3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

李元斌

（華中科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，武漢430074）

0 引 言

近年來，3D打印技術(shù)飛速發(fā)展，在多個領(lǐng)域中都得到了應(yīng)用［1］，同樣，3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域也得到了巨大的發(fā)展，主要應(yīng)用于以下幾個方面。①顱骨修復(fù)手術(shù)，這是3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域最典型的應(yīng)用之一。以往的顱骨修復(fù)手術(shù)采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和一些固定的模式來制作完成，或者通過對患者受傷部位拍下的CT照片來進行手工制作，這種制作方法制作的修補件精度很低，很難實現(xiàn)與受傷部位的精準(zhǔn)匹配，并且制作時間長，容易耽誤手術(shù)時間［2］。然而，3D打印技術(shù)可以很好地解決這一問題，利用來自核磁共振成像（MRI）或者計算機斷層成像（CT）等醫(yī)學(xué)圖像的數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換成三維實體模型，3D打印技術(shù)可以實現(xiàn)精確打印病人需要的部位，實現(xiàn)完美的匹配。②器官打印，3D打印技術(shù)可以通過使用樹脂為材料打印出半透明的人體器官模型，可以用以醫(yī)療或者教育機構(gòu)，幫助外科醫(yī)生和學(xué)生了解器官內(nèi)部結(jié)構(gòu)。目前也有研究人員使用計算機控制將生物相容性細胞、支架材料、生長因子、信號分子按照特定方式進行逐層打印，從而組合成為具有生理活性的人工器官［3］。③胎兒塑像診療，目前已有醫(yī)院可以通過對孕婦子宮內(nèi)的胎兒進行超聲波探測，從反饋得到的數(shù)據(jù)構(gòu)建出胎兒的三維模型并進行3D打印，這項技術(shù)可以幫助醫(yī)生判斷胎兒的先天性缺陷［4］。

總之，3D打印技術(shù)是一項對傳統(tǒng)制造業(yè)沖擊巨大的新興制造技術(shù)，具有開創(chuàng)性的意義，也對醫(yī)療行業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了巨大的推動作用。可以大膽展望，未來實現(xiàn)克隆技術(shù)與3D打印技術(shù)的結(jié)合，解決3D打印器官移植的排異問題，從而緩解目前對器官移植供體的急迫需求。另外，隨著打印精度的不斷提高和材料性能的優(yōu)良改進，3D打印技術(shù)將更多地開始制作個性化的醫(yī)療產(chǎn)品，滿足越來越多患者的需求［5］。

1 系統(tǒng)組成

本文選用兩臺不同的3D打印機，分別是浙江閃鑄公司的Finder單色打印機和Dreamer雙色打印機。兩臺打印機各有自己的優(yōu)缺點，都采用熔融沉積技術(shù)進行打印，基本構(gòu)造包括機體框架、控制電路、噴頭、進絲機構(gòu)、打印平臺、步進電動機等。在材料上，選擇使用聚乳酸（PLA）進行打印工作。另外，打印結(jié)束后可能需要熱熔膠槍將產(chǎn)品粘結(jié)一起。由于打印機采用逐層打印的方法，所以操作切片軟件是進行打印工作的重要內(nèi)容。FlashPrint是Finder和Dreamer兩臺打印機配套的一款切片軟件，在電腦端應(yīng)用，與配套打印機相連，適合各種建模設(shè)計完成的STL文件切片。在切片軟件FlashPrint主界面左側(cè)的工具欄包含了6個子項目，分別是視角、移動、旋轉(zhuǎn)、縮放、切割、噴頭。在主界面上方的工具欄有載入、支撐、打印3個子項目（見圖1）。

在打印一些具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型時，會存在無論怎樣旋轉(zhuǎn)調(diào)整模型方位，仍然不可避免地存在懸空位置的情況，就需要添加支撐來保證打印工作的順利進行，如圖2所示。在支撐與模型的接觸位置呈圓錐狀，尖部與打印平臺相連，這樣是為了打印完成之后更容易拆除支撐。

