3D打印病人器官模型的技術已普遍用于骨科、心臟外科、神經(jīng)外科等科室的手術規(guī)劃中，1：1的器官模型清晰地將病人的解剖結構呈現(xiàn)給醫(yī)生，一定程度上幫助醫(yī)生提高復雜手術的成功率、降低手術風險。

在南方醫(yī)科大學深圳醫(yī)院數(shù)字骨科中心，通過CT、核磁共振（MRI）等掃描技術，一層一層掃描病人變形或者缺損的骨關節(jié)，再在電腦上利用分析軟件將獲取的數(shù)據(jù)轉成一個立體模型，然后再連接3D打印機。通過設定相應程序，3D打印機就會“吭哧吭哧”地打印出一個逼真的骨骼實物模型。

如今，在深圳，這種3D打印病人器官模型的技術已普遍用于骨科、心臟外科、神經(jīng)外科等科室的手術規(guī)劃中，1：1的器官模型清晰地將病人的解剖結構呈現(xiàn)給醫(yī)生，一定程度上幫助醫(yī)生提高復雜手術的成功率、降低手術風險。

盡管業(yè)內人士表示，目前，我國醫(yī)學3D打印技術跟國外幾乎同步，個別的領域可能還要超過他們。但是，從目前科研和臨床應用來看，我國醫(yī)學3D打印仍處于打印無生命的器官模型和骨骼內植物階段，3D生物打印人體組織和器官又還有很長的路要走。

8月14日，廣東省醫(yī)學3D打印應用轉化工程技術研究中心落戶南方醫(yī)科大學深圳醫(yī)院，并成立臨床基地，這意味著3D打印技術在臨床上的應用轉化正在快速發(fā)展。在深圳，3D打印在臨床上和研發(fā)上有哪些新進展？又還有哪些短板呢？近日，記者走進醫(yī)院和企業(yè)，與業(yè)內人士共同探討深圳醫(yī)學3D打印的未來發(fā)展。

現(xiàn)狀

已臨床應用于外科、口腔科等

3D打印幫助醫(yī)生突破醫(yī)療禁區(qū)

走進南方醫(yī)科大學深圳醫(yī)院“數(shù)字外科3D打印中心”，3臺體型小但功能強大的3D打印機整齊排列在桌上，旁邊還擺放著幾個已打印好的骨骼實物模型樣品。南方醫(yī)科大學深圳骨科主任桑宏勛團隊通過打印出來的實物模型，實現(xiàn)對骨骼受損部位、移位程度及走向的清晰掌握，依此了解病人的病情，并計劃手術方案，從而將3D打印技術成功應用到骨折、骨科修復和畸形矯正手術中。

“如果病人的骨關節(jié)嚴重缺損，按照以前的方法，可能沒有辦法手術或者要把關節(jié)全部換掉。但如今借助3D打印技術協(xié)助，可以實現(xiàn)缺損多少，就移植多少，實現(xiàn)了精準醫(yī)療，還可以降低手術中意外情況發(fā)生的風險。”桑宏勛告訴記者。如今在3D打印技術協(xié)助下，該團隊已經(jīng)完成700多例骨科手術，其中五分之一是疑難病例，包括高危的頸椎、胸椎疾病和先天性脊柱畸形等。

對于風險高難度大的手術，術前規(guī)劃非常重要。傳統(tǒng)上，通過CT、核磁共振（MRI）等影像設備獲取患者真實的數(shù)據(jù)，是醫(yī)生手術規(guī)劃的基礎，但得到的醫(yī)學影像是二維的。如今，利用分析軟件可以將二維數(shù)據(jù)轉成逼真的三維數(shù)據(jù)，3D打印機可以將三維模型直接打印出來，既可輔助醫(yī)生進行精準的手術規(guī)劃、提升手術的成功率，又方便醫(yī)生與患者就手術方案進行直觀的溝通。此外，即使在治療失敗后，3D打印也可以為醫(yī)患雙方提供可溯源的依據(jù)。

