本文登于《3D打印商情》报第五期

数字化3D打印是将传统医疗手段与数字化设计、3D打印、信息计算、生物工程、新材料等技术有机结合而形成的新兴高科技产业，是和民生息息相关，是改变人们生活、就医习惯、革新医疗卫生传统商业模式的重大产业领域。随着技术的进步，3D打印在医疗领域的应用越来越广。

一、3D打印在医疗上的应用

医疗上的应用从简单到复杂，目前主要应用在以下几个方面：

1、3D打印模型

目前，通常医生在手术前会根据病人的超声、CT、核磁共等片子来了解手术部位的结构，面对这些零散的平面的数据，要求医生有足够丰富的经验和想象把平面的数据立体化，以便于医生在做手术的时候更加容易找到病状的部位。现在有了3D打印技术，就可以根据这些平面数据进行三维重构，在手术前，把病人需要手术的部位事先打印出一个立体三维模型，医生在手术前就能很直观的看到手术部位的结构，尤其针对一些复杂部位的手术，避免手术风险。应用3D打印技术就会大大提高手术的成功率。如图1。 所示，医生在手术前根据模型制定手术方案。

2、3D打印模板

手术模型是医生在手术中辅助手术的重要工具，尤其是异型或个性化的模板，可极大提高医生进行复杂手术的成功率。比如，医生在进行穿刺手术时，需要在病灶部位将针穿入体内，如何保证穿刺孔的位置、方向和深度？这往往需要依靠医生的经验完成。如果事先根据病灶设计并打印的导板孔贴在病灶处，穿刺针头沿着导板孔，很容易保证穿刺的位置、方向和深度。

此外，为了保证手术顺利进行，在手术过程中病人是不能动的，目前，医生唯一的办法就是借助麻醉剂，让病人昏睡过去。为了防止病人在手术半途中清醒过来，麻醉剂的用量就非常关键了，麻醉剂如果过量的话是很危险，这样的医疗事故屡见报端。但如果在医生手术的过程中也有一个像机械加工那样的夹具的话，这个问题就能很容易地解决，难题就在于每一个病人都是不一样的，手术的部位也不同，如果要针对每一个病人来做一个夹具就太困难了，但是有了3D打印，这个问题也能迎刃而解。

再如种植牙齿，目前种植一颗牙需要一两万块，种植体本身就像一个螺丝一样，怎么样才能把假牙精确地种植在牙床上，在没有用导板之前就完全要靠医生的经验，所以有的医生高明收费也相对要高，这就是为什么种植一颗小小的牙需要花费那么高的原因，一颗假牙的重量就二三十克，价钱比黄金还要贵，实际上它的材料就是原始的不锈钢、钴铬合金或钛合金等。但如果有了导板的话（如图2所示），种植牙的难度就会大大降低了，普通的医生也能做到，这样就能降低假牙种植的花费。

3、3D打印植入体

在不久的将来。3D打印在医疗当中另外一项应用将会普及，即植入到体内的植入物。由于国内对人体植入物的要求比较高，国家药品管理局设置了一定的门槛，植入体需要三类医疗许可证方可应用。而3D打印植入物是针对个人来定制的，没有了固定的规格和标准，因此，这个许可证颁发起来就比较困难。目前这个应用仅仅在于临床试验阶段，在这方面已经有了很多成功地案例。由于还是没有一个3D打印的产品获得了医疗许可证，这项技术的大规模推广还有困难。

4、组织工程

组织工程是生物医疗3D打印的一个前沿方向。目前，器官移植的供体严重缺乏，供体的来源主要依靠捐赠，每年需要的器官移植几十万例，而真正捐赠的却很少很少，如果3D打印组织器官在器官组织工程中得到进一步的发展，制造出真正可用的器官，就能解决这一难题。

图3为美国康奈尔大学利用生物高分子材料3D打印出能正常工作的心脏瓣膜。

二、3D打印在肿瘤治疗上的应用

据统计我国肿瘤患者大概是600万人左右，且每年以5%的速度在递增，即每年新增的肿瘤患者约为30万人。由于肿瘤本身的死亡率非常高，每年死于肿瘤的患者大概也是几十万人，因此总体上肿瘤患者的保有量在600万人。