圖2 模型自動添加支撐

Dreamer雙色打印機是一款高精度雙噴頭3D打印機，同樣采用熔融沉積技術(shù)，這款打印機可以實現(xiàn)雙色打印，并且打印平臺可以加熱，可以使用ABS材料打印。

2 建模設(shè)計

AutoCAD是美國歐特克公司開發(fā)的一款功能強大的三維建模軟件，具有高速的數(shù)據(jù)和圖形的處理能力以及良好的文字處理能力。可以隨意測量標(biāo)注尺寸，具有實體造型，曲面造型，幾何造型等功能?？梢詫崿F(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)共享，數(shù)據(jù)直接應(yīng)用到3D打印機進行打?。?］。

3Dmax是加拿大Discreet公司開發(fā)的一款用于三維建模的軟件，具有性價比高，簡單易學(xué)等優(yōu)點，在廣告、三維動畫設(shè)計、多媒體制作等方面有較為廣泛的應(yīng)用。

MAYA同樣是美國歐特克公司推出的一款新型建模軟件，在三維動畫的制作方面功能更強大［7］，該軟件相對AutoCAD更簡單易學(xué)，更適合初學(xué)者操作使用，可以大大提高工作效率。本文所用的建模方法主要是多邊形建模法，這也是目前用途最廣的建模方法。多邊形是從一個最簡單的幾何體開始，經(jīng)過頂點、面的不斷修改，再加上移動、縮放和旋轉(zhuǎn)等操作，將幾何體不斷地修改成我們想要的模型，整個操作軟件的過程簡單重復(fù)，需要具有相當(dāng)?shù)哪托?，同時，也要求具備良好的空間想象能力和位置感，對于模型每一個小細節(jié)的處理都需要細致和耐心。

通過上面建模設(shè)計成的三維模型，可以直接導(dǎo)出為3D打印機切片軟件可以識別的STL文件，從而進行3D打印工作。

3 雙色打印方法

在解剖與生理學(xué)上講解心臟結(jié)構(gòu)知識時，通常將流著動脈血的血管（如主動脈）表示為紅色，將流著靜脈血的血管（如肺動脈）表示為藍色。本課題使用的Dreamer雙色打印機，也選用了紅色和藍色的PLA材料做打印材料，通過雙色打印的功能，將心臟模型的主動脈使用紅色耗材，從而直接打印成紅色。

在進行雙色打印時，打印機左右兩臺噴頭均需要處于工作狀態(tài)，加熱到220℃，保證耗材可以流暢擠出。如果存在模型的某一層切片有兩種顏色的情況，就需要兩臺噴頭來回轉(zhuǎn)換工作和噴頭處于待命狀態(tài)來完成打印，但是，處于待命狀態(tài)的噴頭同樣處在工作狀態(tài)下的高溫中，難以避免會有熔融狀的材料從噴頭緩慢擠出殘留在噴頭孔位置。當(dāng)待命狀態(tài)的噴頭轉(zhuǎn)換為工作狀態(tài)移動到模型的位置進行打印時，之前殘留在噴頭孔處的材料會粘在產(chǎn)品的外表面，逐漸累積粘在產(chǎn)品表面的雜質(zhì)會越來越多，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的美觀。實際操作中，碰到這種情況可以通過對模型添加“圍墻”的方法，盡可能地?fù)踝〈鼱顟B(tài)噴頭上的殘余漏料。所謂“圍墻”，就是在打印機打印產(chǎn)品的同時，在產(chǎn)品四周添加并打印出一個圓柱狀外殼，這種圓柱狀外殼可以在左右噴頭同時工作進行雙色打印時，擋住待機噴頭大部分的漏料，盡可能保證產(chǎn)品表面不會粘到漏料，有效起到了保護產(chǎn)品美觀的作用。

