寧夏科普專家優(yōu)秀講座報告文集：3D 打印技術(shù)在醫(yī)學中的應用（上）

編輯：康 艷 審核：楊鵬斌

（主講人：曲愛麗，副教授，工學博士，寧夏大學機械工程學院。從事生物醫(yī)學工程領域的研究工作。近年來參與2項國家自然科學基金項目，參加973 項目、上海市科委項目、寧夏區(qū)自然基金項目等共計6項，發(fā)表科研論文20多篇，參編專著4部，獲批國家發(fā)明專利2項，獲寧夏回族自治區(qū)科技進步三等獎（排名 1）一項，二等獎（排名 5）一項。）

同學們，大家好。我叫曲愛麗，是寧夏大學機械工程學院的老師。今天我的題目是3D打印在醫(yī)學中的應用。這個題目來自于我的研究課題，也是現(xiàn)在比較熱門的一個方向。

那么3D打印為什么可以用在醫(yī)學領域呢？現(xiàn)在我用這張圖給大家展示一下：右側(cè)的這張圖是人體的骨組織，其中骨盆和下肢骨及足骨是支撐人體的重要組織，骨上附著了肌肉、韌帶、血管、神經(jīng)等組織。左邊的這張圖是什么？是假體，又可以叫假肢，是目前3D打印中比較多的產(chǎn)品之一。

屏幕上展示的是一名中醫(yī)在給病人把脈，現(xiàn)在的中醫(yī)除了望聞問切以外，還要借助一些現(xiàn)代化的手段幫助診斷或病案管理，比如通過病案管理系統(tǒng)把病人的信息、問診情況、用藥以及恢復情況全部都記錄下來，方便后續(xù)的治療。下面的這張圖很多同學無論是從電視、電影，電視劇，還是從現(xiàn)實生活中都能夠看到的醫(yī)生對一名住院患者的查房實況，很多醫(yī)院采用醫(yī)療團隊的方式進行病程全程管理及跟蹤。醫(yī)生手邊不但要要紙質(zhì)病例，而且需要iPad 等電子設備，所以我們知道現(xiàn)代的醫(yī)學已進入信息化進程。那對于外科手術(shù)而言，不但有主刀醫(yī)生，旁邊有助手進行外科手術(shù)。外科手術(shù)有沒有信息化或電子化的接入呢？同學們看一下這臺機器，這是一臺達芬奇手術(shù)機器人，這臺機器人的操作手可以剝掉葡萄皮。以達芬奇手術(shù)機器人為標桿，外科手術(shù)進入了智能化和精準化的領域。達芬奇手術(shù)機器人現(xiàn)在也被引入了寧夏醫(yī)科大學總醫(yī)院，還在相關的探索階段。

上面講的內(nèi)容和3D打印有什么關系呢？我們先來關注醫(yī)學中的3D打印到底打什么？打出來有什么作用？給大家展示一個案例， 顱骨破損后需要手術(shù)修補，缺損的部分需要用金屬打印機打印鈦網(wǎng)，這就是填充物或者內(nèi)植入物。當然日常我們見到的大多數(shù)3D打印都是白色的產(chǎn)品，圖片中的白色的骨頭就是3D打印的，材料是光敏樹脂或塑料。也許同學好奇：打印金屬網(wǎng)或者骨組織，在人體或者醫(yī)學到底怎么用呢？

我給大家看一位臨床的外傷患者，他的顱骨缺失了一部分，要知道腦組織是一個很軟的組織，而頭骨起到保證顱內(nèi)壓、保護腦組織的作用。出現(xiàn)缺損后，患者外觀出現(xiàn)面容受損，對很多病人來說，這會增加患者的心理負擔。出現(xiàn) 3D 打印技術(shù)后以后，我們用鈦合金這 種植入人體后毒副作用最小的金屬比照著對側(cè)健康頭顱對應部位的 形狀打印缺損的部分，再通過手術(shù)把這塊打印植入物植入缺損部位， 修復患者的組織缺損，恢復面容提高患者的生存質(zhì)量。這樣的技術(shù)不但能夠恢復患者的腦功能，而且還能夠恢復他的面部、頭部解剖形態(tài)， 讓患者能夠陽光的、正常的生活在我們的社會主義的大家庭下。所以就是3D打印我們實際的一個產(chǎn)品和案例。

