3D打印技术的出现，为制造业带来巨大变革，该技术发展迅猛，并广泛应用于医疗、生物组织工程、工业、军事、航空航天等多种领域。2013年美国总统奥巴马在一次国情咨文演讲中肯定了3D打印技术的重要性。2015年8月21日卢秉恒院士在国务院的集体学习会议上作3D打印技术专题报告，引起国家的高度重视，并提出：“3D打印技术是制造业具有代表性的颠覆性技术，实现制造从等材、减材到增材的重大转变，改变传统制造的观念和模式，具有重大价值”。

近年来，3D打印技术在神经外科掀起一股热潮，先后应用于脑血管疾病、颅底肿瘤、脊柱脊髓等多个领域，辅助术前手术计划制定、医患沟通、临床教学、技术培训等。3D打印材料迅速开发，部分已用于临床，如3D打印颅骨修补材料、3D打印人工修补硬脑膜等，其显示出巨大优势和极高的应用价值。本文就3D打印技术在神经外科领域的应用进行述评。

1.3D打印概念介绍

3D打印（3D Printing）技术，也称为快速成型技术（rapid prototyping）或增材制造（additive manufacturing），是指一种与传统材料去除加工方法相反的，基于三维CAD模型数据，通过逐层增加材料，逆向制造出与相应数学模型完全一致的三维物理实体模型的制造方法。该技术的思想起源于19世纪末美国一项分层构造地貌地形图专利。1984年美国科学家CharlesHull发明了将数字资源打印成三维立体模型的技术；两年后，ChuckHull发明了立体光刻工艺，通过利用紫外线照射将树脂凝固成形的方式进行模型制造，并获得专利，开发出第一台商业3D印刷机，这是3D打印技术发展的里程碑。

自1995年美国ZCorp公司开发第一台3D打印机，到2005年首个高清彩色3D打印机问世，经历10年时间。2010年后3D打印进入快速发展阶段，从手枪到衣服、从汽车到珠宝首饰均可应用3D打印技术制造。3D打印技术在医学领域的应用始于牙科与颌面部手术，其后在各个医学亚专业学科的应用均得到探索发展。外科应用的打印材料通常基于粉末，包括尼龙粉末、ABS粉末、金属粉末、陶瓷粉末和干细胞溶液等，且可根据目标打印物的性质选择不同材料，如陶瓷、塑料、树脂、高温合金、不锈钢和钛等。打印精确度主要依赖于使用的设备，3D打印的解剖结构对比原标本具有高度精确性，一项研究报道对结构＞10mm的标本平均误差在（0.32±0.054）mm。最新的3D打印技术已实现不同质地的材料打印，即多彩多质（例如骨骼、肌腱等），从而更准确地复制原始标本。

2.3D打印在神经外科领域的应用

2.1 3D打印在神经外科教学及培训中的应用

2017年国务院办公厅印发《关于深化医教协同进一步推进医学教育改革与发展的意见》，对高素质医学人才培养提出更高要求，其中重点强调要全面提升人才培养质量，强化医学生的临床能力培养。神经外科具有独特性、复杂性、立体性、精准性等特点，需要良好的空间想象能力及不断进行解剖结构的强化学习，才能达到良好的训练效果。

目前医学教育体系中，神经外科颅脑解剖与外科手术教学脱节，大批神经外科医生从医学院毕业后到熟练掌握各级手术前，存在严重的培训断层和学习需求。所需颅脑解剖标本匮乏，涉及到具体疾病的标本模型尤其稀缺，随着3D打印开始应用于教学解决了这一问题。WANG等利用3D打印动脉瘤模型对青年神经外科医师进行培训，可提高青年医师对动脉瘤解剖的理解；同时，可提高青年手术医师的基本手术技能。国外临床医生采用3D打印脑室模型进行第三脑室底造瘘术的培训，这些模拟器均由可重复使用的基础部分以及一次性使用的可变压力模拟脑室系统组成，神经外科医师可在其中进行手术模拟操作。

