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（下）

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。）

我们看了很多医疗领域 3D 打印的实例，那么到底什么是 3D 打印？我给大家播放一个3D打印的完整的过程。通过视频，我们可以发现 3D打印机其实很简单：框架是机器的支撑结构，框架的两侧会有滑轨，打印头就放置在轨道上的横杆上往复移动，打印头连接的黄色的部分就是填料，在打印头上有加热装置，把填料融化后按预定的轨迹往复移动实现平面打印；当打印头上移或料盘下移时，可以实现高度方向的打印，这样的层叠堆积，就会形成3D打印产品。打印头移动是受程序控制的，这是控制界面，现在显示这个产品已经打印了 23%，百分之百时打印结束。我们观察一下已经打印好的零件， 外部轮廓都是材料很紧致和密实的，但是中间的部分是规则的孔洞，

这样做的目的一方面是为了提高打印速度，同时为了降低材料使用量。说到3D打印就要跟同学们介绍一下卢秉恒院士，他是国家增材制造创新研究中心的灵魂人物，20 多年来致力于3D打印的全面开发与研究，对于卢院士团队来说，打印一座微缩大雁塔不过是雕虫小技，而采用生物 3D 打印技术重建人体缺损的骨骼才是他们奋力拼搏的目标。每一个人都是独特的个体，因此我们无法被复制。但人体是左右对称的，如果因为车祸或疾病失去了一部分骨骼，我们能否依照自己完好一侧的骨骼复制出缺损的骨骼植入体内？答案是可以的。采用的技术就是手术规划，比如这个案例就是利用躯体完整的左边解剖结构镜像复制右侧的缺损，利用 3D 打印机打印一个与右侧缺损完全吻合的植入体。 3D 打印应用到医疗领域里，形成一个对于治疗和手术完全颠覆性的方案。

胸外科手术室黄立军大夫主持的手术进展顺利。在术前，卢院士团队与主治医生共同规划了手术方案，依照患者在车祸中幸存部位的完好胸骨CT，设立出人造胸椎骨的 3D 数字模型。人工植入物应用到临床会涉及到包括材料毒性、排异等一系列复杂的问题。就材料而言，是运用骨科临床已大面积使用的钛合金，还是运用新型高分子复合材料，需要一份细致周全的科学考量。钛合金主要它有生物相容性好，不会引起副作用，但是在替代某些器官中就会发生问题。例如我们的头盖骨如果受伤了，如果用钛合金把它修补起来，因为金属导热很快而且又靠近头皮，这部分的组织对环境的温度比较敏感。这么一来，他老是感到头皮好像凉飕飕的，这肯定是一个不舒适的感觉。而这个像Peek 材料和我们人体本来的骨骼也相差不多，而它的强度又非常好，高于我们骨骼的强度。Peek 又叫做聚醚醚酮，是一种性能强度与人体骨骼相似，且生物相容性较好的高分子复合材料。主刀大夫黄立军正是将一块用Peek 材料精准打印的人造骨骼成功植入患者体内，完成了大面积缺损胸骨的重建工作。

过去我们对这些大范围的胸壁缺损的重建是非常困难的。随着科技的不断进步，尤其是近年来 3D 打印的发展，我们看到了它的特点和优点，很快我们就把引入了我们的胸壁重建中。如果我们要强调的现代科技做武器，我们就可能真真正正的成为病人的守护士。

刚才给大家看的是我国 3D 打印技术的领军人物——西安交通大学卢秉恒院士，他所带领的团队将 3D 打印技术融入到胸壁外科的重建，大家能够看得到。里边有一个画面，黄大夫拿着一个胸壁的金属模型，用手弯折，弯折之后放在自己的胸腔查看吻合度如何。以前的医生都是通过手工现场弯折，之后再植入患者体内的。现在有3D 打印技术之后，比方胸部左边骨折，我们找一条左右结构的对称线，采用镜像技术将健侧结构对称过去，就可以获得右侧这部分缺损的模型。打印好这个模型后，医生不用再弯折或修形，直接植入病人体内，就可以达到非常好的吻合。所以 3D 打印技术可以非常快的恢复病患的缺损，还可以大大降低医生手术的工作量。

