【深度好文】医学3D打印中的关键技术

五、手术导板的设计与打印技术

手术的精准化是21 世纪临床医学发展的又一方向，3D打印手术导板为其提供了重要的技术支撑。目前存在如下3种类型：

1. 带有很强随机性的手术导板。图7 所示为上海市第九人民医院的案例，为实现手术规划中制定的颌面整形规划( 图7a)，医生设计了完整的截骨，定位手术导板( 图7b)，精准地实现了规划的整形目标( 图7c)。

图7 在手术导板技术支撑下的整形手术成功案例

这类导板完全根据医生的临床需求设计制作，有很强的随机性和不定型性，应该由医院自身建立的3D打印中心快捷完成。

2. 带有定型结构的手术导板。图8a所示是我们用于脊柱椎弓根钉植入的手术导板，图8b 是用于种植牙植入的手术导板。这类导板它有自己完整设计技术，结构比较定型，因此通常由专业化的3D打印产业提供。

图8 结构定型的手术导板

3. 与骨科器械紧密配套的手术导板。膝关节置换手术导板是典型案例，如图9 所示。它要求建立患者下肢骨模型，根据模型确定力线，并根据力线确定膝关节产品植入时的基准截骨面。目前它主要用在下肢形态不正常的患者，各人工关节厂商都自身推出这项服务，很多是和Materialise 合作，这种模式值得国内从事医学3D打印服务产业考虑。

图9 人工膝关节置换手术导板

手术导板涉及的关键技术有：

1. 专业设计软件。如用于种植规划与导板设计的著名软件SimPlant。它在生成牙列模型的基础上，提供医生确定种植体个数、排列方式、在牙槽骨中的方位与深度等规划工具，并根据规划自动生成导板。它既提供给医生使用，更是专业制造商快速完成订单的重要手段。

2. 导板材料。材料生物相容性是必须严加规定的指标，尽管不长期植入人体，但它与人体组织的创口和血液相接触，严禁有害打印材料的使用。

3. 灭菌方式。根据我们的研究，高温蒸汽灭菌会引起导板的变形。环氧乙烷灭菌需要一段时间去除残留物。低温等离子灭菌是最佳选择。

康复医学是3D 打印技术推广应用的新天地。康复支具的多样性和个体化需求是3D 打印技术的强项。图10 是如今网上可以看到的琳琅满目的成果。

图10 3D打印康复用矫形器

图11a 是我们通过前臂扫描数据制作的骨折固定支具，它有很好的透气性、尺寸紧凑美观、无疑是传统石膏固定方法的未来取代。图11b 是我们和国内两家医院共同研发的融上述支具和传统骨折外固定支具于一体的新型骨折支具，它克服了传统金属外固定支架的臃肿结构，更重要的是使用该支具可以实现精准的骨折复位。

图11 3D打印个体化骨折支具

图12 是我们对一种脑卒中足下垂患者康复支具使用效果的运动测量和生物力学分析案例，这种支具采用个体化设计和3D打印将得到优化的效果。

图12 康复支具使用与分析案例

目前3D打印康复支具存在问题有：

1. 对临床需求的反应速度。与手术模型和导板相比，康复支具对打印制作的时间要求通常较为宽裕，但在有些场合反应速度输于传统方法。

2. 支具的强度。和现在传统支具材料相比，3D打印支具通常需要采用增强尼龙材料，这导致其价格比传统支具高。

3. 矫形器很难调整修改。在实际临床应用中，很多矫形器特别是矫正功能的矫形器，在安装到人体后往往需要根据情况与需要对矫形进行局部调整，传统的热塑板材矫形器可以实现再加热塑形，而3D打印材料由于材料不具可塑性无法实现调整。

4. 存在竞争技术。目前市场上推出的低温热成型标准板材可在现场裁剪，在低温下软化，通过贴服于患者的体表快速成型，具有极好的“ 量体裁衣，度身订做”效果，将会瓜分掉一部分3D打印的支具市场。

医学3D打印目前在我国炒作甚热，一系列的问题须要我们冷静思考：

1. 在宣传中必须讲清可能做和目前可以做的内容。细胞打印是很重要的基础研究，对医学未来具有重要作用，但还不是目前临床可应用的技术，它应集中在一些从事基础医学研究的单位进行，不宜大范围鼓吹。模型和导板是最贴近临床的可用技术，应努力推广。

2. 现在基于FDM技术的普通桌面机在医院中广为流传，是一种令人担忧的现象。应努力让医学界和社会认清，医学3D打印是一项高科技的集成技术。

3. 要冷静透过PPT 的成果思考这项技术的GDP效益。如今在各种会议的PPT上可以看到很多应用3D打印完成的精彩手术案例，在手机上也不断看到各种所谓首例的报道，从事3D打印医学应用的产业如雨后春笋，这应该是一个积极的态势。但纵观各种展会和论坛，同质化竞争十分严重。模型和导板能支撑一个大规模的产业吗？

4. 医院不能正规收费是目前医学3D打印技术推广应用的瓶颈，一时不易解决。

5. 高性能打印机居高不下的打印成本和患者的承受力存在矛盾。