摘要：3D3D打印的意义技术在医学领域的应用主要是通过采集需要3D打印的意义物品的数据，利用三维成像建立一个数字模型模型通过3D打印的意义机逐层把物品堆加成型，洏后为医学研究和治疗所用；它的凝合方式一般有三种一种为天然颗粒材料的自然粘合，一种是利用激光还有一种是添加融合剂；目湔，3D3D打印的意义技术已在多种学科中应用而它在医学中的应用主要是骨性结构的替换、3D的建模以及生物3D打印的意义。

杨华瑜廖文俊，桑新亭毛一雷

【资金项目】本研究由863计划()支持

【作者单位】北京协和医院肝脏外科，北京100730

【关键词】3D3D打印的意义技术；医学模型；组织修复；3D3D打印的意义肝脏；人工器官

近年来3D3D打印的意义成为全球瞩目的一项新兴技术。目前

已经广泛应用于制造业航天工业等领域，随着3D3D打印的意义材

料和控制技术的发展研究人员不再满足这种先进技术只局

限在原型制造和模具生产等方面，开始向更广阔的领域拓

展现正逐渐用于┅些产品的直接制造。特别是其在医学领

域的实践应用和发展前景引起了全球的广泛关注本文将

对3D3D打印的意义技术在肝胆外科领域中的應用及前景进行综述。

1 3D3D打印的意义技术的概念和原理

facturing)”它是一种新兴的快速成型技术。与传统的减材

制造工艺不同3D3D打印的意义是以数據设计文件为基础，将材料逐

层沉积或黏合以构造成三维物体的技术3D3D打印的意义技术的内

容涵盖了产品生命周期前端的“快速原型”(Rapid Prototy．

忣其他所有相关的3D打印的意义工艺、技术、设备类别和应用?。常

用的3D3D打印的意义技术包括光固化立体印刷(SLA)熔融沉积制

3D3D打印的意义被誉為“第三次工业革命”的代表性技术，而3D

生物3D打印的意义是3D3D打印的意义技术最前沿和最富生命力的研究领域

3D生物3D打印的意义可定义为以特制生物3D打印的意义机为主要手段，以加

工活性材料包括细胞、生长因子、生物材料等为主要内容以

重建人体组织和器官为主要目标的跨学科和领域的新型再

生医学工程技术。3D3D打印的意义技术相比于其它组织工程支架快

速成型技术具有不可比拟的优点：①构建复杂组织或器官的

精度高能真正实现细胞层面的组装和构建。作为构成人体

的基本单元细胞尺寸在几微米到几十微米的范围内，调控

细胞分布的汾辨率需在101xm以下而采用传统组织工程技

术难以实现如此小的分辨率。②可实现细胞与材料有机组

合3D3D打印的意义能将组织器官中的不同細胞和组分进行一体化

成型。③可以根据缺损组织或器官的实际情况进行即时、快

速、可控的计算机三维模型再现并通过临床影像采集數据

进行三维重建。再使用3D3D打印的意义机制造出完全符合患者需

要的产品④个性化制造复杂组织器官，成本可控就传统

制造而言，产品结构越复杂成本越高，生产数量越少制造

成本越高。而在3D3D打印的意义中不存在这种问题完全个性化的

制造可以按需生产，3D打印的意义复杂结构不增加额外成本

2 3D3D打印的意义技术在医学中的应用

随着3D3D打印的意义技术的发展和成熟，这一新兴的科技成果

开始进入医学领域在医学模型制造、医疗器材制造、组织功

能产品制造、活组织和器官制造等领域得到了广泛应用。

2．1 3D3D打印的意义技术制造医学模型

医學模型在基础医学和临床医学教学中有着十分重要

的作用以往制造医学模型耗时长，工艺复杂易损坏，成本

高昂采用3D3D打印的意义技術，可以将医学影像数据迅速形成实

体结构借助这些模型，能将器官或组织内部构造的细节逼

真地显示出来将使医学知识变得更为直觀明了。复杂的外

科手术通常需要进行详尽的术前评估和演练，用以确保手

术的成功通过获取CT或MRI等医学影像数据，通过3D

3D打印的意义的計算机软件系统进行三维重建或借助3D3D打印的意义机打

印出该患者的手术部位复制模型，在此基础上医生根据患者

的实际情况进行术前手術方案设计、操作演练、术后治疗方

案制订以及预后评估等这种技术已在整型外科心】、口腔颌

面外科口1、器官移植H o等领域中得到了很恏的应用。

2．2 3D3D打印的意义技术制造医疗器材

假体的缺乏是一个全球性的问题部分原因是高额的制

造成本与繁琐的制造过程。3D3D打印的意义技术正快速应用于假体

制造领域除了使用具有成本效益的材料外，这种技术可以

快速成型显著降低了制作时间和成本，这为假体的发展提

供了一个有效的解决方案如果康复医学界广泛应用这项

新技术，就可以在全球范围内帮助缓解假体的需求缺I=1[5]

2．3 3D3D打印的意义技术制慥组织功能修复产品

利用3D3D打印的意义技术制作的医疗植入物能够更好地融人

人体，改善对患者的治疗效果Ciocca等人通过激光烧结金

属钛粉末淛作多孔结构的个性化骨板，进行下颌骨缺损的腓

骨瓣游离移植术该方法的优点在于避免术中反复修改调整

钛板，减少了手术后钛板的松动、断裂最大程度地恢复了下

颌骨外形，同时减少了手术时间及术后并发症№]

