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3D打印技术在临床医学中的应用进展

来源:UC论文网2020-08-05 09:01

摘要:

  摘要:3D打印技术又称增材制造技术,其基本过程是使用计算机辅助设计建模软件来开发被打印物体的三维模型,然后将数字化模型切成二维平面薄片,最后通过沉积叠加许多薄层而形成立体物质。将3D打印技术应用于临床医学不仅能缩短疾病诊断和治疗的时间,打印出的三维立体结构也能促进医患之间的交流。目前,3D打印技术已广泛应用于医学检测、医学建模、植入物和医疗器械研发、组织工程、医用卫生材料、远程医疗等方面,并取...

  摘要:3D打印技术又称增材制造技术,其基本过程是使用计算机辅助设计建模软件来开发被打印物体的三维模型,然后将数字化模型切成二维平面薄片,最后通过沉积叠加许多薄层而形成立体物质。将3D打印技术应用于临床医学不仅能缩短疾病诊断和治疗的时间,打印出的三维立体结构也能促进医患之间的交流。目前,3D打印技术已广泛应用于医学检测、医学建模、植入物和医疗器械研发、组织工程、医用卫生材料、远程医疗等方面,并取得满意进展。随着未来更好的医学打印材料的发现,3D打印技术不仅可以用于制造出有生理活性的人体组织器官,使受损组织得以修复再生,还能打印出微观水平的蛋白质载体、通道蛋白等结构,为解决人体生化物质代谢障碍等问题提供新的思路。


  关键词:3D打印技术;临床医学;组织工程;植入物;远程医疗


  3D打印技术又称增材制造技术,在20世纪80年代中期由CharlesHull首次提出,并率先应用于航空航天和汽车工业。3D打印的基本过程是使用计算机辅助设计建模软件来开发被打印物体的三维模型,然后将数字化模型切成二维平面薄片,最后通过沉积叠加许多薄层而形成立体物质[1]。完成此过程需借助采用特定材料的3D打印机来实现,这种3D打印机主要有两个特点,一是具有三维制造能力,二是实现快速成型[2]。因此,将3D打印技术应用于临床医学不仅能缩短疾病诊断和治疗的时间,打印出的三维立体结构也能促进医患之间的交流。本文就3D打印技术在医学检测、临床治疗和医学康复等方面的应用进展作一综述。


  1医学检测


  微流控芯片技术是把生物和化学实验室微缩在微米尺度的芯片上,从而进行检测分析等操作的一项新兴技术[3]。3D打印技术可以与微流控芯片技术结合而应用于医学检测,并且已有相关研究报道,如王可可等[4]在三维制作的微流控芯片上进行荧光定量聚合酶链式反应检测乙肝病毒核酸。该项技术操作步骤简单、试剂用量少且检测效率高,其检测性能超越了目前使用的核酸血液筛查系统。此外,3D打印出的生物传感器可对作为肿瘤标志物的金属硫蛋白进行荧光检测,为肿瘤的诊断开辟了一种新思路[5]。


  2医学建模


  2.1医学教育解剖学是医学教育中的重点和难点,解剖学中的某些结构是错综复杂的,比如颅神经和颅底结构,仅基于二维图像很难被完全理解。若使用3D打印的解剖学模型,抽象的结构就会变得形象直观。同时,世界各地关于遗体捐赠的法律和伦理问题存在较大差异,3D打印建立的解剖模型可以在一定程度解决这些伦理问题[6]。


  2.2预手术临床手术中常出现手术位置深且复杂的情况,或者由于个体化差异使得相应结构难以找出,导致手术无法顺利完成。而3D打印可以根据患者的病理位置进行图像扫描,然后打印出患者实际的病理模型。医生在术前能更好地观察病灶、掌握病情,制定个性化的手术方案,甚至可以在3D模型上进行预手术,从而降低手术风险[7]。孙涛等[8]在纵隔肿瘤精准切除手术中,为了避免切割深部肿瘤时损伤周围的气管、心血管及神经等重要结构,采用双源螺旋CT获取数据并制作出肿瘤及其毗邻器官的3D模型,有助于术者在预手术中摸索出最佳的手术路径和入路技巧。


