寧夏科普專家優(yōu)秀講座報告文集：3D 打印技術在醫(yī)學中的應用（下）

編輯：康 艷 審核：楊鵬斌

（主講人：曲愛麗，副教授，工學博士，寧夏大學機械工程學院。從事生物醫(yī)學工程領域的研究工作。近年來參與2項國家自然科學基金項目，參加973 項目、上海市科委項目、寧夏區(qū)自然基金項目等共計6項，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，獲寧夏回族自治區(qū)科技進步三等獎（排名 1）一項，二等獎（排名 5）一項。）

我們看了很多醫(yī)療領域 3D 打印的實例，那么到底什么是 3D 打??？我給大家播放一個3D打印的完整的過程。通過視頻，我們可以發(fā)現(xiàn) 3D打印機其實很簡單：框架是機器的支撐結構，框架的兩側會有滑軌，打印頭就放置在軌道上的橫桿上往復移動，打印頭連接的黃色的部分就是填料，在打印頭上有加熱裝置，把填料融化后按預定的軌跡往復移動實現(xiàn)平面打?。划敶蛴☆^上移或料盤下移時，可以實現(xiàn)高度方向的打印，這樣的層疊堆積，就會形成3D打印產(chǎn)品。打印頭移動是受程序控制的，這是控制界面，現(xiàn)在顯示這個產(chǎn)品已經(jīng)打印了 23%，百分之百時打印結束。我們觀察一下已經(jīng)打印好的零件， 外部輪廓都是材料很緊致和密實的，但是中間的部分是規(guī)則的孔洞，

這樣做的目的一方面是為了提高打印速度，同時為了降低材料使用量。說到3D打印就要跟同學們介紹一下盧秉恒院士，他是國家增材制造創(chuàng)新研究中心的靈魂人物，20 多年來致力于3D打印的全面開發(fā)與研究，對于盧院士團隊來說，打印一座微縮大雁塔不過是雕蟲小技，而采用生物 3D 打印技術重建人體缺損的骨骼才是他們奮力拼搏的目標。每一個人都是獨特的個體，因此我們無法被復制。但人體是左右對稱的，如果因為車禍或疾病失去了一部分骨骼，我們能否依照自己完好一側的骨骼復制出缺損的骨骼植入體內？答案是可以的。采用的技術就是手術規(guī)劃，比如這個案例就是利用軀體完整的左邊解剖結構鏡像復制右側的缺損，利用 3D 打印機打印一個與右側缺損完全吻合的植入體。 3D 打印應用到醫(yī)療領域里，形成一個對于治療和手術完全顛覆性的方案。

胸外科手術室黃立軍大夫主持的手術進展順利。在術前，盧院士團隊與主治醫(yī)生共同規(guī)劃了手術方案，依照患者在車禍中幸存部位的完好胸骨CT，設立出人造胸椎骨的 3D 數(shù)字模型。人工植入物應用到臨床會涉及到包括材料毒性、排異等一系列復雜的問題。就材料而言，是運用骨科臨床已大面積使用的鈦合金，還是運用新型高分子復合材料，需要一份細致周全的科學考量。鈦合金主要它有生物相容性好，不會引起副作用，但是在替代某些器官中就會發(fā)生問題。例如我們的頭蓋骨如果受傷了，如果用鈦合金把它修補起來，因為金屬導熱很快而且又靠近頭皮，這部分的組織對環(huán)境的溫度比較敏感。這么一來，他老是感到頭皮好像涼颼颼的，這肯定是一個不舒適的感覺。而這個像Peek 材料和我們人體本來的骨骼也相差不多，而它的強度又非常好，高于我們骨骼的強度。Peek 又叫做聚醚醚酮，是一種性能強度與人體骨骼相似，且生物相容性較好的高分子復合材料。主刀大夫黃立軍正是將一塊用Peek 材料精準打印的人造骨骼成功植入患者體內，完成了大面積缺損胸骨的重建工作。

