lèi)樹(shù)脂能制作剪切質(zhì)感令人滿意的動(dòng)脈及動(dòng)脈瘤[8]，氨基甲酸酯橡膠可以制造手術(shù)彩排用的心臟[9]等，這些樹(shù)脂均為液態(tài)光敏樹(shù)脂，由SL或PolyJet技術(shù)打印。有機(jī)硅也可用于制作心臟等練習(xí)模型，但相比于 “直接三維打印”技術(shù)，有機(jī)硅在“間接三維打印”中應(yīng)用更加廣泛，即利用三維打印技術(shù)制作出個(gè)性化的模具后，再用有機(jī)硅澆鑄成型[10]。

1.2 生物相容材料

生物相容材料，是指植入人體后既不會(huì)迅速遭到破壞而影響其發(fā)揮作用，也不會(huì)給人體帶來(lái)?yè)p傷和毒害的材料。假體移植物和生物三維打印的原料均需有良好的生物相容性，可供選擇的材料有如下幾類(lèi)(表4)。

1.2.1 金屬：鈦和鈦合金因擁有良好的生物相容性、抗腐蝕性、堅(jiān)固耐用等諸多優(yōu)點(diǎn)，在骨科和整形外科等科室被廣泛用于制作骨移植物，可通過(guò)多種三維打印方法實(shí)現(xiàn)，如3DP、SLS、激光工程化凈成形、電子光束熔煉法等[11]。

1.2.2 磷酸鈣：基于磷酸鈣的化學(xué)物質(zhì)，包括磷酸三鈣[calcium phosphate, Ca3(PO4)2]、 羥基磷灰石[hydroxyapatite, Ca5(PO4)3(OH)]、二水磷酸氫鈣粉末(dicalcium phosphate dihydrate, CaHPO4·2H2O)、陶瓷粉末及磷酸鈣骨水泥等，其優(yōu)點(diǎn)在于良好的骨誘導(dǎo)性和足夠的機(jī)械強(qiáng)度，是制造人工骨移植物及骨組織工程的理想材料[12- 13]。以基于磷酸鈣的化學(xué)物質(zhì)粉末為原料，利用3DP技術(shù)噴射黏合劑至相應(yīng)粉末表面，最終成型?？晒┻x擇的黏合劑有聚合物溶液、磷酸溶液、磷酸銨溶液和檸檬酸溶液等[12- 13]。

表3 模型材料的打印技術(shù)、優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用實(shí)例Table 3 Methods, strength and weakness, and application examples of model materials

表4 生物相容材料的打印技術(shù)、優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用實(shí)例Table 4 Methods, strength and weakness, and application examples of biocompatible materials

1.2.3 合成聚合物：合成聚合物種類(lèi)繁多， 用于三維打印的聚合物也逐年增多，性能逐漸完善，分成可降解類(lèi)和非可降解類(lèi)。前者在人體內(nèi)可被降解吸收，如聚己內(nèi)酯、聚氨酯、聚乙醇酸/聚乳酸共聚物等，有制作心臟、心臟瓣膜和骨頭的先例[14]；后者包括聚丙烯醇、聚乙二醇和明膠丙烯酸甲酯等，可以制作骨骼、軟骨、神經(jīng)、體外科研用的支架等[15- 16]。

1.2.4 天然材料：用于三維打印的天然材料有明膠、膠原、殼聚糖、纖維蛋白、玻尿酸、角蛋白、瓊脂糖等，材料來(lái)源于動(dòng)物和人體[2]。其優(yōu)點(diǎn)在于與細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix, ECM)很相似，生物相容性、生物活性好，但是天然材料的供應(yīng)不足，不同批次間性質(zhì)差異大，容易交叉污染[16]。

2 復(fù)合材料與多材料打印

復(fù)合材料能在一定程度上彌補(bǔ)單一材料的局限。例如羥基磷灰石粉末與聚丙烯醇粉末混合制成的復(fù)合材料，既解決了生物陶瓷粉末可降解性不佳的問(wèn)題，又擁有比聚合物材料更好的機(jī)械性能和生物相容性，是制作組織工程支架的理想材料[16]。

