3D打印医学应用

《福布斯》杂志早在2012年底列数技术在未来应用的十大趋势，其中在医疗领域的应用名列第二。医疗行业(尤其是修复性医学领域)存在大量的定制化需求，难以进行标准化、大批量生产，而这恰是3D打印技术的优势所在。3D打印技术应用于医疗领域的研究，当前涵盖了纳米医学、制药，甚至器官打印。目前在医学领域中应用如下：1.整形外科领域：烧伤治疗，面部重建，隆鼻及隆颏假体的个性化定制、颅骨缺损的个性化修复、下颌骨重建术及截骨手术等。2.骨科、脑外科等：主要以骨骼打印为主，用于辅助病情讲解，辅助手术，定制义肢，膝关节、腰部等植入物。3.口腔科：个性化定制化的牙齿隐形矫正器，牙齿接种。4.学校、医院教学用具：制造高质量的医学用具，如人体骨骼、血管等器官模型。5.康复辅助设备：助听器，个性化矫形外骨骼。6.药物试验研究：打印的肝脏、肾脏用于药物试验等。7.器官移植：打印的外耳、气管、膀胱目前已有在病人身上成功移植的病例，打印出的肾脏、皮肤、心脏有望为人类提供器官移植来源。附件1：一份3D打印技术在医疗领域发展的事实数据，根据各专业文献数据库及新闻报道整理：1992年，美国的Stoker等首次将该技术引入整形外科领域，他们将3-D打印模型用于颅颌面手术的术前模拟。1999年，PetzoldF利用3D打印出缺损头颅骨骼，为病人完成了颅骨重建整形术。2007年，GuarinoJ等运用3D打印技术为30多例先天性脊柱侧凸、后凸儿童成功实行手术。2009年，南医大南方医院制备6位股骨头坏死实物模型进行术中定位显示术前设计、构建的实物模板，用于术前模型手术。2009年，杨永强、何兴容等利用SLM技术制备316L不锈钢个性化骨板，成功实行了骨肿瘤切除术，手术效果好。2009年，美国一家公司金属打印FixaTi-Por臼杯，并植入1000多例病人，术后跟踪显示良好骨融合2010年，台湾长庚大学利用RP技术预制备甲基丙烯酸甲酯个性化假体，成功用于31例颅骨缺损病人（接受过传统修复术但均失效）修复术，帮助病人修复。2011年，军区广州总医院利用3D技术，为106例骨病患者制作骨关节原型进行外科手术过程设计、预演、制作外科手术辅助模板、个性化植入物等最后精确实施骨关节外科手术。2012年，上海九院使用快速成型技术模型辅助复杂髋关节重建术，使患者取得了良好的治疗效果。2013年，密歇根大学医院利用3D打印技术打印了气管支架，帮助一个身患极其罕见的先天性支气管软化症而无法自主呼吸的小男孩，将打印支架植入体内，使其成功的在7天之后便脱离的呼吸机自主呼吸。2013年，广州军区总医院利用3D打印出个性化数字导板，术中引导骨肿瘤截骨，明显缩短手术时间，提高手术效率。2014年，哈医大附属第二骨科医院，利用3D打印技术成功制作了１８７个胸椎个体化导航模板，术中引导椎弓根置钉实施35例手术，明显缩短手术时间实现准确置钉目的术中未采用透视及其他辅助设备避免了术者及患者的放射线损伤。2014年，北京三院已经利用3D打印出的骨骼支架造福于近50例病患。2014年，广州军区广州总医院自2008年建立为3D打印技术中心，目前已为骨科、整形外科、口腔科、泌尿科等提供了近700具模型，成为常规的医疗服务。2014年，上海交通大学医学院附属第九人民医院自2005年引进3-D打印技术，完善了从数字化建模到术中应用的系统平台，建立了快速成型实验室，截至2014年，已成功将3D打印技术应用至2000余例手术中。据统计，在欧洲使用3D打印的钛合金骨骼的患者已经超过3万例，美国一家医院甚至用3D打印出的头骨替换了患者高达75%的受损骨骼。3D打印的模型或无生命假肢仅仅是一个开始，最令人憧憬的应用则是直接打印具有活性的组织器官，即所谓“生物打印”。现有的想法包括：利用3D技术打印骨架，再在骨架上培养干细胞，诱导其形成组织；更进一步的方法是直接打印出组织器官用于移植；最具想象力的方案则是在人体内直接打印活性组织或活性器官，连植入的过程都可以省掉。该技术尚处于发展的最初阶段，设想得更远一点，3D打印技术未来或许能够实现个性化医疗，并减少甚至消除器官捐献者短缺的问题。就据统计，在欧洲使用3D打印的钛合金骨骼的患者已经超过3万例，美国一家医院甚至用3D打印出的头骨替换了患者高达75%的受损骨骼。3D打印的模型或无生命假肢仅仅是一个开始，最令人憧憬的应用则是直接打印具有活性的组织器官，即所谓“生物打印”。现有的想法包括：利用3D技术打印骨架，再在骨架上培养干细胞，诱导其形成组织；更进一步的方法是直接打印出组织器官用于移植；最具想象力的方案则是在人体内直接打印活性组织或活性器官，连植入的过程都可以省掉。该技术尚处于发展的最初阶段，设想得更远一点，3D打印技术未来或许能够实现个性化医疗，并减少甚至消除器官捐献者短缺的问题。就在未来的5年时间里，更多的医学生将借助3D打印模型掌握提升外科手术水平在未来的5年时间里，更多的医学生将借助3D打印模型掌握提升外科手术水平，更多的外科医生将会习惯用3D打印机协助自己开展医疗工作，短短的5年后，3D打印技术将颠覆医疗领域。