在教学培训中，3D打印能够满足较大的标本需求量，弥补人体组织标本短缺，并可对不同病变进行高度针对性模拟教学，同时较人体标本更加清洁卫生，具有独到优势及广泛前景。

2.2 3D打印在颅骨修补材料的应用

3D打印颅骨修补材料在临床取得良好应用效果。KIM等利用3D打印技术，采用聚甲基异丁烯酸（PMMA）作为修补材料，在术前将头颅CT扫描数据进行建模，打印出颅骨模型，植入颅骨缺损部位，达到非常完美的修补效果。同时，即使简易3D打印机也能出色打印修补材料，且具有成本较低的优点。

目前国内广泛应用的3D打印修补材料主要为聚醚醚酮（PEEK），尤其是对颅面复杂外伤后颅骨缺损病人，3D打印较传统钛网修补材料具有精准度更高、组织相容性更好的特点。

2.3 3D打印技术在脑血管病手术中的应用

脑血管病手术是神经外科手术中风险较大、难度较高的手术，具有很高的致残率与致死率。术前，医师需要充分解读影像资料，以便对术中解剖达到深刻的理解和认识，传统上依赖于医师自身较好的空间想象能力。在过去几十年中，脑血管疾病的影像诊断已经从2D血管造影发展到3D、甚至4D血管造影，尽管现在3D影像重建技术在一定程度上可以帮助外科医生理解疾病的解剖学细节，但难以提供更加实际的手术体验。

3D打印脑血管病模型可完美解决这一问题，疾病模型不仅可以从任何角度查看，模拟手术中的解剖方位，同时可以触摸、可以操作，能够逼真模拟实际手术过程，是一种更有利的可视化方法。对动脉瘤夹闭手术，透彻理解动脉瘤的形状、朝向、瘤颈及动脉瘤与邻近动脉及其分支、脑组织、脑神经、颅骨的关系至关重要；对复杂动脉瘤手术，术中挑选及调试动脉瘤夹也是手术的难点之一。

自D'URSO等第1次报道3D打印技术在颅内动脉瘤和动静脉畸形中的应用，目前已有数十篇关于3D打印动脉瘤模型应用的文章发表于国内外杂志。除外科手术之外，3D打印还应用于动脉瘤的介入治疗，NAMBA等报道利用该技术辅助微导管塑形，成功为10例病人施行动脉瘤栓塞术。3D打印动脉瘤模型不仅可以帮助手术医师更好理解动脉瘤细节，做到术前模拟夹闭、挑选动脉瘤夹，而且可以用于术前医患沟通，帮助病人理解动脉瘤疾病，使病情交流更加顺畅。在动静脉畸形方面，使用精准的3D模型，可以明显改善手术计划，提高良好预后的概率。

相关研究报道指出：术前应用3D打印的动静脉畸形病例中，手术时间明显缩短，再次表明打印模型有助于手术计划及实施。3D打印动静脉畸形报道较动脉瘤要少，主要原因是动静脉畸形的血管解剖更加复杂，多变的供血动脉、引流静脉，畸形本身与脑组织混杂，畸形血管散在等都是造成3D打印困难的原因。目前仍在发展的高精准度3D建模技术及打印技术可能能够改善其在脑血管畸形中的应用。

2.4 3D打印在颅底肿瘤的应用

颅底肿瘤位置深在、解剖复杂、功能重要，对术者的解剖知识及手术技巧要求极高。在经鼻蝶内镜鞍区肿瘤切除术领域，开创将3D打印应用到模拟手术开发中的先河。在相关研究中，目前已创建3D打印颅骨模型用以对内镜鞍区手术进行术前评估；该模型可以注册到手术导航系统中，能更准确反映手术过程，并且模型可与相应的神经影像实时配对，提供更加直观的模拟体验，是其重要优势之一。

MULLER等研究表明：对复杂颅底病变，相对于使用3D打印技术进行术前评估，仅使用常规影像的术前评估效果较差。3D打印模型能够准确模拟复杂颅底肿瘤的解剖，能够在术前模拟颅骨磨除，帮助了解神经血管与病变的关系，适用于高度个体化的复杂颅底手术的计划制定。

