宁夏科普专家优秀讲座报告文集：3D 打印技术在医学中的应用（上）

编辑：康 艳 审核：杨鹏斌

（主讲人：曲爱丽，副教授，工学博士，宁夏大学机械工程学院。从事生物医学工程领域的研究工作。近年来参与2项国家自然科学基金项目，参加973 项目、上海市科委项目、宁夏区自然基金项目等共计6项，发表科研论文20多篇，参编专著4部，获批国家发明专利2项，获宁夏回族自治区科技进步三等奖（排名 1）一项，二等奖（排名 5）一项。）

同学们，大家好。我叫曲爱丽，是宁夏大学机械工程学院的老师。今天我的题目是3D打印在医学中的应用。这个题目来自于我的研究课题，也是现在比较热门的一个方向。

那么3D打印为什么可以用在医学领域呢？现在我用这张图给大家展示一下：右侧的这张图是人体的骨组织，其中骨盆和下肢骨及足骨是支撑人体的重要组织，骨上附着了肌肉、韧带、血管、神经等组织。左边的这张图是什么？是假体，又可以叫假肢，是目前3D打印中比较多的产品之一。

屏幕上展示的是一名中医在给病人把脉，现在的中医除了望闻问切以外，还要借助一些现代化的手段帮助诊断或病案管理，比如通过病案管理系统把病人的信息、问诊情况、用药以及恢复情况全部都记录下来，方便后续的治疗。下面的这张图很多同学无论是从电视、电影，电视剧，还是从现实生活中都能够看到的医生对一名住院患者的查房实况，很多医院采用医疗团队的方式进行病程全程管理及跟踪。医生手边不但要要纸质病例，而且需要iPad 等电子设备，所以我们知道现代的医学已进入信息化进程。那对于外科手术而言，不但有主刀医生，旁边有助手进行外科手术。外科手术有没有信息化或电子化的接入呢？同学们看一下这台机器，这是一台达芬奇手术机器人，这台机器人的操作手可以剥掉葡萄皮。以达芬奇手术机器人为标杆，外科手术进入了智能化和精准化的领域。达芬奇手术机器人现在也被引入了宁夏医科大学总医院，还在相关的探索阶段。

上面讲的内容和3D打印有什么关系呢？我们先来关注医学中的3D打印到底打什么？打出来有什么作用？给大家展示一个案例， 颅骨破损后需要手术修补，缺损的部分需要用金属打印机打印钛网，这就是填充物或者内植入物。当然日常我们见到的大多数3D打印都是白色的产品，图片中的白色的骨头就是3D打印的，材料是光敏树脂或塑料。也许同学好奇：打印金属网或者骨组织，在人体或者医学到底怎么用呢？

我给大家看一位临床的外伤患者，他的颅骨缺失了一部分，要知道脑组织是一个很软的组织，而头骨起到保证颅内压、保护脑组织的作用。出现缺损后，患者外观出现面容受损，对很多病人来说，这会增加患者的心理负担。出现 3D 打印技术后以后，我们用钛合金这 种植入人体后毒副作用最小的金属比照着对侧健康头颅对应部位的 形状打印缺损的部分，再通过手术把这块打印植入物植入缺损部位， 修复患者的组织缺损，恢复面容提高患者的生存质量。这样的技术不但能够恢复患者的脑功能，而且还能够恢复他的面部、头部解剖形态， 让患者能够阳光的、正常的生活在我们的社会主义的大家庭下。所以就是3D打印我们实际的一个产品和案例。