附：3D打印临床应用实例1：斯洛伐克医生成功为病人植入3D打印头盖骨2014年，30岁的JurajShank在斯洛伐克第二大城市Košice的L.Pasteur大学医院接受了一台手术，医生将一大块3D打印的头骨植入了他的大脑。手术总共持续了7个多小时，十分成功。如今病人正在以惊人的速度恢复和再生脑组织。九年前，Juraj不小心从从四米高空坠落，头骨被严重破坏。当时，医生们不得不去除他三分之一的脑神经结构，并用一种临时的丙烯酸植入物来代替它。而随着时间的变化，这些的丙烯酸植入物开始对他的脑部神经组织造成压力，病人因此失去沟通和肌肉运动功能，不得不坐在轮椅上，而且他还无法沟通，更不用说照顾自己了。为了帮Juraj制作合适的头盖骨，开发团队使用具有生物相容性的金属钛Ti64作为3D打印材料，使用选择性激光烧结（SLS）为其3D打印了一个头盖骨植入物。植入手术进行得十分顺利。医生们首先去除施加在患者脑神经上的原有植入物，新的头盖至入物以适当的方式被固定住，以保障脑组织再生。就连医生都大为惊讶病人的恢复非常迅速，术后3个月，病人已经能够与外界沟通、独自获得，也恢复了乐观的情绪。据了解，Juraj甚至还能够下棋，这在手术前是绝对不可想象的。该手术成功展示了其以很薄的厚度3D打印不规则几何形状的能力。这些3D打印植入物的薄壁厚度可达到1.5毫米左右，重量只有几克，而且能够与微传感器相结合以记录医疗数据。目前在欧盟国家,3D打印生产医院中使用的头颅、面部和下巴植入物已经得到允许,并且一部分已经得到保险公司的支持，逐渐将由支付这些救命的3D打印费用的保险政策范围内。附：3D打印临床应用实例2：湖南医院借助3D打印完成了一例骨盆修复手术2014年，湖南省直中医院收治了一位因外伤造成多发骨盆骨折的患者，随时有可能造成盆腔内大出血致休克而死，一分一秒的抢救时间都显得尤为重要。在得到患者家属的同意后，利用3D打印获得了患者受损部位的1:1模型，制定了最佳的修复方案，并模拟了手术过程，争取了手术时间，手术获得了圆满成功。CT软件数据的转化：利用3D打印出患者受损部位的1:1模型：制定了最佳的修复方案，并模拟了手术过程：另外，附上彭健全主任的诗：车祸猛于虎，全身多发伤；急诊先保命，损伤控制行；观察內出血，慎防脏器伤；不宜错时机，二周必矫畸；骨盆太变形，三维来打印；3D设计好，术中省不少；前后同入路，最终固定牢；近期手术多，手术快通霄；连续都加班，兄弟怎受了；剑慧与程锐，加班己一周；只要沒医闹，医生心情好！附：生物打印发展大事记2009年3月，瑞士伯尔尼英塞尔医院的克里斯琴·温兰特首次实现了采用3D骨骼打印机精确复制人类拇指骨骼，为医生采用患者自己的细胞组织培育替换受损和患病骨骼开辟了新的途径。2013-2-7，英国研究人员首次用3D打印机打印出人体胚胎干细胞，干细胞鲜活而且保有发展为其他类型细胞的能力。2013年4月，美国科学家利用装有细胞的3D打印机打印出迷你肝脏，深0.5毫米，宽4毫米，拥有很多与真实肝脏一样的功能，包括产生负责将激素、盐和药物运送到身体各处的蛋白质。2013年05月，3D打印出了移植的人造气管，并成功用于气管支气管软化症的患儿，挽救了生命2013年6月，美国华盛顿儿科医学中心最近利用3D打印技术，用“塑料”打印出了全球第一颗人类心脏，并使这颗心脏能像正常人类心脏那样跳动2013年8月，英国《每日邮报》报道，美国维克森林大学的科学家成功利用3D打印技术打印人体细胞的生物可降解支架，而后利用支架培育耳朵和鼻子等仿真度极高的面部器官，例如耳朵和鼻子。2013年11月，美国北卡罗莱纳州维克大学医学院外科医生安东尼·阿特拉用三维细胞打印机打印出人类肾脏.2013年12月，据新华社电美国康奈尔大学研究人员利用牛耳细胞在3D打印机中打印出人造耳朵，可以用于先天畸形儿童的器官移植。2014年1月，维克森林大学军事研究中心的科学家开发一种新的皮肤修复方法：利用3D打印机直接将皮肤细胞打印在烧伤创面上，目前已取得初步进展在试验中。2014年3月，哈佛大学的科研人员首次用3D打印制造一些带着血管的人体组织，其中包含了皮肤的细胞，生物性的材料，里面还有一些与血管相像的结构。。这是人们第一次用3D打印技术获得功能性的“血管”，嵌在复合的，排列好的细胞结构中。2014年4月，美国加利福尼亚州DarrylD’Lima博士设计了一台3D生物软骨打印机原型，连接软骨原细胞混合液，经过紫外线照射，混合液凝固成软骨组织。此外，这台3D生物打印机也可以打印骨细胞，让软骨附着到骨头上。2014年4月，美国路易斯维尔大学的科学家已经用3d打印的方式打印出人类心脏瓣膜以及小血管。实验证明，这些小血管在老鼠等小动物身上可以正常工作。研究团队计划在3~5年内打印出心脏的各个部件，然后手工把它们组合在一起。这一项目最终目标是用人体的自身细胞打印出一个完整的、能用于移植的心脏。它不会产生排异现象。如果一切能按计划进行，这种生物打印心脏有望在10年内进入人体试验阶段。