由于課題所使用的“心臟模型.stl”文件是一個完整的模型，在切片軟件中，無法直接通過“噴頭”選項，選擇模型的某一部分來使用不同的顏色的材料，在此之前還要使用切片軟件內(nèi)的切割功能，對模型需要區(qū)分顏色的部位進行切割分離的操作。

在切片軟件的切割選項內(nèi)，可以選擇直接沿著X、Y或Z平面直接切割（見圖3），也可以按照手繪方向切割模型（見圖4）。但是切片軟件內(nèi)的切割功能，只能把模型沿著直線切割，不太方便處理結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的三維模型，在實際操作中可以選擇使用一些更專業(yè)的stl文件編輯軟件（例如Magics），對模型進行切割或者其他的修改工作。

圖3 Z平面切割

圖4 手繪切割方案

通過切割操作，將心臟模型上的主動脈部位分離出來之后，再與剩余部位拼接在一起，此時在切片軟件中，心臟模型的外觀與之前看起來并無差別，但是實際上原來的心臟模型已經(jīng)變成了兩個被切割出來的新模型的組合體，這時就可以通過噴頭選項，設(shè)置兩個部位用不同的噴頭打印，從而區(qū)分顏色（見圖5、6）。

圖5 分離主動脈

圖6 雙色心臟模型

4 結(jié)果與分析

本課題主要是研究3D打印機在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的應(yīng)用，所以打印產(chǎn)品主要包括顱骨、心臟、人體骨架等醫(yī)療模型。

4.1 顱骨打印

本課題共進行3次顱骨打印，使用Finder單色打印機以及FlashPrint切片軟件。將模型導(dǎo)入切片軟件進行切片工作，打印機經(jīng)過預(yù)熱后即開始打印工作。

3次打印采用了不同的模型打印以便比較分析。圖8中，圖8（a）根據(jù)3D打印交流網(wǎng)站上標(biāo)準(zhǔn)顱骨模型stl文件打印，可以看出打印效果較好，顱骨外形以及各個部位棱角分明，包括面顎骨的部分，而且顱骨頂部的頂骨額骨部分打印效果非常光滑。圖8（b）是以解剖實驗室里真實人體骨架中的顱骨（無面顎骨）為模版建模設(shè)計的，通過使用Autodesk 123D catch軟件進行建模工作，先對真實顱骨進行全方位的拍照，環(huán)繞一周拍攝約30～40張照片，然后將拍攝的照片導(dǎo)入123D catch軟件，由軟件自動對照片進行分析并構(gòu)建模型。從打印成果來看，通過照片建模得到的產(chǎn)品明顯不如標(biāo)準(zhǔn)顱骨模型，且頂骨額骨處有突起的部分。圖8（c）由三維建模軟件Autodesk MAYA直接建模設(shè)計得到，通過對軟件內(nèi)的基本立體幾何元素進行拉伸，修剪，擠出等操作一步步繪制完成，從產(chǎn)品來看，建模工作明顯做的不夠好，與標(biāo)準(zhǔn)顱骨模型相比，產(chǎn)品整體只有一個大概的顱骨外形，而且頂骨額骨部位不太光滑。

圖7 顱骨模型的打印

4.2 脊柱打印

由于脊柱模型整體結(jié)構(gòu)呈一定角度的彎曲，而且有很多突出的部分，直立打印需要添加比較復(fù)雜的支撐結(jié)構(gòu)，所以選擇讓脊柱模型“躺”在打印平臺之上，打印產(chǎn)品如圖8、9所示。

圖8 單色脊柱

圖9 雙色脊柱

通過對比可以發(fā)現(xiàn)，雙色脊柱打印效果較好，將各個部位通過黏結(jié)后，除了顏色外，和單色脊柱基本一致，由于是各個顏色分開打印，不會出現(xiàn)產(chǎn)品表面粘上漏料的情況。