上面的图是给大家展示3D打印的功用，下面我给同学们讲解3D打印的组织种类。除了前面的颅骨，还可打印下颌骨，下颌骨位于脸部下半部分。我们再来观察打印出来骨头的形状，颅骨缺损部分形状不规则，同时每个地方的薄厚以及下颌骨各部位的形状与厚度完全不一样。现在给大家展示的3D打印的下颌骨和颅骨是镂空的，是一个支架，为什么要打印成这样的形状？后面会给大家讲。我们还可以打印腰椎和骶骨以及神经，图中的白色部分是骨，红色的就是神经，我们知道如果腰椎受伤可能导致下肢瘫痪，这是因为骨头骨折之后会损伤到神经血管，那么患者行走、运动的功能就会丢失，为了修复我们也需要3D打印。还有一种血管，这是我博士课题中做实验用的一节血管，这是一节用橡胶材料打印的类人工血管，它的性质和人体血管的材料比如硬度、弹性模量都比较类似。做这样的一个血管的目的是什么？是因为在研究中，我们发现骨盆受到冲击后，表面看起来骨头没有伤，但是盆腔会出血。这时病人会出现血压下降，体温降低， 意识丧失，危及生命，所以我们需要快速的、在没有介入检查之前判断是不是血管破损。所以我们需要看冲击下血管的哪一部分可能会容易损伤。这段血管的上面这一段是腹主动脉，下边两段粗一点的是髂总动脉，在血管中充满血液，再放在一个骨盆内冲击，观测血管的哪个部分比较容易断裂，多大的压力下可能会发生断裂？如果不打印血管，我们就无法观测血管的破损的，所以这个打印的血管是帮助医生判断有没有可能出血情况提供依据的。还有一种血管支架。如果人们不健康饮食，也不爱运动，生活习惯不太好，可能会导致一些血管内的斑块形成。血液是在血管内连续流动的流体，这些斑块附着在血管壁上，让血管壁内部的流通直径变小，血液如果在某一段内不流通，营养物质没有办法交换，这一段组织会坏死的。所以为了防止出现这种堵塞，我们需要在血管的内壁发生堵塞的地方放一个支架，就是心脏血管的支架，也是3D打印出来的。支架的类型有很多种，如果大家有兴趣，可以上网搜索心血管的支架，有很多种类型。还有一种组织是人工心脏，当患者因为心脏、肺或肾等脏器发生病变，需要等待器官移植，如果能够实现打印的心脏或类似组织的3D打印，我们就可以很容易实现生命的救治。但是到目前为止，还没有办法打印出来能够植入人体的心脏等组织。所以心脏等软组织的打印依然是我们的努力方向。还有一种组织叫软骨，它内部含有大量的胶原蛋白，当相邻的骨挤压软骨时，软骨内的润滑液流入关节面之间，在相对运动的过程中两骨头不直接接触就不痛。如果两块骨头接触在一起就会痛。这时我们就需要换软骨，软骨我们也可以打印打的。

除了人体组织可以打印外，下面的鞋垫也可以打印。鞋垫对于很 多病人来说具有重要的意义。很多赛事比如足球比赛，在比赛结束以 后会把运动员的球鞋送给球迷，很多球员有一个习惯，他们会把鞋垫 抽出来，这样的鞋垫一般来讲就是 3D 打印的。鞋垫打印刚开始是用于糖尿病足，因为糖尿病人后期末端循环不好，脚部会出现溃烂，这 时候病人如果穿普通鞋，会出现患处挤压，会极大的限制患者的运动， 影响生存质量。后来 3D 打印技术出现了，通过患者在测力平台上行走获得足底压力分布信息，再根据这个力的分布图，打印出适合患者 足底受力的、高低、硬度不同的鞋垫，我们也把这种叫做个性化鞋垫。现在的这种鞋垫不同的运动员的不同运动模式，对脚产生的压力不同，所以更需要个性化打印的鞋垫。我们熟知的李宁运动鞋品牌就有一个很大专门采集运动员的运动学数据的研究所，根据运动员的典型动作采集力的分布，然后通过科学的理论计算与分析，设计出符合人体运动特征的鞋底。

上面讲的采集足底压力并根据分布规律设计鞋垫的方法称为生物力学评价，是在3D打印产品或植入物时要采用的一个重要的介质。比如现在大家看到的这张x 光片，一侧是正常的股骨头，但是右侧的股骨头坏了，这样的损伤对病人来说会带来难以忍受的疼痛，怎么解决这种疼痛呢？可以通过手术更换人工关节。比如髋关节置换手术就是更换损坏的股骨，手术时将股骨头坏死的部分切除，把金属的假体装在股骨干中，这样患者就恢复了站立和行走的功能。如果是上面的这个像小杯子一样的这个髋臼坏了呢？当然，采用手术的方法置换髋臼杯就可以了，髋臼杯和球形的股骨头形成一个铰链状的关节，就是髋关节。髋关节置换手术让患让病患快速恢复正常的生理生理活动。目前髋、膝关节置换手术已经非常成熟。

2019 年年末开始全世界发生的新冠疫情让大家体会到了口罩的重要性。但是戴眼镜的同志会经常出现哈气模糊视线的问题，因此口罩内部放置支撑网或支撑架，这些网架就是3D 打印的，屏幕上给大家展示的是一个呼吸面罩，与面部贴合的这一部分是用比较软的材料打印的。这样制作的面罩能有效地将含有病毒的空气凝胶隔离在外。

3D打印还可以打印假肢。比如替代腿的假肢，或者手部的假肢。手上的五个指头由束神经传导信号，假肢的接受腔与手臂连接，通过假肢中设置的传感器控制、检测信号，就可恢复手部功能。

据报道，在2020年的时候曾经有一只丹顶鹤因为跟其他鸟打架， 将上喙折断，经过科研人员用金属打印了一个替代的上喙，之后丹顶鹤不但能恢复进食，而且据说打架的时候他变得更强大了。同样，类似的新闻也有这样的一只白头翁，它的上喙断了，医护人员就给它打印了一个3D的金属替代物，接好之后它马上就恢复了很霸气的样子。所以对比术前术后照片，获得了十大最酷3D打印产品称号。因为这些的人这些3D 打印产品是能够直接应用，而且应用效果非常好。