那么打印的模型到底是怎么来的呢？来自于我们拍摄的核磁和CT 图像！通过把图片中的轮廓提取出来，一层层堆叠就形成了三维立体模型，这样的三维模型打印出来后就是我们设计的个性化假体或植入物。那么 3D 打印机和我们办公用的打印机有什么区别呢？电脑里的文档连接打印机就能打出来，这是我们所说的 2D 打印也就是平面打印。 3D 打印是在平面打印加了一个高度z，如果定义打印纸是x、y 平面，那么与该平面垂直方向就是z 轴，打印头沿z 轴移动就形成了厚度。通过打印头把融化的材料一层一层堆积、粘合，就形成了一个有高度的立体模型，这就是 3D 打印机的原理。

3D 打印应用于医学一定要考虑植入物与人体的生物相融性，因为人体是一个非常非常复杂的系统，包含骨、肌肉、血管、神经及体液等，普通的金属材料植入物在这样的潮湿、具有腐蚀性的环境下可能会出现腐蚀或者是损伤，危害人体健康，所以我们植入到人体的材料必须选择能够用于 3D 打印的医学材料。而 3D 打印机常用的材料有光敏树脂、ABS 树脂、石膏、钢、钛合金，经过分析和研究，钛合金的毒副作用最小，所以现在的植入物用钛合金材料居多。

钛合金打印的都是硬组织，我们在临床还经常遇到患者需要配置义耳的情形，图所示的就是打印的耳朵，也叫赝复耳，这副图片是缺损的骨头的修复体，这些都是树脂材料打印的。这张图片是我的硕士研究生的课题模型，是羊下颌缺损部位的假体，用钛合金打印，但是钛合金太重了。如何实现重量轻、同时实现缺损修复的目的呢？我们课题组后来想了个办法，就在假体上打孔，把多余的材料给你去掉， 还能保证功能。这是植入羊下颌的模型，恢复羊的咀嚼功能后观测假体的承载能力。

3D 打印还能改善面部畸形。这个是国外的一个案例，小朋友的下巴没有了，这是天生下颌短小的病例，需要修复下颌骨的形状。打印出金属下颌骨后，用这样的螺钉连接到下颌骨体部，术后的侧面照片显示这个孩子的下颌骨已经拉长了，面容也恢复了。

3D 打印的赝复耳能为患者带来极佳的修复体验。图片上的这个病人右耳耳廓缺失，这样的缺失不但影响听力，而且会有心理负担。因此现在为他镜像打印一只赝复耳，安装好后可以完美实现耳朵基本对称的外形。当然在设计义耳时，有时也可以采用已经建立好的义耳数据库数据，而不用镜像对称的方式设计模型。我所在的课题组曾经做过人工赝复耳的数据库，包含华南、华北、西南、西北这些人群的耳朵轮廓、男女、地区差异，可以快速解决临床赝复耳设计-打印-佩戴-调整时间过长的问题。当然了，手术过程中可能会遇到很多问题， 需要我们综合考量。这是假体植入手术过程的一些图片，这个小姑娘的右耳缺损一部分，医生通过右耳的植入改变了面部形态；这个病人的右眼下拉，医生把右脸部分和耳朵这部分补起来后，两眼的轮廓基本一致，整个面部也基本对称，所以这个病人的一期修复就已经达到了预期的临床修复的效果。

除了上面说的材料、器官以外，在设计植入物时还需要进行力学分析。我用步态来给大家讲为什么要做力学分析。步态指的是什么 呢？人从一侧足跟着地起到该侧足跟再次着地为止所用的时间成为 一个步行周期，也就是步态。为了搞清楚人在走路的过程中每一个关节的受力、转距、方向、足部压力的改变、大小等等，我们要采用仪器测量人走路的数据导入计算机，分析关节力和关节力矩作为假体植入后的预期恢复依据。也就是希望患者植入髋关节或膝关节假体后， 行走的步态能够恢复到术前的正常状态。这就需要工程师在术前设计个性化假体进行虚拟安装与受力分析，给出合适的假体形状，就可以为患者的后期康复和功能恢复提供良好的基础。同时受力分析还能帮助医生寻找患者可能的病因，比方有的人走路只能迈左腿，右腿是拖着走的，通过与正常人的步态对比，寻找患者可能存在的肌肉或者关节的问题所在。