過去我們對這些大范圍的胸壁缺損的重建是非常困難的。隨著科技的不斷進步，尤其是近年來 3D 打印的發(fā)展，我們看到了它的特點和優(yōu)點，很快我們就把引入了我們的胸壁重建中。如果我們要強調的現(xiàn)代科技做武器，我們就可能真真正正的成為病人的守護士。

剛才給大家看的是我國 3D 打印技術的領軍人物——西安交通大學盧秉恒院士，他所帶領的團隊將 3D 打印技術融入到胸壁外科的重建，大家能夠看得到。里邊有一個畫面，黃大夫拿著一個胸壁的金屬模型，用手彎折，彎折之后放在自己的胸腔查看吻合度如何。以前的醫(yī)生都是通過手工現(xiàn)場彎折，之后再植入患者體內的。現(xiàn)在有3D 打印技術之后，比方胸部左邊骨折，我們找一條左右結構的對稱線，采用鏡像技術將健側結構對稱過去，就可以獲得右側這部分缺損的模型。打印好這個模型后，醫(yī)生不用再彎折或修形，直接植入病人體內，就可以達到非常好的吻合。所以 3D 打印技術可以非?？斓幕謴筒』嫉娜睋p，還可以大大降低醫(yī)生手術的工作量。

那么打印的模型到底是怎么來的呢？來自于我們拍攝的核磁和CT 圖像！通過把圖片中的輪廓提取出來，一層層堆疊就形成了三維立體模型，這樣的三維模型打印出來后就是我們設計的個性化假體或植入物。那么 3D 打印機和我們辦公用的打印機有什么區(qū)別呢？電腦里的文檔連接打印機就能打出來，這是我們所說的 2D 打印也就是平面打印。 3D 打印是在平面打印加了一個高度z，如果定義打印紙是x、y 平面，那么與該平面垂直方向就是z 軸，打印頭沿z 軸移動就形成了厚度。通過打印頭把融化的材料一層一層堆積、粘合，就形成了一個有高度的立體模型，這就是 3D 打印機的原理。

3D 打印應用于醫(yī)學一定要考慮植入物與人體的生物相融性，因為人體是一個非常非常復雜的系統(tǒng)，包含骨、肌肉、血管、神經(jīng)及體液等，普通的金屬材料植入物在這樣的潮濕、具有腐蝕性的環(huán)境下可能會出現(xiàn)腐蝕或者是損傷，危害人體健康，所以我們植入到人體的材料必須選擇能夠用于 3D 打印的醫(yī)學材料。而 3D 打印機常用的材料有光敏樹脂、ABS 樹脂、石膏、鋼、鈦合金，經(jīng)過分析和研究，鈦合金的毒副作用最小，所以現(xiàn)在的植入物用鈦合金材料居多。

鈦合金打印的都是硬組織，我們在臨床還經(jīng)常遇到患者需要配置義耳的情形，圖所示的就是打印的耳朵，也叫贗復耳，這副圖片是缺損的骨頭的修復體，這些都是樹脂材料打印的。這張圖片是我的碩士研究生的課題模型，是羊下頜缺損部位的假體，用鈦合金打印，但是鈦合金太重了。如何實現(xiàn)重量輕、同時實現(xiàn)缺損修復的目的呢？我們課題組后來想了個辦法，就在假體上打孔，把多余的材料給你去掉， 還能保證功能。這是植入羊下頜的模型，恢復羊的咀嚼功能后觀測假體的承載能力。

3D 打印還能改善面部畸形。這個是國外的一個案例，小朋友的下巴沒有了，這是天生下頜短小的病例，需要修復下頜骨的形狀。打印出金屬下頜骨后，用這樣的螺釘連接到下頜骨體部，術后的側面照片顯示這個孩子的下頜骨已經(jīng)拉長了，面容也恢復了。

