寧夏科普專家優(yōu)秀講座報(bào)告文集：3D 打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用（上）

編輯：康 艷 審核：楊鵬斌

（主講人：曲愛麗，副教授，工學(xué)博士，寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院。從事生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的研究工作。近年來參與2項(xiàng)國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，參加973 項(xiàng)目、上海市科委項(xiàng)目、寧夏區(qū)自然基金項(xiàng)目等共計(jì)6項(xiàng)，發(fā)表科研論文20多篇，參編專著4部，獲批國家發(fā)明專利2項(xiàng)，獲寧夏回族自治區(qū)科技進(jìn)步三等獎（排名 1）一項(xiàng)，二等獎（排名 5）一項(xiàng)。）

同學(xué)們，大家好。我叫曲愛麗，是寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的老師。今天我的題目是3D打印在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。這個題目來自于我的研究課題，也是現(xiàn)在比較熱門的一個方向。

那么3D打印為什么可以用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域呢？現(xiàn)在我用這張圖給大家展示一下：右側(cè)的這張圖是人體的骨組織，其中骨盆和下肢骨及足骨是支撐人體的重要組織，骨上附著了肌肉、韌帶、血管、神經(jīng)等組織。左邊的這張圖是什么？是假體，又可以叫假肢，是目前3D打印中比較多的產(chǎn)品之一。

屏幕上展示的是一名中醫(yī)在給病人把脈，現(xiàn)在的中醫(yī)除了望聞問切以外，還要借助一些現(xiàn)代化的手段幫助診斷或病案管理，比如通過病案管理系統(tǒng)把病人的信息、問診情況、用藥以及恢復(fù)情況全部都記錄下來，方便后續(xù)的治療。下面的這張圖很多同學(xué)無論是從電視、電影，電視劇，還是從現(xiàn)實(shí)生活中都能夠看到的醫(yī)生對一名住院患者的查房實(shí)況，很多醫(yī)院采用醫(yī)療團(tuán)隊(duì)的方式進(jìn)行病程全程管理及跟蹤。醫(yī)生手邊不但要要紙質(zhì)病例，而且需要iPad 等電子設(shè)備，所以我們知道現(xiàn)代的醫(yī)學(xué)已進(jìn)入信息化進(jìn)程。那對于外科手術(shù)而言，不但有主刀醫(yī)生，旁邊有助手進(jìn)行外科手術(shù)。外科手術(shù)有沒有信息化或電子化的接入呢？同學(xué)們看一下這臺機(jī)器，這是一臺達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人，這臺機(jī)器人的操作手可以剝掉葡萄皮。以達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人為標(biāo)桿，外科手術(shù)進(jìn)入了智能化和精準(zhǔn)化的領(lǐng)域。達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人現(xiàn)在也被引入了寧夏醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院，還在相關(guān)的探索階段。

上面講的內(nèi)容和3D打印有什么關(guān)系呢？我們先來關(guān)注醫(yī)學(xué)中的3D打印到底打什么？打出來有什么作用？給大家展示一個案例， 顱骨破損后需要手術(shù)修補(bǔ)，缺損的部分需要用金屬打印機(jī)打印鈦網(wǎng)，這就是填充物或者內(nèi)植入物。當(dāng)然日常我們見到的大多數(shù)3D打印都是白色的產(chǎn)品，圖片中的白色的骨頭就是3D打印的，材料是光敏樹脂或塑料。也許同學(xué)好奇：打印金屬網(wǎng)或者骨組織，在人體或者醫(yī)學(xué)到底怎么用呢？

我給大家看一位臨床的外傷患者，他的顱骨缺失了一部分，要知道腦組織是一個很軟的組織，而頭骨起到保證顱內(nèi)壓、保護(hù)腦組織的作用。出現(xiàn)缺損后，患者外觀出現(xiàn)面容受損，對很多病人來說，這會增加患者的心理負(fù)擔(dān)。出現(xiàn) 3D 打印技術(shù)后以后，我們用鈦合金這 種植入人體后毒副作用最小的金屬比照著對側(cè)健康頭顱對應(yīng)部位的 形狀打印缺損的部分，再通過手術(shù)把這塊打印植入物植入缺損部位， 修復(fù)患者的組織缺損，恢復(fù)面容提高患者的生存質(zhì)量。這樣的技術(shù)不但能夠恢復(fù)患者的腦功能，而且還能夠恢復(fù)他的面部、頭部解剖形態(tài)， 讓患者能夠陽光的、正常的生活在我們的社會主義的大家庭下。所以就是3D打印我們實(shí)際的一個產(chǎn)品和案例。

