打造豫中南地區(qū)現(xiàn)代化區(qū)域醫(yī)療中心

3D打印技術(shù)被認(rèn)為是制造業(yè)的一次革命?；谟嬎銠C技術(shù)的發(fā)展、生產(chǎn)工藝的進(jìn)步和新型材料的問世，目前3D打印已經(jīng)在包括生命科學(xué)在內(nèi)的多個領(lǐng)域獲得長足進(jìn)步在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域．其發(fā)展過程是從早期的探索性術(shù)前模型復(fù)制，到成功打印適形性假體修復(fù)骨質(zhì)缺損，再到目前多種新型醫(yī)用材料乃至細(xì)胞制備技術(shù)，在醫(yī)學(xué)修復(fù)的應(yīng)用領(lǐng)域取得了可喜的進(jìn)展。本文介紹近年來3D打印技術(shù)在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的研究與進(jìn)展，介紹其在耳鼻咽喉頭頸外科領(lǐng)域研發(fā)現(xiàn)狀。

3D打印技術(shù)是一種基于預(yù)先設(shè)計，通過特定材料的逐層添加，構(gòu)建三維物體的變革性、數(shù)字化制造技術(shù)。該技術(shù)在20世紀(jì)80年代由美國麻省理丁學(xué)院率先提出，如同許多開創(chuàng)性技術(shù)一樣．早期的3D打印技術(shù)因工藝復(fù)雜、效率低下、設(shè)備昂貴、成品粗糙而未能推廣。近年來，隨計算機技術(shù)的進(jìn)步，借助于新型設(shè)計軟件的開發(fā)以及新材料、新工藝的應(yīng)用，3D打印技術(shù)在多個領(lǐng)域得以迅速發(fā)展。

3D打印技術(shù)的基本原理、制造過程及主要類型

根據(jù)“分段制造、逐層疊加”的原理．3D打印工作流程分為3步。

第1步為圖像獲取。通過光學(xué)掃描或全息照相獲得人體的影像數(shù)據(jù)，而體內(nèi)部分可以通過CT、MRI甚至正電子發(fā)射計算機斷層顯像（positron emission tomography，PET）來獲得高分辨率和高對比度的醫(yī)學(xué)影像資料。

第2步為圖像后處理。光學(xué)掃描或全息照相可以獲得標(biāo)準(zhǔn)的3D模型文件（stereo lithography，STL）格式；CT、MRI、PET等醫(yī)學(xué)影像學(xué)獲取的數(shù)據(jù)通常儲存為醫(yī)學(xué)數(shù)字影像和通信標(biāo)準(zhǔn)（digitalimaging and communications in medicine，DICOM）格式，此格式文件進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化后被讀取，實現(xiàn)目標(biāo)物體3D切分和可視化，并用計算機輔助設(shè)計（computer aided design，CAD）模型最終輸出至3D打印設(shè)備。

第3步為快速成形。即將CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維實際物體，最終實現(xiàn)計算機輔助制造（computer aided manufacturing，CAM）。根據(jù)成型技術(shù)的原理及打印材料的不同，可將3D打印技術(shù)細(xì)分為以卜幾種模式：光固化立體印刷（stereolithographyapparatus，SLA），熔融沉積成型（fuseddeposition modeling，F(xiàn)DM），選擇性激光燒結(jié)（selective laser sintering，SLS），分層實體制造（laminated object manufacturing，LOM），噴墨印刷（inkjet printing）等。在實際應(yīng)用時，將根據(jù)打印材質(zhì)的不同和打印精度、假體強度的差異而選擇不同的打印模式。

3D打印在耳鼻咽喉頭頸外科領(lǐng)域的研究與應(yīng)用  

1、耳外科解剖訓(xùn)練及醫(yī)學(xué)教育：顳骨是人體內(nèi)最為復(fù)雜的骨骼系統(tǒng)，其內(nèi)不僅有錯綜的骨性和軟組織結(jié)構(gòu)，而且包括有許多精細(xì)的含氣與含液問隙。其中包含面神經(jīng)、頸內(nèi)動靜脈、耳蝸、前庭與半規(guī)管等重要的結(jié)構(gòu)。由于顳骨內(nèi)結(jié)構(gòu)的個體差異較大，解剖變異時有發(fā)生。熟練掌握顳骨解剖是耳科醫(yī)生的必備技能，然而由于其立體形態(tài)不規(guī)則、微觀結(jié)構(gòu)精細(xì)復(fù)雜，傳統(tǒng)二維圖像示教具有相當(dāng)?shù)木窒扌?，而解剖材料（尸頭）的極度匱乏，使得實體顳骨解剖的訓(xùn)練難以推廣。長期以來，熟練掌握顳骨手術(shù)的解剖結(jié)構(gòu)一直是制約耳科醫(yī)師技能發(fā)展的瓶頸。