颜永年等采用清华大学自主研发的常温多头喷射成型

技术，以纳米晶羟基磷灰石／胶原复合材料、复合骨生长因子

BMP作为成型原料制造出非均质、多孔结构的细胞载体框

架结构。植人人体后在体液和BMP的共同作用下，依靠细

胞载体框架结构诱导新骨生成，并参与代谢原有框架在新

骨生长后，逐步降解H。

国内3D3D打印的意义醫疗临床应用多集中于此已有新闻报道

的包括用于足踝手术，病治疗肩胛骨置换，修复颌骨缺

损口腔科，髋关节脱位全髋关节置换術脊椎植入，颅骨重

建等等该技术已经为人类医学发展提供了强大的助力。

2．4 3D生物3D打印的意义活体组织

从2000年左右开始至今已有超过30種不同的人体或

者动物成熟分化细胞实现成功3D打印的意义，这些细胞的来源较为广

泛涉及包括神经、肝脏、皮肤、心肌肉、骨、肾脏、胰腺、视网

膜等主要的组织和器官。2007年美国Wake Forest再生医

学中心首次实现干细胞3D打印的意义用生物3D喷墨3D打印的意义机3D打印的意义人

体羊水干细胞和生物胶，并成功分化诱导生成功能性的骨组

织3D打印的意义骨组织具有突出骨密度和强度，大大高于对照动物

的骨组织与所3D打印的意义人源干细胞有关哺1。近年来血管打

印‘91，皮肤3D打印的意义‘10]脊柱软骨3D打印的意义‘11]，和肝组织3D打印的意义‘121均

有所突破让整个醫疗界兴奋不已。

3 3D3D打印的意义技术在肝胆外科领域中的应用

随着3D3D打印的意义技术的发展在肝胆外科领域也有着越来

越多的应用。目前已囿文献或新闻报道的应用主要分为两

类一种是传统3D3D打印的意义技术采用树脂类物质制造肝脏结构

模型，用于教学或手术方案制定；另外┅种则是3D生物打

印技术采用肝细胞3D打印的意义具备肝脏功能的肝组织用于肝脏疾

3．1 3D3D打印的意义肝脏模型

肝切除手术是目前唯一能够治愈嘚治疗

方法，手术过程中对于肝脏中血管、胆管和肿瘤的精确定位

是十分重要的常规方式是医生在术前通过CT或MRI来

判断肿瘤的位置，与重偠血管的空间关系在想象中拟定手

术入路及具体方案。但是对于一些复杂病例单纯的2D图

像不能在整个手术期间提供最真实的视觉，部汾重要血管的

空间位置不够明确在手术实施中需要承担一定风险。而

3D3D打印的意义技术在准确定位病灶与重要脉管结构的关系上发挥

了重偠作用不但可以快速制造出与术中大小位置完全一致

的透明化3D模型，也使外科医生跳出“凭空想象”的窘境

在术前即可从多维度真实預见术中情形，明确重要管道的走

行制定手术路径和程序并预演手术。在3D3D打印的意义技术的辅

助下外科医生可借助肝脏及解剖机构的3D圖形，精确定

位病灶并确定手术路径实现完整切除病灶和避免重要解剖

结构损伤的多目标优化。

Igami等人¨纠采用肝脏3D3D打印的意义辅助肝脏切除术对术

中超声未能发现的肝脏微小直肠多发转移瘤进行了精准肝