2.5 3D打印在脊柱脊髓手术中的应用

脊柱脊髓是神经外科一个重要的分支，但我国神经外科所开展的脊柱脊髓疾病治疗，大部分限于脊髓肿瘤手术，其中一个主要的原因就是对相关解剖结构不熟悉。3D打印模型更好地解决这个问题，通过对脊柱解剖的模拟，使脊柱复杂骨折、椎弓根螺钉固定等复杂的脊柱手术过程变得更加容易。SUGAWARA等设计一种个体化的多步骤螺丝导向器，其可锁定在椎板上，以防止错误移动，其对10例病人进行手术及评估，结果发现固定平均偏差＜1mm。

此外，3D打印技术同样解决脊柱外科的手术技巧问题。目前，国内外科学家开始探索将3D打印技术应用于椎间盘退变的组织工程解决方案，期望以3D打印技术实现再生椎间盘，从而替代脊柱融合术和人工椎间盘置换术，然而生产临床可用的植入物仍需要进一步研究。

2.6生物3D打印在神经外科的应用

生物打印技术的应用场景包括组织工程和再生医学、药剂学及药物筛选、癌症研究等，目前已能够对多种组织类型进行生物打印，但打印的组织大多仅限于薄、空心或无血管组织，仍具有较大的局限性。近期，随着在血管网络生物打印方面的成熟，使打印更大的、具有生物活性的组织器官成为可能。尽管生物打印研究方面取得巨大进展，但临床适用性仍然落后，依然任重道远。

美国食品药品管理局批准几种组织工程皮肤替代品，可用于大面积创口的愈合治疗。能够应用于在神经外科的3D打印生物移植物尚且遥远。未来，可期待应用于神经外科的生物打印组织有头皮移植和血管打印，例如对大型复杂动脉瘤，血管置换是惟一可彻底解决问题的方法，3D生物血管打印可以提供相容性更好、管径更加匹配、分支更加符合生理条件的血管，来替代目前应用最多的桡动脉。在临床中，目前可以使用树脂材料实现大血管或中空血管的置换，但具有生物活性的血管置换材料目前仍在探索中。

3.挑战与展望

目前，3D打印技术在神经外科中应用的局限性主要体现于以下几个方面：

①打印时间及成本较高，完成一件成品模型常需要花费数小时到数天；因此，3D打印目前难以应用于急诊病例。相信随着工业的进步，能够进一步提升打印速度、降低打印成本，从而进一步增加3D打印的应用。

②3D打印的精度有限，对一些细小的穿支动脉、散在的动静脉畸形的打印较为困难，但随着高精度建模软件以及打印机的开发，该问题应该能够得到良好解决。

③目前可应用于打印的材料以及材料的逼真度仍然局限。以打印颅脑肿瘤为例，不同肿瘤的质地相异，即使同一种肿瘤，在不同个体间其肿瘤软硬、质地、坏死、钙化、血供也是不同的，目前很难通过影像学数据打印出完全与实际标本质地高度吻合的肿瘤。然而人体组织器官材质物理性能数据库的建立及完善，实现多种质地的模拟打印应当并不遥远。

④多种材料复合打印技术目前尚未成熟，3D打印模型尚不能展示动脉内血栓、动脉钙化、血泡样动脉瘤等，动脉瘤夹闭手术中动脉瘤破裂大出血也难以在模型上实现。

⑤尽管生物打印研究已取得一定进展，但在血管化和生物相容性等方面仍存在较大技术挑战，且存在经济实用性和伦理上的障碍，其临床应用目前受到较大限制。然而，随着临床需求增加以及科技进步，生物打印转化为临床应用是指日可待的。

3D打印技术在神经外科打开了崭新的领域，广泛应用于解剖教学、手术模拟、技术培训、医患交流、生物材料等方面。如今，医工交叉日益紧密，技术及材料的飞速发展，将进一步推动3D打印技术在临床的应用。未来，3D打印技术将不仅局限于改变解剖学、外科学的常规教学模式，随着3D打印在再生领域的研究不断深入，有望在脑重塑、颅内生物血管、神经元修复等领域发挥革命性的作用。