3D打印技術(shù)在氣道管理中的應用進展*

劉凱茜 綜述 王 軍 審校

(北京大學第三醫(yī)院麻醉科，北京 100191)

3D打印技術(shù)在我國醫(yī)療行業(yè)的應用始于20世紀80年代，最初主要用于立體醫(yī)療模型的制造。隨著精準化醫(yī)療和個性化醫(yī)療的發(fā)展，3D打印技術(shù)在醫(yī)療行業(yè)的應用日趨廣泛，從立體模型、手術(shù)器械到活體移植組織、人體器官，3D打印技術(shù)逐步成熟完善并在醫(yī)療領(lǐng)域占據(jù)重要的地位。氣道管理作為圍術(shù)期重要的管理項目之一始終備受關(guān)注，3D打印技術(shù)的出現(xiàn)可以將氣道管理可視化、個體化，因此，其應用空間和發(fā)展前景十分廣闊。本文對3D打印技術(shù)在氣道管理中的應用進行文獻總結(jié)。

1 3D 打印技術(shù)用于氣道評估

目前，3D打印技術(shù)在氣道管理方面應用最多的是用于術(shù)前準備階段的氣道評估。臨床常用的氣道評估方法主要有Mallampati分級、喉鏡檢查、測量甲頦距離及張口度、觀察頸部活動度等方法，這些方法成本低、迅速便利，但缺陷在于無法全面、直觀地掌握患者氣道情況，特別是對于有困難氣道的患者，盡管可以預測出發(fā)生困難氣道，但仍不能做到精準的定位和具體情況分析。3D打印技術(shù)很好地彌補上述缺陷，通過患者氣道的CT、MRI和超聲等檢查結(jié)果模擬重建呼吸道3D模型，還原真實氣道結(jié)構(gòu)(圖1)，直觀地了解患者氣道解剖異常及通氣功能受限的病因。利用選擇性激光燒結(jié)(selective laser sintering，SLS)和立體平板印刷打印機，在Amira、3Diagnosys、Ondemand 3D(上呼吸道重建)、OsiriX、Mimics、BrainLab(下呼吸道)等軟件包的支持下進行個體化氣道重建[1]，還原氣道及毗鄰結(jié)構(gòu)，尤其是因甲狀腺、食管、頸椎、縱隔等毗鄰結(jié)構(gòu)解剖異常帶來的氣道結(jié)構(gòu)改變，最大限度地了解患者氣道解剖結(jié)構(gòu)。

近年來，3D打印技術(shù)在產(chǎn)科和兒科患者氣道評估方面應用較多，產(chǎn)前超聲檢查可發(fā)現(xiàn)具有先天性氣道缺陷和頜面發(fā)育異常的胎兒，基于其超聲影像制出胎兒氣道的3D打印模型可清晰發(fā)現(xiàn)解剖結(jié)構(gòu)異常，用于預測和制定氣道管理方案以及氣道重建方案[2]。2015年Wilson 等[3]應用3D打印模型了解1例小兒患者的氣道實際尺寸，以此選擇合適的通氣設備施行單肺通氣，該模型使麻醉醫(yī)生能夠術(shù)前了解患兒氣道的實際情況，選擇恰當?shù)闹鳉夤芎椭夤艿臍夤軐Ч?。上海兒童醫(yī)院應用3D打印技術(shù)對嬰幼兒氣道狹窄糾正手術(shù)的評估，顯著提高手術(shù)治療成功率，自2015 年至今，該醫(yī)院心臟中心小兒氣管狹窄的手術(shù)治療成功率已接近90%[4]。對于有先天性心臟病的患者特別是小兒患者而言，術(shù)前詳細了解氣道和脈管系統(tǒng)的關(guān)系至關(guān)重要，3D打印技術(shù)可以很好地顯示心房、心室、大血管與氣管、支氣管、支氣管樹之間的解剖關(guān)系(圖2)，完善心胸外等大手術(shù)的術(shù)前準備，制定最合理的手術(shù)方案[5]。

除用于嬰幼兒的氣道評估和治療，3D打印技術(shù)也有助于成人氣道評估和相關(guān)氣道疾病的治療。從2011年至今，3D打印技術(shù)逐步應用于術(shù)前氣道評估[6]。在困難氣道、氣道解剖結(jié)構(gòu)改變或氣道為手術(shù)部位時，傳統(tǒng)的氣道評估方法將不再適用，3D打印模型可以幫助了解氣道病變、氣道腫瘤形態(tài)大小和位置、病變與鄰近器官的解剖位置、重要供血血管等信息[7]，尤其有利于麻醉醫(yī)生的氣道評估、困難氣道插管以及制定單肺通氣的氣道管理方案[8]。在整形外科中，可應用3D打印技術(shù)模擬整形后的面部結(jié)構(gòu)，比如模擬鼻部手術(shù)后面部和氣道改變，以此來評估和判斷整形手術(shù)的可行性[9]。此外，3D打印技術(shù)還可用于術(shù)后手術(shù)效果的評價和氣道評估，預防術(shù)后肉芽組織增生造成的氣道狹窄，并可檢測多發(fā)性軟骨炎的復發(fā)，以預防氣管支氣管軟化癥的發(fā)生[10]。