3D 打印的贗復耳能為患者帶來極佳的修復體驗。圖片上的這個病人右耳耳廓缺失，這樣的缺失不但影響聽力，而且會有心理負擔。因此現(xiàn)在為他鏡像打印一只贗復耳，安裝好后可以完美實現(xiàn)耳朵基本對稱的外形。當然在設計義耳時，有時也可以采用已經(jīng)建立好的義耳數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，而不用鏡像對稱的方式設計模型。我所在的課題組曾經(jīng)做過人工贗復耳的數(shù)據(jù)庫，包含華南、華北、西南、西北這些人群的耳朵輪廓、男女、地區(qū)差異，可以快速解決臨床贗復耳設計-打印-佩戴-調整時間過長的問題。當然了，手術過程中可能會遇到很多問題， 需要我們綜合考量。這是假體植入手術過程的一些圖片，這個小姑娘的右耳缺損一部分，醫(yī)生通過右耳的植入改變了面部形態(tài)；這個病人的右眼下拉，醫(yī)生把右臉部分和耳朵這部分補起來后，兩眼的輪廓基本一致，整個面部也基本對稱，所以這個病人的一期修復就已經(jīng)達到了預期的臨床修復的效果。

除了上面說的材料、器官以外，在設計植入物時還需要進行力學分析。我用步態(tài)來給大家講為什么要做力學分析。步態(tài)指的是什么 呢？人從一側足跟著地起到該側足跟再次著地為止所用的時間成為 一個步行周期，也就是步態(tài)。為了搞清楚人在走路的過程中每一個關節(jié)的受力、轉距、方向、足部壓力的改變、大小等等，我們要采用儀器測量人走路的數(shù)據(jù)導入計算機，分析關節(jié)力和關節(jié)力矩作為假體植入后的預期恢復依據(jù)。也就是希望患者植入髖關節(jié)或膝關節(jié)假體后， 行走的步態(tài)能夠恢復到術前的正常狀態(tài)。這就需要工程師在術前設計個性化假體進行虛擬安裝與受力分析，給出合適的假體形狀，就可以為患者的后期康復和功能恢復提供良好的基礎。同時受力分析還能幫助醫(yī)生尋找患者可能的病因，比方有的人走路只能邁左腿，右腿是拖著走的，通過與正常人的步態(tài)對比，尋找患者可能存在的肌肉或者關節(jié)的問題所在。

力學分析還能幫助我們最科學地進行運動或保護自身。比如研究表明，站立位時兩個膝關節(jié)各承受人體重量的 50%，但在爬山或者是爬樓梯時，膝關節(jié)上受的力大概是人體重量的 2.5 倍左右，這就告訴我們：上樓梯膝關節(jié)的負荷大，所以建議老人們上下樓梯盡量坐電梯， 不要繼續(xù)損傷膝蓋。

力學分析還可以實現(xiàn)動態(tài)顯示。比如現(xiàn)在給大家展示的就是股骨在一個步態(tài)下的受力分析，我們發(fā)現(xiàn)下肢骨上隨著步態(tài)位姿改變，骨頭上的受力分布變化很大，這就提示設計假體時，根據(jù)受力情況，受力大的部分強度要高；受力小的部分要結構輕巧，所以我們發(fā)現(xiàn) 3D 打印醫(yī)學器官時，我們采用的全部是個性化假體設計。這樣的設計主要靠計算機輔助完成。

計算機輔助臨床工程大概的工作流程是這樣的：需要醫(yī)工雙方就某個患者開一個網(wǎng)絡的系統(tǒng)診療會議，商討手術方案，這個患者要換髖關節(jié)。首先要了解髖關節(jié)要能實現(xiàn)哪些動作？髖關節(jié)要實現(xiàn)內旋、外旋、屈伸遇到弄，要同時保證形態(tài)和功能的恢復。如何恢復功能？ 需要生物力學評估，還需要形狀恢復。醫(yī)生要拍核磁或CT 的照片， 這樣的圖像大約幾百到一千張，工程師要把每一張圖片的髖關節(jié)解剖輪廓提取出來，形成一個髖關節(jié)的 3D 模型，這個模型就可以提供 3D打印。打印之前先要做一個力學分析，在髖關節(jié)的模型上加力、約束、計算，分析正常步態(tài)與假體植入后的下肢受力，如果植入假體的下肢 在一個布態(tài)中的受力與假體植入的受力一樣，說明我們假體設計是合 適的。這時就可以打印假體了。圖片就是打印出來的一個金屬的假體。這樣的假體設計可以與患者的骨骼匹配，并能快速恢復正常力學曲線。