自3D打印技術(shù)問世以來，外科解剖訓(xùn)練領(lǐng)域也已有長足進(jìn)步。Vorwerk和Begall利用顳骨CT掃描數(shù)據(jù)，結(jié)合CAD技術(shù)，使用SLA技術(shù)制作了最早的人體顳骨模型，并用于基本的顯微解剖練習(xí)和手術(shù)操作模擬。其后Suzuki等通過高分辨CT掃描，使用SLS技術(shù)制作更為精細(xì)的顳骨模型，并可使用傳統(tǒng)手術(shù)器械在顯微鏡下進(jìn)行解剖和手術(shù)練習(xí)。2012年，美國華盛頓大學(xué)的Monfared等報道通過3D打印技術(shù)制作了高保真且成本低廉的手術(shù)用中耳模型，并采用不同材質(zhì)分別模擬骨質(zhì)和軟組織該模型在精細(xì)度、真實性和力學(xué)觸感反饋方面表現(xiàn)良好，得到業(yè)內(nèi)的認(rèn)可，并建議將此納入住院醫(yī)師訓(xùn)練指南。此外，3D打印亦可精確放大展現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)，德國漢堡Wulf等以高分辨μCT采集人類聽小骨，采用該技術(shù)制作放大20倍的塑料解剖模型，達(dá)到完美精確展示聽小骨結(jié)構(gòu)的示教效果。

2、術(shù)前虛擬現(xiàn)實與3D建模：3D打印技術(shù)還可用于手術(shù)汁劃或虛擬建模，即手術(shù)前“帶妝彩排”。外科醫(yī)師會使用與他們即將實施手術(shù)的同尺寸的器官和部位進(jìn)行操作訓(xùn)練，使得術(shù)者預(yù)先“胸中有丘壑”。3D手術(shù)演練可縮短手術(shù)時間，發(fā)現(xiàn)術(shù)中可能發(fā)生的問題并預(yù)測手術(shù)結(jié)局，避免潛在風(fēng)險，確實提高手術(shù)質(zhì)量和安全性。如芬蘭奧盧大學(xué)耳鼻咽喉科醫(yī)生在一例復(fù)雜電子耳蝸植入術(shù)前，提取患者顳骨高分辨CT數(shù)據(jù)，利用SLA技術(shù)復(fù)制出其顳骨模型，精確顯示了面神經(jīng)管、橢圓窗、圓窗等結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了術(shù)前模擬，降低了手術(shù)風(fēng)險。除此以外，手術(shù)建模還有助于醫(yī)生向患者及家屬進(jìn)行必要的術(shù)前溝通。

3、骨組織缺損的填充與修復(fù)：頜面部大塊硬組織（如下頜骨、上頜骨）缺損后的修復(fù)常規(guī)用自體腓骨或髂骨進(jìn)行，其“拆東墻補西墻”的弊病不言而喻。隨著人造骨骼研究的深入，3D打印技術(shù)在處理人體骨骼復(fù)雜曲面，外形差異方面顯現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。除可直接打印高生物相容性鈦金屬骨贗覆體并根據(jù)孔隙率大小，調(diào)節(jié)盤架材料粉末粒徑外，還可通過改變切層的填充方式來調(diào)整孔隙率和微孔徑，構(gòu)建適應(yīng)細(xì)胞生長的活性支架?，F(xiàn)已成功制作出下頜骨、椎骨等，并初步用于臨床。

運用計算機輔助，設(shè)計制成與患者下頜骨缺損區(qū)正常外形相同的個體化鈦贗復(fù)體并予以術(shù)中植入，術(shù)后患者面部外形恢復(fù)正常，咬合關(guān)系及張口度恢復(fù)良好。比利時Hasselt大學(xué)BIOMED研究所運用SLS技術(shù)，利用數(shù)控激光使得逐層疊加的鈦粉粒子準(zhǔn)確融合，打印出與外形完全一致的下頜骨，輔以表面噴涂生物陶瓷層，以降低排斥反應(yīng)；其后與荷蘭外科醫(yī)生合作，成功為一位83歲的患者植入了3D打印的鈦質(zhì)下頜骨。由于羥基磷灰石（hydroxyapatite，HA）具有優(yōu)良的骨誘導(dǎo)性能，因此HA與光敏高分子一起作為原料，用于制備具有生物活性的骨組織工程支架。日本東京醫(yī)科大學(xué)的Matsuo等以聚L-乳酸／HA（PLLA/HA）為原料，使用SLA技術(shù)制作制備了可吸收多孔托架，輔助牙齒移植材料一起，用于下頜骨腫瘤切除后的下頜骨重建，獲得了比金屬鈦支架更好的修復(fù)效果。