3D打印技術(shù)以其準確定位和立體精細剪裁，制作出個體化解剖仿真模型，能夠更直觀地了解不同個體的氣道疾病，用于制定精準的氣道手術(shù)方案及合并氣道疾病的非氣道手術(shù)患者的氣道管理方案，合理規(guī)劃手術(shù)空間，縮短手術(shù)時間，預判術(shù)中可能出現(xiàn)的問題且可避免因過度破壞氣道而造成的術(shù)后并發(fā)癥，極大地提高麻醉管理質(zhì)量和手術(shù)治療效果。北京大學第三醫(yī)院麻醉科首次應用3D打印技術(shù)完成1例喉癌術(shù)后氣管切開的氣道評估[11]。應用CT對患者氣道進行掃描，將CT中的薄層圖像資料用于三維計算功能重建，將氣管3D圖像導入3D打印機，應用可生物降解的綠色高分子材料聚丙交酯(polylactic acid，PLA)制作出氣管模型(圖3)，根據(jù)患者氣道打印3D氣道模型，根據(jù)CT圖像中氣道外徑打印3D氣道模型(圖3A)，根據(jù)CT圖像中氣道內(nèi)鏡打印制作的3D氣道模型(圖3B)。通過該模型，直觀、全面地對患者氣道情況做出評估，并根據(jù)模型選擇滿足麻醉與手術(shù)需要的氣管導管(圖3B，3C)，順利完成麻醉與手術(shù)(圖3D)，術(shù)后患者預后良好。

2 3D打印氣道支架

近年來，3D打印技術(shù)除在氣道評估方面發(fā)揮作用外，植入存在呼吸系統(tǒng)疾病患者體內(nèi)的3D打印氣道支架也在逐年增加。氣道支架是針對氣道狹窄或塌陷的患者所采用的一類氣道內(nèi)部或外部環(huán)形網(wǎng)狀支撐物，以此來擴張和支撐氣道以達到解除狹窄的治療目的。目前，臨床上常用的氣道支架以Dumon硅酮支架和鎳鈦記憶合金支架居多。Dumon硅酮支架有易發(fā)生移位、無法完全貼合氣道而易滋生細菌、不適用于曲線病灶等缺點；鎳鈦記憶合金支架有塌陷可致氣道梗阻、過度膨脹壓迫氣道壁及難以取出等缺點[12]，究其原因是批量生產(chǎn)的氣道支架不能完全滿足不同患者的病情需求。3D打印技術(shù)不僅可用于評估這類支架的設計質(zhì)量[13]，還可以用于制作個體化氣道支架。治療睡眠呼吸暫停綜合征所采用的傳統(tǒng)口腔矯正器需要定期復診，黏附率高，還有副作用，因此，輕薄、舒適貼合、黏附率低的個體化3D打印口腔矯正器應運而生，開創(chuàng)氣道支架的先河[14]。3D打印技術(shù)還極大提高氣道支架的制作效率，傳統(tǒng)支架的制作周期常為數(shù)月，基于患者的CT、MRI、超聲等影像學資料的3D打印技術(shù)在3～4 d內(nèi)即可制作出個體化的氣道支架[15]，具有廣闊的應用前景。

近年來，隨著3D打印技術(shù)的逐步成熟，出現(xiàn)一種植入氣管和支氣管外表面的3D打印支架。盡管同樣起到氣道支撐作用，但它不同于普通氣道外薄片支架[16]，其形狀與患者氣道走行一致，較好地貼合氣道，提升支撐效果(圖4)。Zopf等[17，18]應用SLS技術(shù)和可吸收材料打印出氣道外支撐薄片治療早產(chǎn)兒氣管支氣管軟化，有效緩解威脅生命的氣道塌陷，1年后臨床跟蹤氣道開放效果良好，且預計該支架在3年內(nèi)自動吸收。在小兒氣道軟化癥應用3D打印的氣道支架，還需注意氣道支架應適應氣道組織的動態(tài)生長，聚己內(nèi)酯(polycaprolactone，PCL)是較為適合的材料[19]。Kaye等[20]設計一個270°的環(huán)形氣道外3D打印薄片支架進行體外實驗，實驗結(jié)果表明，軟化氣管植入支架后相比軟化氣管的塌陷率顯著降低(P<0.01)，與正常氣管的塌陷率無統(tǒng)計學差異(P=0.13)。雖然目前對于有復雜和嚴重氣道問題的患者手術(shù)進行氣道重建能使80%～90%的患者產(chǎn)生良好的效果，但3D打印的氣道外支撐薄片可以個體化重建，對于提升治療效果仍有空間[21]。