上面的圖是給大家展示3D打印的功用，下面我給同學們講解3D打印的組織種類。除了前面的顱骨，還可打印下頜骨，下頜骨位于臉部下半部分。我們再來觀察打印出來骨頭的形狀，顱骨缺損部分形狀不規(guī)則，同時每個地方的薄厚以及下頜骨各部位的形狀與厚度完全不一樣?，F(xiàn)在給大家展示的3D打印的下頜骨和顱骨是鏤空的，是一個支架，為什么要打印成這樣的形狀？后面會給大家講。我們還可以打印腰椎和骶骨以及神經(jīng)，圖中的白色部分是骨，紅色的就是神經(jīng)，我們知道如果腰椎受傷可能導致下肢癱瘓，這是因為骨頭骨折之后會損傷到神經(jīng)血管，那么患者行走、運動的功能就會丟失，為了修復我們也需要3D打印。還有一種血管，這是我博士課題中做實驗用的一節(jié)血管，這是一節(jié)用橡膠材料打印的類人工血管，它的性質(zhì)和人體血管的材料比如硬度、彈性模量都比較類似。做這樣的一個血管的目的是什么？是因為在研究中，我們發(fā)現(xiàn)骨盆受到?jīng)_擊后，表面看起來骨頭沒有傷，但是盆腔會出血。這時病人會出現(xiàn)血壓下降，體溫降低， 意識喪失，危及生命，所以我們需要快速的、在沒有介入檢查之前判斷是不是血管破損。所以我們需要看沖擊下血管的哪一部分可能會容易損傷。這段血管的上面這一段是腹主動脈，下邊兩段粗一點的是髂總動脈，在血管中充滿血液，再放在一個骨盆內(nèi)沖擊，觀測血管的哪個部分比較容易斷裂，多大的壓力下可能會發(fā)生斷裂？如果不打印血管，我們就無法觀測血管的破損的，所以這個打印的血管是幫助醫(yī)生判斷有沒有可能出血情況提供依據(jù)的。還有一種血管支架。如果人們不健康飲食，也不愛運動，生活習慣不太好，可能會導致一些血管內(nèi)的斑塊形成。血液是在血管內(nèi)連續(xù)流動的流體，這些斑塊附著在血管壁上，讓血管壁內(nèi)部的流通直徑變小，血液如果在某一段內(nèi)不流通，營養(yǎng)物質(zhì)沒有辦法交換，這一段組織會壞死的。所以為了防止出現(xiàn)這種堵塞，我們需要在血管的內(nèi)壁發(fā)生堵塞的地方放一個支架，就是心臟血管的支架，也是3D打印出來的。支架的類型有很多種，如果大家有興趣，可以上網(wǎng)搜索心血管的支架，有很多種類型。還有一種組織是人工心臟，當患者因為心臟、肺或腎等臟器發(fā)生病變，需要等待器官移植，如果能夠?qū)崿F(xiàn)打印的心臟或類似組織的3D打印，我們就可以很容易實現(xiàn)生命的救治。但是到目前為止，還沒有辦法打印出來能夠植入人體的心臟等組織。所以心臟等軟組織的打印依然是我們的努力方向。還有一種組織叫軟骨，它內(nèi)部含有大量的膠原蛋白，當相鄰的骨擠壓軟骨時，軟骨內(nèi)的潤滑液流入關節(jié)面之間，在相對運動的過程中兩骨頭不直接接觸就不痛。如果兩塊骨頭接觸在一起就會痛。這時我們就需要換軟骨，軟骨我們也可以打印打的。