脏切除术，并获得了阴性切缘文章中指出，不同医生对于

2D显示器Φ的肝脏三维结构重建图像中血管与肿瘤的空间

关系有不同的理解但是对于3D3D打印的意义出的肝脏结构模型中

空间关系的认识是完全一致嘚。在手术操作过程中术中B

超未能发现部分转移的微小肿瘤，但该作者使用3D肝脏结

构模型进行肝脏预切除线划定并反复研究脉管空间關系，

最终成功进行了肝脏肿瘤的根治性切除术Souzaki报道了

一名患有PRETEXT IV期肝母细胞瘤的3岁女童，在接受新

辅助化疗后肿瘤有所减小但是依然位于肝门部位，难以切

除后采用3D3D打印的意义技术制作术前肝脏模型，通过对模型的

反复研究成功接受肝左叶切除术¨“。另有多篇文献对3D

3D打印的意义技术辅助肝切除手术进行了报道¨￡”o，作者们一致认

为术前3D3D打印的意义物理模型有助于与患者沟通，帮助患者理解

其肝脏腫瘤疾病；也有助于年青医师学习掌握肝脏肿瘤疾

病并可能缩短他们的成长学习曲线，也有助于肝脏肿瘤切

除手术并可能改善预后。

國内清华长庚医院肝胆外科也开展了基于3D3D打印的意义技

术指导下的精准肝切除手术已有数十名患者受益。在3D

3D打印的意义技术辅助下术湔即可从多维度预见术中解剖，制定手

术路径和程序并预演手术精确定位病灶并确定正确手术路

径，实现完整切除病灶和避免重要解剖結构损伤的多目标优

化这种方式可以明确减少术中出血，减少术后并发症的发

3D3D打印的意义肝脏模型除了在肝切除手术中得以应用外在

肝移植过程中也发挥了重要作用。Zein等人H1对肝脏移植

术的3个供体肝脏和3个受体肝脏进行半透明3D3D打印的意义并

用于术前规划、术中指导实时掱术。作者认为将计算机3D

图像模型转化为3D物理模型还原了肝脏实际空间深度感

真实反应了肝脏脉管精确空间位置关系，可减少手术潜在嘚

并发症而改善预后。同时可为肝脏手术关键步骤提供非常

直观的导航帮助特定区域(难以解剖定位)的定位。另外

在肝脏游离和肝门解剖过程中，同步调整3D3D打印的意义模型同患

者肝脏的解剖位置可对关键解剖部位进行快速识别和定

位。3D3D打印的意义模型提供这些空间构型的信息可减少手术时问

和肝移植手术中的冷缺血时间

孔祥雪等人Ⅲ1利用3D3D打印的意义技术结合传统肝脏铸型标

本制作技术，将设计好的模型通过快速成型机进行模型的三

维3D打印的意义并进行组装形成管道铸模模具。将融化的透明果冻

蜡注入铸模模具内待蜡凝固后，除詓肝实质壳模具获得新

型肝脏管道模型。该研究成功地制作了内部管道与肝实质

外形兼备的新型肝脏管道模型模型清晰地显示肝内管噵

的分布情况，位置关系分支关系，管道直径等快速成型管

道的最小直径约为1．2 mm。由透明果冻蜡制作的肝实质外

形良好清晰透明，質地与肝实质相近3D3D打印的意义技术制造的

新型肝脏管道模型表现力丰富，容易保存它拓展了铸型标

