3D打印技術(shù)的發(fā)展及在神經(jīng)外科領(lǐng)域的應(yīng)用及前景*

王 亮 葉 迅 趙元立

1 天津市第五中心醫(yī)院神經(jīng)外科 300450； 2 首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院

3D打印技術(shù)(Three Dimensional Printing)自發(fā)明以來，在工業(yè)領(lǐng)域迅速發(fā)展，近些年來，其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域逐步得到應(yīng)用，并在神經(jīng)外科培訓(xùn)、脊柱、顱腦腫瘤及血管病方面逐漸探索應(yīng)用，綜述如下。

1 3D打印概念及發(fā)展歷程

3D打印技術(shù)是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，利用計(jì)算機(jī)軟件按照某一坐標(biāo)軸切片，再通過3D打印機(jī)運(yùn)用金屬粉末或者塑料等可黏合材料，逐層疊加的方式生產(chǎn)產(chǎn)品的技術(shù)。其最早興起于20世紀(jì)80年代[1],美國科學(xué)家Charles Hull發(fā)明了將數(shù)字資源打印成三維立體模型的技術(shù)，2年后，其發(fā)明了立體光刻工藝，并獲得了專利, 這是 3D 打印技術(shù)發(fā)展的里程碑。2010年后3D打印進(jìn)入快速發(fā)展階段，基本可以打印任何物品，從手槍到衣服，從汽車到珠寶首飾，并于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域開始應(yīng)用[2]。3D打印技術(shù)最先應(yīng)用于牙科與頜面部的手術(shù)[3]，后逐漸于各個(gè)學(xué)科開始探索應(yīng)用。

2 3D打印常用方法

3D打印最常用的打印技術(shù)主要有3種:(1)積壓—熔融沉積式(Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM)，(2)光敏樹脂選擇性固化(SLA)，(3)選擇性激光燒結(jié)(SLS)。其中選擇性激光燒結(jié)(SLS)比積壓—熔融沉積式制造(FDM)有較好的分辨率，并且能打印較大的模型。然而目前沒有消費(fèi)等級的SLS打印機(jī)存在。光敏樹脂選擇性固化(SLA)打印機(jī)也比FDM有較高的分辨率，并且有一小部分適合消費(fèi)的SLA打印機(jī)。消費(fèi)等級的SLA打印機(jī)與專業(yè)等級的SLA打印機(jī)相比，打印容積更小。SLA比FDM成本更高，并且打印出來后需要后期處理。FDM打印機(jī)的分辨率，雖然較SLS和SLA粗糙，但應(yīng)用已經(jīng)足夠[4]。

3 3D打印在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

3D打印醫(yī)學(xué)模型：醫(yī)學(xué)模型的制造是3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中最直接、最基本的應(yīng)用，模型可用于醫(yī)學(xué)院解剖教學(xué)、手術(shù)設(shè)計(jì)和演練，提高手術(shù)的成功率，預(yù)估手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)。而利用這些模型，對低年資的醫(yī)生進(jìn)行培訓(xùn)，從而提高低年資醫(yī)生的手術(shù)熟練程度和積累經(jīng)驗(yàn)，起到培訓(xùn)和教學(xué)的作用[5]。通過3D打印技術(shù)將患者的病變模型打印出來，更加形象逼真，可以提高患者及家屬對疾病的認(rèn)知程度，促進(jìn)醫(yī)患和諧發(fā)展[6]。

3D打印醫(yī)療器械：在醫(yī)療器械領(lǐng)域3D打印技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，如在骨科個(gè)體化鋼板、人工關(guān)節(jié)、假肢的制造以及耳鼻喉科中個(gè)體化人工外耳道、助聽器、個(gè)性化種植牙等方面已經(jīng)有了初步的探索應(yīng)用，Turgut等[7]采用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)，通過CT或者M(jìn)RI獲得患者的耳廓數(shù)據(jù), 對10例患者行耳修復(fù)術(shù)，作者認(rèn)為SLS在精確度和加工速度上都優(yōu)于其他方法。Dai 等[8]采用3D 打印技術(shù)為10例接受骨盆截骨術(shù)的患者制作個(gè)性化半骨盆假體，術(shù)后影像學(xué)發(fā)現(xiàn)假體與患者匹配良好。

生物人工器官：生物人工器官的研究一直是再生醫(yī)學(xué)研究的熱點(diǎn)，有著巨大的臨床應(yīng)用前景，生物打印是3D打印技術(shù)研究中最前沿的領(lǐng)域，生物打印技術(shù)生成3D支架是通過層層疊加的機(jī)械方式制作出來的。Gaetani等[9]通過3D打印技術(shù)打印出心肌組織，在培養(yǎng)1d和7d之后，心肌細(xì)胞的活性仍能分別保持在92%和89%以上。目前，利用3D生物打印技術(shù)，已經(jīng)可以打印出皮膚、骨組織、人造血管、心臟瓣膜等，但成熟應(yīng)用于臨床仍需要更加深入的研究，但已經(jīng)呈現(xiàn)出了很好的應(yīng)用前景。