除了人體組織可以打印外，下面的鞋墊也可以打印。鞋墊對于很 多病人來說具有重要的意義。很多賽事比如足球比賽，在比賽結(jié)束以 后會把運動員的球鞋送給球迷，很多球員有一個習慣，他們會把鞋墊 抽出來，這樣的鞋墊一般來講就是 3D 打印的。鞋墊打印剛開始是用于糖尿病足，因為糖尿病人后期末端循環(huán)不好，腳部會出現(xiàn)潰爛，這 時候病人如果穿普通鞋，會出現(xiàn)患處擠壓，會極大的限制患者的運動， 影響生存質(zhì)量。后來 3D 打印技術(shù)出現(xiàn)了，通過患者在測力平臺上行走獲得足底壓力分布信息，再根據(jù)這個力的分布圖，打印出適合患者 足底受力的、高低、硬度不同的鞋墊，我們也把這種叫做個性化鞋墊?，F(xiàn)在的這種鞋墊不同的運動員的不同運動模式，對腳產(chǎn)生的壓力不同，所以更需要個性化打印的鞋墊。我們熟知的李寧運動鞋品牌就有一個很大專門采集運動員的運動學數(shù)據(jù)的研究所，根據(jù)運動員的典型動作采集力的分布，然后通過科學的理論計算與分析，設計出符合人體運動特征的鞋底。

上面講的采集足底壓力并根據(jù)分布規(guī)律設計鞋墊的方法稱為生物力學評價，是在3D打印產(chǎn)品或植入物時要采用的一個重要的介質(zhì)。比如現(xiàn)在大家看到的這張x 光片，一側(cè)是正常的股骨頭，但是右側(cè)的股骨頭壞了，這樣的損傷對病人來說會帶來難以忍受的疼痛，怎么解決這種疼痛呢？可以通過手術(shù)更換人工關節(jié)。比如髖關節(jié)置換手術(shù)就是更換損壞的股骨，手術(shù)時將股骨頭壞死的部分切除，把金屬的假體裝在股骨干中，這樣患者就恢復了站立和行走的功能。如果是上面的這個像小杯子一樣的這個髖臼壞了呢？當然，采用手術(shù)的方法置換髖臼杯就可以了，髖臼杯和球形的股骨頭形成一個鉸鏈狀的關節(jié)，就是髖關節(jié)。髖關節(jié)置換手術(shù)讓患讓病患快速恢復正常的生理生理活動。目前髖、膝關節(jié)置換手術(shù)已經(jīng)非常成熟。

2019 年年末開始全世界發(fā)生的新冠疫情讓大家體會到了口罩的重要性。但是戴眼鏡的同志會經(jīng)常出現(xiàn)哈氣模糊視線的問題，因此口罩內(nèi)部放置支撐網(wǎng)或支撐架，這些網(wǎng)架就是3D 打印的，屏幕上給大家展示的是一個呼吸面罩，與面部貼合的這一部分是用比較軟的材料打印的。這樣制作的面罩能有效地將含有病毒的空氣凝膠隔離在外。

3D打印還可以打印假肢。比如替代腿的假肢，或者手部的假肢。手上的五個指頭由束神經(jīng)傳導信號，假肢的接受腔與手臂連接，通過假肢中設置的傳感器控制、檢測信號，就可恢復手部功能。

據(jù)報道，在2020年的時候曾經(jīng)有一只丹頂鶴因為跟其他鳥打架， 將上喙折斷，經(jīng)過科研人員用金屬打印了一個替代的上喙，之后丹頂鶴不但能恢復進食，而且據(jù)說打架的時候他變得更強大了。同樣，類似的新聞也有這樣的一只白頭翁，它的上喙斷了，醫(yī)護人員就給它打印了一個3D的金屬替代物，接好之后它馬上就恢復了很霸氣的樣子。所以對比術(shù)前術(shù)后照片，獲得了十大最酷3D打印產(chǎn)品稱號。因為這些的人這些3D 打印產(chǎn)品是能夠直接應用，而且應用效果非常好。