上面的圖是給大家展示3D打印的功用，下面我給同學(xué)們講解3D打印的組織種類。除了前面的顱骨，還可打印下頜骨，下頜骨位于臉部下半部分。我們再來觀察打印出來骨頭的形狀，顱骨缺損部分形狀不規(guī)則，同時(shí)每個地方的薄厚以及下頜骨各部位的形狀與厚度完全不一樣。現(xiàn)在給大家展示的3D打印的下頜骨和顱骨是鏤空的，是一個支架，為什么要打印成這樣的形狀？后面會給大家講。我們還可以打印腰椎和骶骨以及神經(jīng)，圖中的白色部分是骨，紅色的就是神經(jīng)，我們知道如果腰椎受傷可能導(dǎo)致下肢癱瘓，這是因?yàn)楣穷^骨折之后會損傷到神經(jīng)血管，那么患者行走、運(yùn)動的功能就會丟失，為了修復(fù)我們也需要3D打印。還有一種血管，這是我博士課題中做實(shí)驗(yàn)用的一節(jié)血管，這是一節(jié)用橡膠材料打印的類人工血管，它的性質(zhì)和人體血管的材料比如硬度、彈性模量都比較類似。做這樣的一個血管的目的是什么？是因?yàn)樵谘芯恐?，我們發(fā)現(xiàn)骨盆受到?jīng)_擊后，表面看起來骨頭沒有傷，但是盆腔會出血。這時(shí)病人會出現(xiàn)血壓下降，體溫降低， 意識喪失，危及生命，所以我們需要快速的、在沒有介入檢查之前判斷是不是血管破損。所以我們需要看沖擊下血管的哪一部分可能會容易損傷。這段血管的上面這一段是腹主動脈，下邊兩段粗一點(diǎn)的是髂總動脈，在血管中充滿血液，再放在一個骨盆內(nèi)沖擊，觀測血管的哪個部分比較容易斷裂，多大的壓力下可能會發(fā)生斷裂？如果不打印血管，我們就無法觀測血管的破損的，所以這個打印的血管是幫助醫(yī)生判斷有沒有可能出血情況提供依據(jù)的。還有一種血管支架。如果人們不健康飲食，也不愛運(yùn)動，生活習(xí)慣不太好，可能會導(dǎo)致一些血管內(nèi)的斑塊形成。血液是在血管內(nèi)連續(xù)流動的流體，這些斑塊附著在血管壁上，讓血管壁內(nèi)部的流通直徑變小，血液如果在某一段內(nèi)不流通，營養(yǎng)物質(zhì)沒有辦法交換，這一段組織會壞死的。所以為了防止出現(xiàn)這種堵塞，我們需要在血管的內(nèi)壁發(fā)生堵塞的地方放一個支架，就是心臟血管的支架，也是3D打印出來的。支架的類型有很多種，如果大家有興趣，可以上網(wǎng)搜索心血管的支架，有很多種類型。還有一種組織是人工心臟，當(dāng)患者因?yàn)樾呐K、肺或腎等臟器發(fā)生病變，需要等待器官移植，如果能夠?qū)崿F(xiàn)打印的心臟或類似組織的3D打印，我們就可以很容易實(shí)現(xiàn)生命的救治。但是到目前為止，還沒有辦法打印出來能夠植入人體的心臟等組織。所以心臟等軟組織的打印依然是我們的努力方向。還有一種組織叫軟骨，它內(nèi)部含有大量的膠原蛋白，當(dāng)相鄰的骨擠壓軟骨時(shí)，軟骨內(nèi)的潤滑液流入關(guān)節(jié)面之間，在相對運(yùn)動的過程中兩骨頭不直接接觸就不痛。如果兩塊骨頭接觸在一起就會痛。這時(shí)我們就需要換軟骨，軟骨我們也可以打印打的。