力学分析还能帮助我们最科学地进行运动或保护自身。比如研究表明，站立位时两个膝关节各承受人体重量的 50%，但在爬山或者是爬楼梯时，膝关节上受的力大概是人体重量的 2.5 倍左右，这就告诉我们：上楼梯膝关节的负荷大，所以建议老人们上下楼梯尽量坐电梯， 不要继续损伤膝盖。

力学分析还可以实现动态显示。比如现在给大家展示的就是股骨在一个步态下的受力分析，我们发现下肢骨上随着步态位姿改变，骨头上的受力分布变化很大，这就提示设计假体时，根据受力情况，受力大的部分强度要高；受力小的部分要结构轻巧，所以我们发现 3D 打印医学器官时，我们采用的全部是个性化假体设计。这样的设计主要靠计算机辅助完成。

计算机辅助临床工程大概的工作流程是这样的：需要医工双方就某个患者开一个网络的系统诊疗会议，商讨手术方案，这个患者要换髋关节。首先要了解髋关节要能实现哪些动作？髋关节要实现内旋、外旋、屈伸遇到弄，要同时保证形态和功能的恢复。如何恢复功能？ 需要生物力学评估，还需要形状恢复。医生要拍核磁或CT 的照片， 这样的图像大约几百到一千张，工程师要把每一张图片的髋关节解剖轮廓提取出来，形成一个髋关节的 3D 模型，这个模型就可以提供 3D打印。打印之前先要做一个力学分析，在髋关节的模型上加力、约束、计算，分析正常步态与假体植入后的下肢受力，如果植入假体的下肢 在一个布态中的受力与假体植入的受力一样，说明我们假体设计是合 适的。这时就可以打印假体了。图片就是打印出来的一个金属的假体。这样的假体设计可以与患者的骨骼匹配，并能快速恢复正常力学曲线。

3D 打印用在医学上，除了内植入物的打印之外，还可以做矫形牙套。牙齿矫正能够改变咬合关系，还能改变面型，前段时间有一个 明星叫Angelababy，对比她在当模特之前和矫形之后的脸型，会发现 她的脸型从方形变成了卵圆形，正畸在其中功不可没。一般矫正牙齿 是采用固定矫治器，带有托槽的矫治器固定在上下牙列，然后在托槽 中穿上弓丝，定期调整弓丝的拉紧程度就可以让牙齿发生移位或转动， 以达到牙齿矫正的目的。这里不但要依靠弓丝施加的矫形力，还要靠 医生的技法和经验进行个性化调整。后期保持阶段采用的隐性牙套可 以采用 3D 打印。制作这样的牙套以前要先咬牙模，灌注石膏模型， 之后开始包埋和层切制作牙套。随着数字化设计能力的增强，现在已 经可以基于患者的CT 图像建立牙列的模型，并在软件中进行排牙， 大家看一下动画，排成理想的牙列形状后，制定正畸方案，实现定期 调整。现在采用 3D 打印这样的隐形牙套，不但能够满足牙列排齐整形的目的，还能减少患者的就医时间。

当然了， 3D 打印技术还可以用于术前规划。什么叫做术前规划？给大家看个视频，大家看一下。医生拍摄了患者的CT，由于患者骨折情况复杂，为了制定手术方案，借助 3D 打印制作术前规划以及相应的手术导板。这就是合成后的三维模型，骨折显示，接着将模型导入 3D 打印软件，生成打印指令文件。现在演示的是打印的过程。动画开始打印了。打印完成，这个模型可用于术前规划。现在看一下打印的过程，时间很长，而且同学们会发现很多结构是建好的模型中没有的，这是因为打印的模型位于工作台上，要打印具有高度维度的结构，需要每个部分都是有材料支撑的，所以模型出来之后要清理掉不需要的支撑部分，只保留与手术相关的结构部分。医生把骨盆模型展示给病人和家属讲解手术方案，术中使用的固定或修复材料等，在这个过程中间哪个地方有血管，哪个地方有神经，我们在手术的时候就要特别注意，从哪个地方打，我们中间就会有一些定位的过程，会耽误一些时间。所以患者能知晓手术过程和术后能够达到的最佳效果，这样做的目的一方面是降低病人的焦虑情绪，还有一个能够让病人知道我在接受着一个什么样的治疗，我将来应该如何去做恢复。除了北京、上海等城市有这样的 3D 打印医学工作站之外，我们的宁夏医科大学也有 1 个 3D 打印工坊。这里有宁夏经济频道的报道， 陆主任为提高椎间盘压迫手术效果，先在计算机上模拟一下模型，设 计椎弓根钉从哪里进钉最安全合适？还有《碟中谍 5》中的片段，这个片段当时刚出来的时候，吸引了很多人的眼球，这就是一个旋转打 印的 3D 打印头，打印这种橡胶的面具，最后喷射皮肤颜色，为阿汤哥完美完成任务提供了最佳保障。