從實(shí)例中可見(jiàn)，三維打印的成品，尤其是手術(shù)練習(xí)模型及生物三維打印，多是單材料打印的單結(jié)構(gòu)。多組織模型，例如有血管附著的顱骨和大腦，多采用三維打印和其他工藝結(jié)合的方式制作，例如在打印出的顱骨上涂抹藍(lán)色和紅色硅膠后凝固成靜脈和動(dòng)脈[6]。另外，個(gè)別打印技術(shù)如SLS和PolyJet擁有一次性運(yùn)用多種材料打印出多組織器官的能力[8,17]，例如包含皮膚、顱骨、硬腦膜、腫瘤等多個(gè)不同質(zhì)感的組織的腦腫瘤模型，能給神經(jīng)外科醫(yī)生非常真實(shí)的模擬訓(xùn)練體驗(yàn)[17]。PolyJet技術(shù)由于可以同時(shí)用兩個(gè)噴頭噴射不同材料的液態(tài)微粒，因此能在同一成品中實(shí)現(xiàn)材料濃度的梯度，使成品的質(zhì)感呈現(xiàn)一個(gè)漸變的狀態(tài)[18]。

3 總結(jié)

正因材料的發(fā)展，三維打印已不僅限于在視覺(jué)上給人立體的體驗(yàn)，還能滿足質(zhì)感、機(jī)械性能甚至生物特性的仿真度，令三維打印成品擁有廣闊的運(yùn)用前景。硬質(zhì)模型材料是三維打印同時(shí)也是醫(yī)學(xué)三維打印使用最早、最廣的材料，不過(guò)部分硬質(zhì)材料的局限在于色彩的選擇不足。軟質(zhì)材料目前種類(lèi)較少，它的發(fā)展決定了三維打印在更多醫(yī)學(xué)科室被應(yīng)用的可能性。生物相容材料制作的移植器官是能直接讓患者受益匪淺的三維打印成品，目前尚在研究階段。在如今技術(shù)發(fā)展的潮流下，只有少數(shù)醫(yī)學(xué)機(jī)構(gòu)構(gòu)建了出色的多組織器官醫(yī)學(xué)三維打印模型。另外，雖然復(fù)雜的材料性能不在大多數(shù)研究的考慮范圍內(nèi)，但是監(jiān)測(cè)并把握材料發(fā)展的趨勢(shì)，可以盡快朝著更完美的三維打印成品走去。

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新聞點(diǎn)擊

運(yùn)動(dòng)對(duì)于早期精神病是有效的介入方式

據(jù)美國(guó)WebMD醫(yī)學(xué)新聞網(wǎng)(2013-11-23)報(bào)道，運(yùn)動(dòng)似乎可以預(yù)測(cè)首次發(fā)作精神病(FEP)患者的功能，這個(gè)發(fā)現(xiàn)認(rèn)為，運(yùn)動(dòng)可以作為幫助此類(lèi)患者改善結(jié)果的早期介入方式。

香港大學(xué)進(jìn)行的一篇大型研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)EP患者的運(yùn)動(dòng)程度可顯著預(yù)測(cè)6個(gè)月后的功能結(jié)果。Edwin H. M. Lee醫(yī)生等研究者寫(xiě)道，6個(gè)月時(shí)，運(yùn)動(dòng)力較差的患者的功能結(jié)果比有活動(dòng)力的患者差。

研究者指出，越來(lái)越多的研究者探討運(yùn)動(dòng)對(duì)于FEP患者心理和生理健康的影響，對(duì)一般人而言，不運(yùn)動(dòng)及生理疾病引起的死亡與失能率較高有關(guān)，也與認(rèn)知功能不佳及整體認(rèn)知衰退風(fēng)險(xiǎn)增加有關(guān)。

研究結(jié)果顯示，不運(yùn)動(dòng)所累積的影響加上使用抗精神病藥物，使精神分裂癥患者的死亡率風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步增加。研究者指出，探討運(yùn)動(dòng)和功能關(guān)系的精神分裂癥研究大多數(shù)是在有慢性疾病的患者中進(jìn)行。

這篇研究登載于2013年11月的《精神分裂癥研究》(SchizophreniaResearch)期刊。

Introduction to classification and application of materials used in medical three-dimensional printing

PAN Zhou-xian1，CHEN Shi2*，LIU Wei2，PAN Hui3，YAO Yong4，ZHU Hui-juan2，YANG Hua5

(1.Eight-year Program of Clinical Medicine； 2.Dept. of Endocrinology；3.Dept. of Education；4.Dept. of Neurosurgery； 5.Dept. of Otolaryngology， PUMC Hospital, CAMS & PUMC, Beijing 100730, China)

Applications of three-dimensional (3D) printed medical products make demands of materials, which can be divided into model materials and biocompatible materials. This article aims to introduce, classify and compare different materials used in medical 3D printing, provide examples and guidelines of choosing materials.

three-dimensional printing; model materials; biocompatible materials; surgical practice

2014- 12- 16

：2015- 01- 22

大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃(201410023006)；協(xié)和青年科研基金(33320140113)；首都特色臨床醫(yī)學(xué)(Z141107002514051)

*通信作者(correspondingauthor)：cs0083@126.com

1001-6325(2015)05-0702-05

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