未來的3D打印氣道支架將是組織工程學和3D技術(shù)的完美結(jié)合，不僅具備嚴格的氣密性[22]，良好的貼合氣道，能夠提供長效的支撐，不發(fā)生移植物抗宿主反應有良好的組織相容性，并能預防肉芽組織增生，促進新血管形成等特點。

3 氣道修復

在氣道管理中，具有先天性氣道發(fā)育不良或氣道相關(guān)手術(shù)后發(fā)生氣道軟化、氣道塌陷、氣道破損等組織缺陷的患者均需要及時進行氣道修復。因氣道修復過程受到修復材料、外科操作和患者免疫反應等多重因素的影響，患有嚴重氣道缺陷的患者死亡率較高。組織工程學和3D打印技術(shù)的結(jié)合改善了這一現(xiàn)狀，在個體化氣道修復方面正在逐漸成為研究和應用的熱點。融合組織工程學的3D打印技術(shù)以其精準還原氣道缺損情況和個體化制備修復材料的優(yōu)勢，制造出貼合患者氣道、降低排斥反應又不阻礙其氣道內(nèi)組織生長的修復材料，提高氣道修復成效。

近年來，氣道支架與細胞療法、生物活性因子的聯(lián)合應用在氣道的再生和修復方面的應用不斷增多[23]。結(jié)合組織工程學和3D打印技術(shù)的3D生物打印技術(shù)的出現(xiàn)，提供更多的具有生物活性的移植物和修補片[21]，3D打印技術(shù)未來可以作為基質(zhì)細胞、干細胞、生長因子的載體或者直接打印出符合個體需求的活體組織。3D打印在喉氣管重建中的應用具有很大潛力，這源于3D生物打印技術(shù)的出現(xiàn)，3D生物打印可以精確控制不同生物材料的空間構(gòu)成，在兔的喉氣管重建模型上，研究者利用3D生物打印的喉氣管移植物對摘除喉氣管的32只實驗兔實施重建術(shù)，術(shù)后體外細胞增殖試驗結(jié)果表明，修補物的初代平均存活率為87.5%，移植細胞7 d之內(nèi)可以翻1倍，并且實驗動物在移植后未發(fā)現(xiàn)呼吸異常,且修補物的軟骨組織具有良好的組織相容性[24]。

目前，常用的醫(yī)療3D打印材料主要為PCL和聚乳酸-羥基乙酸(polylactic-co-glycolic acid，PLGA)2種纖維聚合物。上述2種材料在氣道支架制備及氣道修補中可單獨應用或分層、混合使用[25]。PCL已在醫(yī)療方面廣泛應用，在機械性能方面低熔點(約60 ℃)便于3D打印材料的融化，PCL還可提高支架的機械性，能長效維持穩(wěn)定的支撐。PCL也被稱為“4D生物材料”，因為它可以隨著時間推移適應患者氣道的生長而變形、變性，因此，特別適于兒科氣道缺陷患者的氣道支撐和修補[19]。PLGA是較為新興的材料，既可以提供機械性支撐，還是可降解材料，可以在體內(nèi)逐漸水解，因而可作為藥物緩釋的載體或暫時性支架。3D打印的復合材料氣道支架根據(jù)其纖維直徑、孔隙大小、孔隙率、纖維走行方式不同會對氣道細胞修復產(chǎn)生不同的影響，這2種纖維聚合物的最佳混合搭配所制備的3D打印支架的拉伸和徑向壓縮耐受度是其他試驗組3～8.5倍，更能滿足醫(yī)生和患者對修復材料的需求[25]。根據(jù)不同的治療需求可以應用可吸收、不可吸收或者部分吸收的修復材料，3D打印產(chǎn)品的機械性能也將很大程度上影響氣道修復過程，在氣道管理方面的應用具有很大潛力，值得進一步研究。