今年7月，桑宏勛接診了一位70多歲的張老先生。由于頸椎痛得厲害，張老先生連吃飯、刷牙等事情都做不了，也走不了路，只能用輪椅代步。CT顯示，張先生椎管狹窄嚴重，7節(jié)頸椎中有6節(jié)椎管發(fā)生了病變，椎管狹窄壓迫頸動脈狹窄，導致他失去正常活動能力。“傳統(tǒng)方法可以選擇前路或者后路的方式進行手術，但術中要把變狹窄的椎管擴充到多大，怎么去擴，都只能全憑主刀醫(yī)生的經(jīng)驗，連助手、護士等都不知道怎么去做這個手術，病人對于醫(yī)生的手術方案和效果也不會很清楚。”桑宏勛說。而在給張老先生做手術的時候，他先用3D打印技術，打出病人1：1的頸椎模型，通過模型，清楚地知道病人椎管狹窄的程度，然后跟手術團隊成員一起制定手術方案，規(guī)劃把椎管擴張的范圍、擴張的地方和部位，以及螺釘要植入的方向和部位等，手術中再配備導航板進行操作，最后手術很成功。術后一周，張老先生就可以站起來了。

有著20多年脊柱外科臨床經(jīng)驗，并在國內率先開展脊柱機器人手術和數(shù)字骨科手術的桑宏勛，十分看好3D打印技術在骨科等外科領域的廣闊應用前景。“3D打印在術前規(guī)劃、術前教學、術中的導航和導板以及術后評估中發(fā)揮重要作用。”桑宏勛說，3D打印與臨床結合，使得臨床手術更加精準，實現(xiàn)量體裁衣，度身定做，解決了許多臨床上的各種難題。

目前，在臨床上，深圳不少醫(yī)院已經(jīng)應用或正在開展臨床試驗的技術包括生理、病理模型3D打印，個性化導航導板3D打印、個性化植入物打印等。其中，深圳艾科賽龍科技有限公司自主研發(fā)的個性化導航導板3D打印已通過廣東省3類臨床醫(yī)療器械準入的審批，這也是我國被批準臨床應用的首個3D打印個性化導航導板，進一步推動了3D打印技術在臨床上的應用。

醫(yī)療借助于3D打印技術，正帶來醫(yī)療領域的巨大變革。如今，南方醫(yī)科大學深圳醫(yī)院數(shù)字外科3D打印中心，3D打印技術應用到頜面外科、整形燒傷科、口腔科等臨床上。南醫(yī)大深圳醫(yī)院燒傷整形科主任朱雄翔告訴記者，在燒傷整形領域，3D打印已經(jīng)實現(xiàn)了器官再造和修復重建。對于一些先天性缺耳的病人，醫(yī)生以3D打印的耳朵模型為對照，取自體肋部的軟骨“雕”成跟另一只幾乎一致的耳朵，并植入皮膚下，等軟骨與皮瓣長成一體，再行移植手術，把新長出的耳朵移植到耳朵缺損位置，實現(xiàn)耳朵再造。2015年，港大深圳醫(yī)院整形外科團隊就實施了深圳首例以3D打印輔助的耳廓塑型的再造手術，幫助一位右耳廓先天發(fā)育不全9歲女孩“長”出新耳朵。

進展

3D打印人體植入物已獲應用

升級版可以實現(xiàn)“私人定制”

一個人的骨骼因為受傷骨折或因為病變受到破壞之后，醫(yī)學上采用的最基本的治療方法就是讓骨折斷端復位，然后等待其自然愈合。如果因為骨質破壞造成了骨缺損，則在缺損區(qū)進行植骨，即填充從病人自身相對不重要部位切取的自體骨，然后等待其長成一體，這種形式被稱為骨融合。骨折的愈合時間一般為3個月，如果存在骨缺損，需要植骨填充，以達到骨融合的目的，所需時間往往會更長。