本在医学教育，科研临床上的应鼡。

3．2 3D生物3D打印的意义肝组织

器官短缺已经成为一个全球性的难题长久以来，医疗

行业投入了大量的资源进行研究以期解决移植器官不足的

难题3D生物3D打印的意义技术的发展为活体组织3D打印的意义及器官3D打印的意义

Ott等人¨副研究发现，经脱细胞处理的器官可以作为支

架。茬保留鼠心脏原有的原生血管网络的前提下对其成功

地进行了脱细胞处理，这样处理过的心脏植入新的心肌细胞

和鼠的动脉内皮细胞进荇培养处理经过培养新的心脏的

心肌细胞产生了收缩，并且心脏开始了搏动同样，脱细胞

支架也被用于研究开发可移植的肝脏和肺脏并使用尚未成

熟的肝细胞和肺泡上皮细胞在支架上种植，获得了相应的器

官¨9‘20]由此设想，通过3D技术3D打印的意义生物支架并在支架

仩种植细胞，可能会实现体外培养发育形成器官

有媒体报道，美国一家公司利用装有细胞的3D3D打印的意义机

3D打印的意义出迷你肝脏深0．5毫米，宽4毫米拥有一些与真实肝

脏一样的功能，包括产生白蛋白和细胞色素P4503D迷你

多细胞肝脏可以存活5天或者更长时间，该模型可用于藥物

代谢研究旧“但是该项工作没有文献报道，也没有具体数

据的展示所以究竟结果如何不得而知。目前看国际上尚

没有一篇有关荿功3D3D打印的意义的有功能的人体肝脏的报道，各

方面的努力正在进行中

目前，国内3D生物3D打印的意义技术研究也进行的如火如荼

在国家863計划支持下，多家单位联合进行3D生物3D打印的意义的

研究清华大学机械系和北京协和医院肝脏外科联合攻关，

在已有的3D打印的意义小鼠肝髒组织基础上利用细胞直接受控三维

组装技术将人肝细胞3D打印的意义成长宽各l cm，厚0．5 cm的肝脏

组织结构该结构体可以长期培养，存活超28忝随时间延

长，保持了一定的ALB分泌量和CYP酶活性并已分化出明

显的胆管树结构。这些特性已远超目前现有的体外2D培

养的原代肝细胞2～3天嘚肝功能活性在药物刺激下，结

构体中细胞色素P450的酶活性、蛋白表达量和mRNA表达

量均明显增高谷胱甘肽S转移酶(GST)和芳香烃受体

(AhR)的表达量也楿应增高，说明该模型完全模拟了人肝脏

在体内的解毒功能可以用于药物代谢和机制研

究。此项研究结果正在发表过程中已迈出了3D3D打茚的意义活体

3D3D打印的意义技术在肝胆外科领域中的应用有着广泛且光明

的前景，但是目前还伴随有3D打印的意义效率较低费用偏高的问题。

随着技术的不断发展这些问题得以解决，在临床中的应用

会更深入3D生物3D打印的意义活体肝组织也会在肝脏研究中逐渐

发挥更大的作鼡，为医学的发展提供强大的助力

7颜永年，崔福斋张人估，等．人工骨的3D3D打印的意义技术制造．材料

17孔祥雪聂兰英，肖菊姣等．噺型肝脏管道模型的数字化制造

研究．中国临床解剖学杂志杂志．2014；32(3)：256—258．