3D 打印用在醫(yī)學上，除了內植入物的打印之外，還可以做矯形牙套。牙齒矯正能夠改變咬合關系，還能改變面型，前段時間有一個 明星叫Angelababy，對比她在當模特之前和矯形之后的臉型，會發(fā)現(xiàn) 她的臉型從方形變成了卵圓形，正畸在其中功不可沒。一般矯正牙齒 是采用固定矯治器，帶有托槽的矯治器固定在上下牙列，然后在托槽 中穿上弓絲，定期調整弓絲的拉緊程度就可以讓牙齒發(fā)生移位或轉動， 以達到牙齒矯正的目的。這里不但要依靠弓絲施加的矯形力，還要靠 醫(yī)生的技法和經(jīng)驗進行個性化調整。后期保持階段采用的隱性牙套可 以采用 3D 打印。制作這樣的牙套以前要先咬牙模，灌注石膏模型， 之后開始包埋和層切制作牙套。隨著數(shù)字化設計能力的增強，現(xiàn)在已 經(jīng)可以基于患者的CT 圖像建立牙列的模型，并在軟件中進行排牙， 大家看一下動畫，排成理想的牙列形狀后，制定正畸方案，實現(xiàn)定期 調整?，F(xiàn)在采用 3D 打印這樣的隱形牙套，不但能夠滿足牙列排齊整形的目的，還能減少患者的就醫(yī)時間。

當然了， 3D 打印技術還可以用于術前規(guī)劃。什么叫做術前規(guī)劃？給大家看個視頻，大家看一下。醫(yī)生拍攝了患者的CT，由于患者骨折情況復雜，為了制定手術方案，借助 3D 打印制作術前規(guī)劃以及相應的手術導板。這就是合成后的三維模型，骨折顯示，接著將模型導入 3D 打印軟件，生成打印指令文件。現(xiàn)在演示的是打印的過程。動畫開始打印了。打印完成，這個模型可用于術前規(guī)劃?，F(xiàn)在看一下打印的過程，時間很長，而且同學們會發(fā)現(xiàn)很多結構是建好的模型中沒有的，這是因為打印的模型位于工作臺上，要打印具有高度維度的結構，需要每個部分都是有材料支撐的，所以模型出來之后要清理掉不需要的支撐部分，只保留與手術相關的結構部分。醫(yī)生把骨盆模型展示給病人和家屬講解手術方案，術中使用的固定或修復材料等，在這個過程中間哪個地方有血管，哪個地方有神經(jīng)，我們在手術的時候就要特別注意，從哪個地方打，我們中間就會有一些定位的過程，會耽誤一些時間。所以患者能知曉手術過程和術后能夠達到的最佳效果，這樣做的目的一方面是降低病人的焦慮情緒，還有一個能夠讓病人知道我在接受著一個什么樣的治療，我將來應該如何去做恢復。除了北京、上海等城市有這樣的 3D 打印醫(yī)學工作站之外，我們的寧夏醫(yī)科大學也有 1 個 3D 打印工坊。這里有寧夏經(jīng)濟頻道的報道， 陸主任為提高椎間盤壓迫手術效果，先在計算機上模擬一下模型，設 計椎弓根釘從哪里進釘最安全合適？還有《碟中諜 5》中的片段，這個片段當時剛出來的時候，吸引了很多人的眼球，這就是一個旋轉打 印的 3D 打印頭，打印這種橡膠的面具，最后噴射皮膚顏色，為阿湯哥完美完成任務提供了最佳保障。