4 3D打印在神經(jīng)外科的應(yīng)用

3D打印技術(shù)在神經(jīng)外科領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用研究的就是3D打印顱骨成型技術(shù)。Kim等利用3D打印技術(shù)，用聚甲基異丁烯酸(PMMA)，在術(shù)前將頭顱CT掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成打印數(shù)據(jù)，打印出顱骨模型，植入顱骨缺損部位，達(dá)到了非常完美的效果[10]。顱底凹陷合并寰樞椎脫位常存在嚴(yán)重的骨性畸形和椎動脈變異，利用3D打印技術(shù)，制作精確實(shí)體模型，同時(shí)顯示脊柱骨性結(jié)構(gòu)和椎動脈，并進(jìn)行顏色區(qū)分，術(shù)者可在術(shù)前作出全面評估，預(yù)測術(shù)中的風(fēng)險(xiǎn)，并可模擬術(shù)中置釘，取得個(gè)性化置釘數(shù)據(jù)[11]。顱底腫瘤位置深、解剖復(fù)雜、功能重要，對術(shù)者解剖及手術(shù)技巧要求極高，Kondo等[12]對4例巖斜區(qū)腫瘤利用頭顱CT、MRI及血管影像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為3D打印數(shù)據(jù)進(jìn)行打印，并進(jìn)行可視性及模擬手術(shù)，發(fā)現(xiàn)其在顱底腫瘤具有很好的可視性及可應(yīng)用于手術(shù)演練。

血管病是3D打印技術(shù)在神經(jīng)外科探索最多的領(lǐng)域，尤其動脈瘤手術(shù)，透徹理解動脈瘤的形狀，朝向、瘤頸和與鄰近動脈及其分支、顱神經(jīng)、顱骨的關(guān)系至關(guān)重要。過去數(shù)字減影腦血管造影(DSA)及CTA是唯一方法，醫(yī)生不得不利用有限角度的二維圖像去在大腦中想象出三維圖像。目前3D打印的應(yīng)用解決了這一問題，可以直觀地呈現(xiàn)在術(shù)者面前。Anderson等[4]利用聚乳酸和MakerBot彈性材料將DSA的影像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成3D打印數(shù)據(jù)，從而打印出精確的動脈瘤模型，這種可視化且逼真的動脈瘤模型，為神經(jīng)外科醫(yī)師進(jìn)行術(shù)前評估和手術(shù)計(jì)劃提供了極大的便利。Namba等[13]也利用3D打印出動脈瘤模型，然后通過在動脈瘤模型中選擇合適的微導(dǎo)管，可以在術(shù)前為患者選擇特定的微導(dǎo)管，從而減少了介入手術(shù)的難度和操作風(fēng)險(xiǎn)。

顱內(nèi)動靜脈畸形是一種先天性疾病，顯微外科手術(shù)能直接切除畸形團(tuán)，是目前最徹底和可靠的治療方法，但其手術(shù)難度較大。Jayesh等[14]利用影像學(xué)數(shù)據(jù)，3D打印1例巨大動靜脈畸形，可以提高術(shù)者術(shù)前計(jì)劃及治療復(fù)雜血管病的能力。

目前3D打印仍存在很多技術(shù)的限制：很難模仿不同類型動脈瘤的不同感覺，如形成血栓、鈣化、混合型、血泡樣、易破的動脈瘤，很難表達(dá)血管的堅(jiān)硬程度，也不可能打印出黏附小血管，更難模仿術(shù)中動脈瘤破裂和術(shù)中并發(fā)癥[15]。3D打印在動靜脈畸形中對于動脈及靜脈血管的區(qū)分、周圍傳導(dǎo)束的打印及畸形團(tuán)的支撐仍有待于解決。

5 3D打印技術(shù)在神經(jīng)外科領(lǐng)域的挑戰(zhàn)及發(fā)展前景

3D打印技術(shù)雖發(fā)展迅速，但是在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。由于受多種因素的限制，打印的精準(zhǔn)度還有待于提高，完全貼合臨床并適合應(yīng)用于臨床消費(fèi)的打印設(shè)備仍有待于開發(fā)，打印效率及速度也有待于提高；3D打印材料有限，缺少理想的打印材料及生物相容性較好的醫(yī)學(xué)材料，同時(shí)成本較高，臨床影像數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)化為立體打印數(shù)據(jù)時(shí)數(shù)據(jù)缺失，尚不能廣泛應(yīng)用。在生物3D打印技術(shù)方面，不但需要相關(guān)的生物技術(shù)和設(shè)備輔助，還需要多學(xué)科的合作。因此，3D打印技術(shù)要想在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中得到廣泛而深入的應(yīng)用，仍面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

然而，從長遠(yuǎn)來看，3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用具有較為廣闊的發(fā)展前景，但是需要有長遠(yuǎn)的規(guī)劃和多方面的合作。國家科技部每年有專項(xiàng)關(guān)于3D打印的課題資助，相信技術(shù)及設(shè)備難題逐漸攻破，打印成品更加貼合臨床需要，美國血管病專家Lawton醫(yī)生認(rèn)為：所有的顯微手術(shù)入路及技術(shù)完全可以在真實(shí)的3D打印模型器上應(yīng)用只是時(shí)間的問題[15]。3D打印必然為醫(yī)學(xué)精準(zhǔn)醫(yī)療的發(fā)展起到重要作用。