目前，肿瘤治疗的方法通常有手术、放疗、化疗、生物治疗、中医，或者是使用各种方法结合起来进行治疗，然而，这些方法都不尽如人意。一般来说通过治疗患者生存超过五年以上就算是治疗成功了，大多数患者查出肿瘤以后往往都是癌症晚期，生存时间不超过两年，死亡率特别高。事实上，科学研究表明有很多方法可以杀死癌细胞，比如用稍微高一点的温度，或用一些放射性的方法，抑或是一些化学药物都可以杀死癌细胞。其中一个最大的问题是怎么样才能在把癌细胞杀死的同时而又不影响人体其他正常的组织。现在能有效杀死癌细胞的常用方法是放疗、化疗，但是用放疗、化疗的方法杀死癌细胞的同时，人体正常的组织细胞也被杀得差不多了，副作用太大。是否有一种方法或找到一种方法只杀癌细胞而不伤害正常的的组织呢？这种想法很早就有人提出来了，就是把杀死癌细胞的放射性的粒子植入到肿瘤体里面去，也就是通常所说的“放射性粒子植入治疗技术”， 这个放射性粒子叫碘125，碘125的直径为0.8毫米，长度一般为4.5毫米，这样一颗小小的碘125能够杀死周围几个立方厘米的癌细胞。这种方法虽然有很多优点，但实际应用的不多，或者说成功地案例不多，其中最大的难题就是怎么把这这么多的小小放射性粒子均匀地植入到整个肿瘤体内。美国人通常用的方法是超声波的引导方法或者X射线的引导方法，整套系统非常地复杂，不易操作，而且非常昂贵，极大地阻碍了这项技术的推广。国内很少用，或者说这个方法还不是一种主流的治疗肿瘤的技术。

3D打印技术的出现，这种治疗肿瘤的方法有望得以普及。

首先，要根据肿瘤的形状、大小来设计、计算需要植入多少颗放射粒子，才能把癌细胞完全杀死。因此，第一步要获得肿瘤的形状和大小等信息。获得肿瘤形状的方法现在有很多种，像CT扫描、核磁共振等，用这些方法获得肿瘤断层的数据后，对断层扫描数据进行三维重构。在计算机中，根据肿瘤的三维模型，可以计算出所需要的粒子数量并规划出粒子的排布（如图4所示）。第二步是把粒子植入到肿瘤体内。现在通常的方法是微创穿刺手术，即把粒子放置在针头，用一根针刺入肿瘤内，根据设计好的方向和部位下针，待到粒子达到设定的位置后，把粒子放下，再植下一个粒子。这样一一将事先设计好的粒子放置在所设计的位置。整个过程可以先在电脑里面设计模拟出来，用多少根针，从什么方向，把粒子一一地放进去，见图5。第三步，就要用到3D打印了。#p#分页标题#e#

图4 根据三维肿瘤的模型设计、计算粒子的数量与分布。

上例中根据肿瘤的大小和形状，计算出需要粒子数为46颗。根据粒子分布的位置，设计出穿刺导板的方向和位置，如图5。

图5 颌面肿瘤放射粒子植入导板设计

根据病人不同的病灶，可以设计不同的导板，用3D打印出来，如图6。 手术时，医生只要沿着导板的针孔形状把针一个一个地插进去，就能顺利、很简单地将粒子植入到肿瘤体内。放射粒子植入进入以后，可以通过CT观察植入的情况。

自从北京工业大学提出3D打印导板辅助肿瘤粒子植入以来，已和北大口腔医院等单位合作，做了60多例的临床实验，效果很好。但是导板作为一种医疗器械，要想大规模地推广也需要获得国家的医疗许可证，只是这种导板并不需要放到人体内，仅需获得二类的医疗许可证即可。目前，北京工业大学正和国药集团合作，推广该项技术，希望能够更快地造福广大肿瘤患者。

为了快速打印出肿瘤穿刺手术用的导板，北京工业大学自主研发了一款小型的3D打印机（图7）提供给医生专门用于导板的打印，这些导板能够直接在手术台边上设计好以后马上打印出来使用。

图7 小型3D打印机

现在，这种3D打印在医疗上的应用从技术上的角度来说没有什么障碍，最大的难题在于缺乏复合型的人才，医生对打印的问题不是很了解，而商家对于设计导板也不是很精通，这中间缺乏一个“医学工程师”。

其次是打印材料，它要求使用生物医用的光敏树脂，树脂本身是一种化工材料，我们在申报医疗许可证的时候发现国内的树脂不过关，所以现在使用的光敏材料都依赖国外进口。此外还涉及到一些软件，现在用的软件绝大多数都使用国外软件。因此，我们要做的工作还有很多。

作者：北京工业大学激光工程研究院 陈继民