好了，以上就是我給大家介紹的 3D 打印在醫(yī)學領域中的應用的一些案例。前面留了一個問題，就是下頜骨打印是鏤空的，在這里跟同學們進一步解釋一下。打印鏤空的下頜骨是基于組織工程學的考慮。對于植入人體的內植入物，我們希望打印出來的金屬骨替代物前期能 夠恢復病人的功能形態(tài)，后期希望植入物上作用的力能夠誘導人體自 身的骨頭生長，進而代替內植入物的作用與功能。我們把內植入物鏤 空，其中的孔洞要填充字體骨組織，以誘導自體骨產(chǎn)生。因為人體骨 頭在力刺激下可再生，比如植入鏤空的下頜骨，填入自體骨組織，我 們希望在牙齒的咬合力的不斷刺激作用下，能夠促進填入骨組織生長， 最理想的狀態(tài)是產(chǎn)生新的骨頭把植入的支架替代掉，使得植入的下頜 骨成為新生骨頭中間的一部分，但它只是起一個支撐作用，真正起作 用的還是骨組織生長出來的自體骨。但是遺憾的是到目前為止，組織 工程學還有很多問題沒有解決。比如，組織工程學認為所有的骨頭在 壓力的作用下會刺激成骨，但是沒有辦法確定到底是多大的壓力下能 夠讓骨細胞能夠成骨，因為更多的情形是由于壓力太大反而把細胞壓 死了——所以現(xiàn)在這是一個特別難解決的問題。這也是很多時候我們 雖然在植入物中盡可能多地充填了骨組織，但是實際上它并沒有按照 我們的期望去生長，全被吸收了；反倒是填的比較少的地方可能還生 長出一點骨組織。

還有就是骨生長的時間，就是骨組織多久能夠穿透我們鏤空的支 架，能夠把網(wǎng)狀下頜骨架空，到目前為止我們解決不了，而且細胞的 活性不好控制，因此它也限制了人工心臟等軟組織細胞級打印的應用。細胞級打印是指人體的紅細胞、成骨細胞、各種各樣的酶等打印出來 后，因為所有的細胞來自人體自身，打印它就能夠跟人體自身完全融合，植入以后沒有排異反應或長得很好，而且隨著你人體的長大，它本身也會跟著尺寸長大。所以我們希望將來組織工程學的發(fā)展能夠解決這些問題。我們希望同學們未來能有志于此，為我國的健康事業(yè)貢獻力量。

醫(yī)學領域中的 3D 打印產(chǎn)品，從鞋墊到軟骨到內植入物，從贗復耳到牙套，，髖關節(jié)、膝關節(jié)的性化定制，還有我們給大家看過的軟組織，其實 3D 打印的范圍越來越廣泛。比如韌帶，打籃球時用力彈跳，落地的瞬間可能傷及足部或關節(jié)韌帶，韌帶是結締組織，神經(jīng)和血管非常少，很難恢復，斷裂后可能需要更換人工韌帶。因為韌帶的作用就是連接兩塊骨頭的，所以人工韌帶是用替代材料把兩塊骨頭連接在一起。血管、血管支架等軟組織也逐漸成為 3D 打印的目標， 為人體更好地修復提供了強有力的技術保障。

最后我跟大家介紹一下我的研究團隊曾經(jīng)做過的工作。我所在的課題組曾經(jīng)跟上海市第九人民醫(yī)院合作完成了一例復雜度和難度極 高的骨盆骨折修復，還有這樣的髖關節(jié)植入術，或者膝關節(jié)的植入術， 開發(fā)了一個國內人工關節(jié)的關節(jié)庫和贗復耳數(shù)據(jù)庫。所有的醫(yī)工屆科學家一起努力，我們希望能夠通過努力，攜手有志于此的同學們共同提高我國的 3D 打印的技術。

各位同學如果有興趣，可以到科技館、各大高校，或者到各大醫(yī)院的 3D 打印中心參觀、學習，探尋 3D 打印里中還沒有攻克的技術難關；如果大家對提高人類的生存質量，提高人體修復的功能感興趣的，也可以進行探討，我們希望未來能夠全面推進 3D 打印解決人體組織缺損進程。希望我們共同攜手，為我國的 3D 打印和醫(yī)工結合成果轉化全面實現(xiàn)添磚加瓦。謝謝大家。