4.3 心臟打印

本課題同樣共進行了3次心臟模型的打印，前兩次使用Finder單色打印機，第3次使用Dreamer雙色打印機雙色打印，打印產(chǎn)品如圖10所示。

圖10 心臟模型的打印

心臟打印的操作過程同顱骨打印類似，左邊產(chǎn)品是由3D打印模型網(wǎng)站上的標(biāo)準(zhǔn)心臟模型打印得到，可以看出心臟結(jié)構(gòu)較為完整，具有心耳結(jié)構(gòu)，心臟上部血管較為圓滑且連接較為緊密，心房、心室表面可以看出細微的血管結(jié)構(gòu)［8-12］。中間產(chǎn)品是通過MAYA建模軟件繪制得到，相較于標(biāo)準(zhǔn)心臟模型，心臟整體外觀較為簡單，有主動脈、肺動脈等血管結(jié)構(gòu)，心臟表面沒有細微血管。右邊產(chǎn)品和第2個產(chǎn)品使用同一個心臟模型，為了能夠通過顏色，區(qū)分動靜、脈血管，先通過切片軟件將模型的主動脈部分切割下來，然后使用雙色打印機通過添加圍墻的方式直接打印，完成了心臟模型的雙色打印功能。

4.4 人體骨架打印

圖11是一個通過Finder單色打印機打印得到的完整人體骨架，由于打印機最大打印尺寸的限制，該骨架是通過對骨架各部分分別打印之后粘結(jié)得到的。從產(chǎn)品效果來看，整體效果良好，并且顱骨、軀干骨、四肢骨之間粘結(jié)緊密，各個部位的骨骼都能在模型中觀察得到。在骨骼粘結(jié)過程中，發(fā)現(xiàn)個別部位無法緊密接觸，使用膠水很難完成固定，而使用熱熔膠槍擠出的流體狀態(tài)的膠體，則可以使骨骼之間的空隙充分填充，看上去更美觀自然，效果很好。打印的模型包括人體顱骨、脊柱、胸骨、骨盆、上肢骨和下肢骨，包含了人體所有骨骼。在打印前，已經(jīng)對各部分模型的大小比例有所調(diào)整和設(shè)計，在分別打印完人體各部分的骨骼模型之后，去除掉打印過程中添加的支撐結(jié)構(gòu)，再用熱熔槍將各個部分的骨骼拼接起來，便得到了一副完整的人體醫(yī)學(xué)骨架模型，如圖12所示，此模型較為精美細致，可用于醫(yī)學(xué)解剖教學(xué)或是人體展示使用。

圖11 打印拼接完成的人體骨架模型

5 結(jié) 語

通過使用3D打印機打印制作出多種醫(yī)學(xué)醫(yī)療模型，使用Finder單色打印機和Dreamer雙色打印機進行了顱骨，心臟，脊椎，人體骨架等醫(yī)療模型的打印工作。從打印的產(chǎn)品來看，單色產(chǎn)品的效果大多較為理想，能夠較好地展示出三維模型的各個細節(jié)，例如標(biāo)準(zhǔn)顱骨、標(biāo)準(zhǔn)心臟等。進行脊柱雙色打印時，采用了分部分打印，進行粘結(jié)的辦法，包括完整人體骨架的打印，最后整體效果較為理想。可以看出，Dreamer雙色打印機雖然具有兩個噴頭，兩種顏色的材料，但是在同時工作直接進行雙色打印時，打印出的產(chǎn)品并不如分別打印效果好，所以操作時可以把一臺雙色打印機看作是兩臺單色打印機來使用，并且3D打印機的軟件操作很方便。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，三維建模操作會越來越簡單、快捷，3D打印機的性能也會得到改善提高，制作的模型更加完美，促進3D打印在生物醫(yī)學(xué)方面更好的應(yīng)用和發(fā)展。