4 3D打印技術(shù)用于臨床教學和輔助研究

3D打印技術(shù)不僅有助于臨床診斷和治療，在教學和科研方面也逐步得到應用。普通的氣道管理教學大多采用文字描述和臨床操作的方式，前者實踐性差，無法讓學生有直觀的體驗，后者在現(xiàn)今醫(yī)療環(huán)境下具有一定風險性，若使用實驗動物進行操作則存在動物資源利用、管理和處理的問題，甚至倫理問題。目前，國內(nèi)將3D打印技術(shù)應用到氣道教學中的仍屬少數(shù)，大多3D打印模型是氣道評估后繼續(xù)用于臨床教學的，但這已經(jīng)提供良好的可視化教學模型，讓學生更直觀、更真實地了解不同個體的氣道解剖情況，跳出傳統(tǒng)抽象的二維教學，大大提高教學成效和滿意度，是鍛煉和提高學生臨床思維的良好工具[26，27](圖5)。除此之外，該模型也有助于向患者及家屬介紹病情和治療方案，提高醫(yī)患溝通效率。在纖維支氣管鏡的教學中，可應用免費開放的3D模擬軟件和低成本3D打印氣道模型(圖6)，這種方法已投入教學并且收效顯著，既大幅降低教具成本，又能很好地保持學生對于解剖結(jié)構(gòu)的辨識度[28～30]。低成本的3D打印教學模型也可用于氣道重建軟骨移植術(shù)的模擬訓練，56%的參訓者認為該模型與實際情況高度相似，其余不認為高度相似的主要原因是3D材料的非均質(zhì)性和對其觸覺的陌生感，但總體來說，因其成本較低(約0.6美元)、形狀和特征符合標準人體結(jié)構(gòu)，在外科醫(yī)師氣道手術(shù)的訓練中具有較好的應用前景[31]。

3D打印的氣道模型也可以用于實驗研究，如離體仿真實驗模型的制備。3D打印技術(shù)在模擬早產(chǎn)兒呼吸道氣溶膠療法的研究方面已有應用，通過打印不同周數(shù)胎兒上呼吸道的模型來滿足實驗需求，因不涉及人體器官和組織的使用在醫(yī)學倫理方面具有明顯優(yōu)勢[32]。除此之外，3D打印的氣道模型還可用于氣溶膠、造影劑、藥物等在氣道內(nèi)分布情況的研究[33]。伴隨3D打印技術(shù)的不斷成熟，具有熱熔性的3D打印材料可以反復利用，避免了常規(guī)教學模型損耗和更新帶來的巨大開銷，日后熱熔材料制備的3D打印教學模型可能會比市售的常規(guī)教學模型更加經(jīng)濟環(huán)保，具有較好的應用前景。

5 展望

3D打印技術(shù)現(xiàn)已成為精準醫(yī)療的一部分，在氣道管理方面的應用也在不斷完善和提升，但該技術(shù)仍有一定的局限性：用于打印材料的機械性能或化學性質(zhì)還不能完全滿足理想氣道支撐物和修補物的要求；缺乏個體化3D打印產(chǎn)品的質(zhì)量檢測標準；缺乏植入物長期活體試驗觀察，難以預測長期植入后不良反應；3D打印產(chǎn)品的消毒措施有限(大部分打印材料都不能耐受高溫和高壓消毒)，目前，可用環(huán)氧乙烷、過氧化氫和伽馬射線進行消毒等[19]，但這些局限性終將隨著3D打印技術(shù)和組織工程學的發(fā)展逐步減少。

圖1 3D打印的氣道模型[8] 圖2 3D打印技術(shù)顯示氣道與大血管位置關(guān)系[7] 圖3 3D打印技術(shù)輔助喉部腫瘤患者氣管切開術(shù)后的氣道評估[11] 圖4 3D打印氣道外支架示意圖[18] 圖5 喉氣管教學模型[8] 圖6 應用于支氣管插管的教學[7]

在未來的氣道管理當中，3D打印技術(shù)在氣道評估方面的應用將逐步常規(guī)化，或不再局限于困難氣道。在氣道支架和氣道修復方面會結(jié)合組織工程學研究，將打印材料從人工聚合物優(yōu)化成為具有生物活性的組織，更能滿足不同患者和醫(yī)生的需求，因此，在手術(shù)和麻醉的呼吸管理方面有很大的應用前景。因3D打印技術(shù)幾近符合精準化醫(yī)療和個體化醫(yī)療的需要，未來批量生產(chǎn)的氣管導管和氣道支架很可能逐步減少甚至消失。在氣道管理的教學方面，可建立3D醫(yī)療影像資源庫，從中可獲得能直接進行3D打印的氣道數(shù)據(jù)和圖像，便于各教學機構(gòu)和醫(yī)療機構(gòu)共享資源，通過交流學習營造更加完善的教學和科研環(huán)境，使3D打印技術(shù)能夠在氣道管理方面發(fā)揮到極致。

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