好了，以上就是我给大家介绍的 3D 打印在医学领域中的应用的一些案例。前面留了一个问题，就是下颌骨打印是镂空的，在这里跟同学们进一步解释一下。打印镂空的下颌骨是基于组织工程学的考虑。对于植入人体的内植入物，我们希望打印出来的金属骨替代物前期能 够恢复病人的功能形态，后期希望植入物上作用的力能够诱导人体自 身的骨头生长，进而代替内植入物的作用与功能。我们把内植入物镂 空，其中的孔洞要填充字体骨组织，以诱导自体骨产生。因为人体骨 头在力刺激下可再生，比如植入镂空的下颌骨，填入自体骨组织，我 们希望在牙齿的咬合力的不断刺激作用下，能够促进填入骨组织生长， 最理想的状态是产生新的骨头把植入的支架替代掉，使得植入的下颌 骨成为新生骨头中间的一部分，但它只是起一个支撑作用，真正起作 用的还是骨组织生长出来的自体骨。但是遗憾的是到目前为止，组织 工程学还有很多问题没有解决。比如，组织工程学认为所有的骨头在 压力的作用下会刺激成骨，但是没有办法确定到底是多大的压力下能 够让骨细胞能够成骨，因为更多的情形是由于压力太大反而把细胞压 死了——所以现在这是一个特别难解决的问题。这也是很多时候我们 虽然在植入物中尽可能多地充填了骨组织，但是实际上它并没有按照 我们的期望去生长，全被吸收了；反倒是填的比较少的地方可能还生 长出一点骨组织。

还有就是骨生长的时间，就是骨组织多久能够穿透我们镂空的支 架，能够把网状下颌骨架空，到目前为止我们解决不了，而且细胞的 活性不好控制，因此它也限制了人工心脏等软组织细胞级打印的应用。细胞级打印是指人体的红细胞、成骨细胞、各种各样的酶等打印出来 后，因为所有的细胞来自人体自身，打印它就能够跟人体自身完全融合，植入以后没有排异反应或长得很好，而且随着你人体的长大，它本身也会跟着尺寸长大。所以我们希望将来组织工程学的发展能够解决这些问题。我们希望同学们未来能有志于此，为我国的健康事业贡献力量。

医学领域中的 3D 打印产品，从鞋垫到软骨到内植入物，从赝复耳到牙套，，髋关节、膝关节的性化定制，还有我们给大家看过的软组织，其实 3D 打印的范围越来越广泛。比如韧带，打篮球时用力弹跳，落地的瞬间可能伤及足部或关节韧带，韧带是结缔组织，神经和血管非常少，很难恢复，断裂后可能需要更换人工韧带。因为韧带的作用就是连接两块骨头的，所以人工韧带是用替代材料把两块骨头连接在一起。血管、血管支架等软组织也逐渐成为 3D 打印的目标， 为人体更好地修复提供了强有力的技术保障。

最后我跟大家介绍一下我的研究团队曾经做过的工作。我所在的课题组曾经跟上海市第九人民医院合作完成了一例复杂度和难度极 高的骨盆骨折修复，还有这样的髋关节植入术，或者膝关节的植入术， 开发了一个国内人工关节的关节库和赝复耳数据库。所有的医工届科学家一起努力，我们希望能够通过努力，携手有志于此的同学们共同提高我国的 3D 打印的技术。

各位同学如果有兴趣，可以到科技馆、各大高校，或者到各大医院的 3D 打印中心参观、学习，探寻 3D 打印里中还没有攻克的技术难关；如果大家对提高人类的生存质量，提高人体修复的功能感兴趣的，也可以进行探讨，我们希望未来能够全面推进 3D 打印解决人体组织缺损进程。希望我们共同携手，为我国的 3D 打印和医工结合成果转化全面实现添砖加瓦。谢谢大家。