  2.3医患沟通临床手术均存在一些术后风险,医生在与患者家属沟通时很难做到直观、全面地进行解释。医生利用3D打印模型可以轻松指出患者的问题所在,让患者及其家属对术后风险有一定了解,从而减轻患者的心理压力,提高患者对手术的整体满意度,减少医疗纠纷的发生[9]。


  3植入物


  许多骨科手术均需要植入物来填充骨缺损,对于大面积骨缺损的患者,传统植入物常出现假体尺寸不匹配的情况。3D打印技术可以精确设计假体形状,从而减少假体松动、脱位和局部感染等并发症的发生[10]。Wong等[11]根据肿瘤切除后的骨盆缺损形状和生物力学分析设计并打印了植入物,实现了手术的个性化治疗,该研究显示患者术后能独立行走,髋关节恢复良好。为了更好地促进骨细胞与植入物融合,减少二者刚度不匹配的状况,Shah等[12]采用3D打印技术模拟天然骨小管超微结构,在植入物上设计多孔隙通道,骨细胞形态扫描电镜下显示骨-种植体界面组织生长良好。同时该研究显示,从界面组织v1CO2-/v2PO3-比值、苯丙氨酸和酪氨酸水平上来看,多孔植入物较固体植入物更接近天然骨,有利于消除应力遮挡效应,更好地促进骨愈合[12]。此外,3D打印的弹性薄膜植入物可用于治疗心脏疾病,3D打印的神经引导导管可以用于引导神经系统自我修复[13]。


  4医疗器械


  4.1手术辅助器械3D打印的导航模板是一种基于患者解剖结构制作而成的手术工具,可以用于引导穿刺、切割、固定、重建等,临床医生根据手术导板的导向作用精确进行手术操作,实现个性化、精准化治疗[14]。3D打印的穿刺导板多用于辅助微创手术精确定位。Golab等[15]在微创经皮肾取石术中采用3D打印技术打印个性化导板并进行定位穿刺,以确保探针快速并精确进入肾脏集合系统,结果显示该导板可以加快手术进程,避免损伤肾脏周围血管,减少穿刺并发症的发生。在引导切割手术中,Mcallister等[16]利用3D打印技术为患者量身定制了用于切割畸形颌骨的截骨导板。外科医生能够根据导板确定截骨切割的最佳方向,并更好地预测手术后骨骼上下颌的关系,这种截骨导板有可能成为引导正畸手术规划的“黄金标准”。此外,3D打印的导板在固定螺钉的置入、义齿种植、粒子植入和骨骼重建等手术中也发挥了重要作用,结果均显示导板的使用有助于提高手术操作的准确性,降低手术风险并缩短手术时间[14]。


  4.2康复器械假肢、矫形器和助听器等康复器械是根据个性化需求制定而成的,这些康复器械制备过程十分复杂,制作时间长且精度较差。3D打印技术可以精确模拟人体解剖结构,快速制造出符合人体构造及个性化需求的产品。3D打印的康复器械除了符合个性化特点之外,还具备美观性、舒适性和灵活性等优点[17,18]。


  5组织工程


  5.1支架在组织工程领域中,人工三维支架有助于支持组织的生成。为了达到组织再生的目的,支架必须具有高孔隙度、足够的孔径以及适当的力学性能、生物降解性、生物相容性。基于人工支架在神经修复、血管修复、软骨组织修复、心脏瓣膜修复等多个领域的相关研究显示,个性化的3D打印支架可以满足以上优良特性[19,20]。李玥等[21]在计算机辅助设计下采用3D打印技术制备了具有多孔结构的聚羟基脂肪酸酯/硅酸钙人工骨支架,此复合支架的多孔隙结构清晰,且支架孔隙之间有较好的连通性,检测结果表明该复合支架力学性能高、压缩性能良好且降解速率较快,有利于骨缺损的修复。目前,关于支架生物相容性的研究比较少。最新一项研究通过3D打印技术和纳米二氧化硅的表面修饰制备了以聚己内酯为材料的多孔气管支架(PTS),并将天然移植气管和PTS移植气管植入体质相似的动物体内,HE染色发现经改造的多孔支架的细胞亲和力明显提高,动物在急性期后的免疫排斥反应明显下降,表明其组织相容性良好[22]。