除了人體組織可以打印外，下面的鞋墊也可以打印。鞋墊對于很 多病人來說具有重要的意義。很多賽事比如足球比賽，在比賽結(jié)束以 后會把運(yùn)動員的球鞋送給球迷，很多球員有一個習(xí)慣，他們會把鞋墊 抽出來，這樣的鞋墊一般來講就是 3D 打印的。鞋墊打印剛開始是用于糖尿病足，因?yàn)樘悄虿∪撕笃谀┒搜h(huán)不好，腳部會出現(xiàn)潰爛，這 時(shí)候病人如果穿普通鞋，會出現(xiàn)患處擠壓，會極大的限制患者的運(yùn)動， 影響生存質(zhì)量。后來 3D 打印技術(shù)出現(xiàn)了，通過患者在測力平臺上行走獲得足底壓力分布信息，再根據(jù)這個力的分布圖，打印出適合患者 足底受力的、高低、硬度不同的鞋墊，我們也把這種叫做個性化鞋墊?，F(xiàn)在的這種鞋墊不同的運(yùn)動員的不同運(yùn)動模式，對腳產(chǎn)生的壓力不同，所以更需要個性化打印的鞋墊。我們熟知的李寧運(yùn)動鞋品牌就有一個很大專門采集運(yùn)動員的運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)的研究所，根據(jù)運(yùn)動員的典型動作采集力的分布，然后通過科學(xué)的理論計(jì)算與分析，設(shè)計(jì)出符合人體運(yùn)動特征的鞋底。

上面講的采集足底壓力并根據(jù)分布規(guī)律設(shè)計(jì)鞋墊的方法稱為生物力學(xué)評價(jià)，是在3D打印產(chǎn)品或植入物時(shí)要采用的一個重要的介質(zhì)。比如現(xiàn)在大家看到的這張x 光片，一側(cè)是正常的股骨頭，但是右側(cè)的股骨頭壞了，這樣的損傷對病人來說會帶來難以忍受的疼痛，怎么解決這種疼痛呢？可以通過手術(shù)更換人工關(guān)節(jié)。比如髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)就是更換損壞的股骨，手術(shù)時(shí)將股骨頭壞死的部分切除，把金屬的假體裝在股骨干中，這樣患者就恢復(fù)了站立和行走的功能。如果是上面的這個像小杯子一樣的這個髖臼壞了呢？當(dāng)然，采用手術(shù)的方法置換髖臼杯就可以了，髖臼杯和球形的股骨頭形成一個鉸鏈狀的關(guān)節(jié)，就是髖關(guān)節(jié)。髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)讓患讓病患快速恢復(fù)正常的生理生理活動。目前髖、膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)已經(jīng)非常成熟。

2019 年年末開始全世界發(fā)生的新冠疫情讓大家體會到了口罩的重要性。但是戴眼鏡的同志會經(jīng)常出現(xiàn)哈氣模糊視線的問題，因此口罩內(nèi)部放置支撐網(wǎng)或支撐架，這些網(wǎng)架就是3D 打印的，屏幕上給大家展示的是一個呼吸面罩，與面部貼合的這一部分是用比較軟的材料打印的。這樣制作的面罩能有效地將含有病毒的空氣凝膠隔離在外。

3D打印還可以打印假肢。比如替代腿的假肢，或者手部的假肢。手上的五個指頭由束神經(jīng)傳導(dǎo)信號，假肢的接受腔與手臂連接，通過假肢中設(shè)置的傳感器控制、檢測信號，就可恢復(fù)手部功能。

據(jù)報(bào)道，在2020年的時(shí)候曾經(jīng)有一只丹頂鶴因?yàn)楦渌B打架， 將上喙折斷，經(jīng)過科研人員用金屬打印了一個替代的上喙，之后丹頂鶴不但能恢復(fù)進(jìn)食，而且據(jù)說打架的時(shí)候他變得更強(qiáng)大了。同樣，類似的新聞也有這樣的一只白頭翁，它的上喙斷了，醫(yī)護(hù)人員就給它打印了一個3D的金屬替代物，接好之后它馬上就恢復(fù)了很霸氣的樣子。所以對比術(shù)前術(shù)后照片，獲得了十大最酷3D打印產(chǎn)品稱號。因?yàn)檫@些的人這些3D 打印產(chǎn)品是能夠直接應(yīng)用，而且應(yīng)用效果非常好。