  5.2组织和器官3D生物打印技术是3D打印技术的一种,该技术是把细胞、生长因子及生物材料等,按照需求将组织微观材料逐层精确定位,最后构建出具有生物活性的组织或器官。当人的某一部位损伤时,可以利用3D生物打印技术可以实现组织的再生或器官移植[23]。Isaacson等[24]将3D生物打印技术应用于角膜组织工程领域,利用现有的三维数字人体角膜模型和合适的支架,制作出与天然角膜基质结构相似的人造角膜。该研究中,3D打印机内部的生物墨水采用的是从人体角膜组织中分离的角化细胞,结果显示该角化细胞在打印后第1天和第7d均表现出较高的细胞活力,为角膜移植提供了新的治疗途径[24]。国外利用Transwell功能系统构建三维人体皮肤模型,这种混合3D细胞打印系统以聚己内酯网状结构为支撑,采用喷墨涂敷模块均匀分布角质形成细胞,并利用成纤维细胞填充真皮层,最终该皮肤模型显示出良好的生物学特性[25]。目前已有研究通过3D生物打印技术打印出肝脏、心脏、软骨组织和血管系统等结构,但该技术的可行性还需要进一步研究[26]。


  6医用卫生材料


  创面敷料是常用的促进皮肤伤口愈合的医用卫生材料,对于伤口局部感染的患者,临床上通常采用抗生素治疗后创面敷料加以覆盖,从而达到杀灭细菌的目的。但目前由于抗生素的误用和滥用,临床上耐药细菌数量急剧增加。Muwaffak等[27]利用3D打印技术将抗菌的银、铜和锌融入聚己内酯丝中,制作出个性化的伤口敷料,并通过热活性监测系统检测发现银、铜敷料具有良好的杀菌效果。有研究采用3D打印技术打印出多聚甲醛硅氧烷仿生纳米银创面敷料,结果显示这种伤口敷料具有良好的生物相容性、柔韧性、抗黏附能力,可有效抗菌并促进创面愈合[28]。


  7远程医疗


  远程医疗的重点是提高医疗质量,实现远距离诊断和治疗,其中最重要的应用之一就是远程监控系统。生物电位的长期监测需要皮肤电极,传统的Ag/AgCl电极在长期使用过程中可能会导致皮肤过敏等并发症的发生[29]。Schubert等[29]提供了一种低成本、随需应变的3D电极模块,此模块可以根据自身需要短时间与皮肤接触,避免对皮肤造成伤害,实验测定该模块具有良好的机械性能和电气性能。对于远程操作系统,Isaac-Lowry等[30]采用一种新颖的运动学设计和3D打印技术证明了单端口腹腔镜遥控手术机器人系统的可行性和潜力,这种远程手术机器人系统提高了对外科医生操作要求高的单端口手术能力。


  综上所述,3D打印技术迅猛发展并应用于临床医学的各个领域中,在医学诊断、医学治疗和医学康复等方面均有较好的研究进展。3D打印技术在3D生物打印和虚拟化医疗等领域均有新的突破,这些研究虽然还没有应用于人体上,但是有一部分已经在动物实验中取得成功。3D打印技术的可行性还需要大量的实验和临床数据来证明,随着未来更好的医学打印材料的发现,3D打印技术不仅可以用于制造出有生理活性的人体组织器官,使受损组织得以修复再生;还能打印出微观水平的蛋白质载体、通道蛋白等结构,为解决人体生化物质代谢障碍等问题提供新的思路。

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