然而，在臨床上，有一些骨腫瘤病人，因為骨骼或者關節(jié)被腫瘤侵襲嚴重，手術中若造成大面積的骨缺損或者截骨，就不得不植入假體。

目前，以鈦合金為主要材料的金屬植入物在臨床上應用最廣泛。深圳艾科賽龍科技有限公司創(chuàng)始人趙小文告訴記者，國際上，美國FDA近年來已經(jīng)批準上市了86個3D打印植入物產品，大部分是脊柱植入物。在國內，中國國家食品藥品監(jiān)督管理總局批準注冊的3D打印人體植入物僅有兩項，分別是2015年獲批的“3D打印人工髖關節(jié)產品”和2016年5月獲批的“金屬3D打印內植物——人工椎體”。

不過，目前金屬3D打印的人工髖關節(jié)和人工椎體在臨床上還沒有大量應用。“這些產品只能應用于個別的惡性腫瘤病人，而且要通過醫(yī)院倫理委員會的審批，還要看植入體對病人有沒有影響，加上還沒有收費標準，臨床使用還很少。”桑宏勛說。

對于臨床醫(yī)生來說，目前的3D打印植入物還有一個不足，就是產品的“標準化”，還不適合個體化的病人。“因為目前批準的人工髖關節(jié)和人工椎體的打印只能批量生產，并不能個性化定制，所有都是‘標準化’產品，都是‘均碼’。”趙小文說，而由于骨科病人的病情不一樣，骨缺損或者截骨的位置不一樣，植入的假體也要“個性化定制”。

在趙小文的辦公桌上，有一小段的鈦合金3D打印脊椎，這是一個脊柱腫瘤病人一節(jié)脊椎1：1的模型。這個病例來自于艾科賽龍與北京一家醫(yī)院正在進行的臨床試驗，患者于今年7月進行了手術，手術切除腫瘤的時候，同時切除了一節(jié)被腫瘤“吃”掉了的脊椎。少了一節(jié)脊椎，下一步如何恢復脊椎結構、保護脊髓，讓病人回歸正常生活，對臨床是一個挑戰(zhàn)。于是，臨床醫(yī)生精心研究患者的病情后，依據(jù)其解剖結構，利用金屬3D打印技術為他“量身定制”了一節(jié)人工脊椎，這段“私人定制”的內植物形態(tài)、大小、曲度與患者原本的脊椎完全契合，上面還有海綿一樣的微孔，類似于人體骨骼結構中的骨小梁，可以幫助病人的脊柱恢復正常功能。

這款個體化的鈦合金3D打印植入物是艾科賽龍正在研發(fā)的一款新產品，與已經(jīng)批準的金屬3D打印內植物產品不同的是，該產品屬于個性化的產品，“一人一款”。在艾科賽龍公司的展示柜里，記者發(fā)現(xiàn)這款鈦合金3D打印植入物不僅可以修復脊柱，還可以修復腦顱、頜面骨、胸骨等部位。趙小文透露，從2014年開始，該公司已經(jīng)與第四軍醫(yī)大、南方醫(yī)科大學附屬醫(yī)院、深圳市第二人民醫(yī)院等國內近10家機構完成50多例的臨床試驗，“相對于傳統(tǒng)手術和標準化的產品，個性化的3D打印植入物更科學，更能解決臨床上的疑難問題。”趙小文說。目前，艾科賽龍正準備向國家食藥監(jiān)管總局申報注冊該產品。

未來

生物打印是未來挑戰(zhàn)

打印人工器官不是夢

從器官復制品模型到個性化的金屬植入物，3D打印技術在醫(yī)學領域應用越來越廣泛，技術也不斷“升級”。但是，目前醫(yī)學3D打印的產品仍處在無生命階段，比如定制化假肢、牙齒、手術模型、骨科植入物等，在國際標準上，任何植入物的使用壽命只有20年，這也意味著，骨科病人在植入金屬3D打印的植入物20年后，還需要進行二次手術再植入。那么，組織器官等有生命的3D打印產品又什么時候會出現(xiàn)呢？

深圳市精準醫(yī)療協(xié)會副會長、深圳德智達科技有限公司首席執(zhí)行官劉春告訴記者，目前使用PEEK（聚醚醚酮）、金屬等非活性組織材料打印的牙齒、手術模型，骨科植入物等醫(yī)療器械都屬于“初級階梯”，而打印血管、軟骨組織這類單一的活體組織屬于“中級階梯”，3D打印的人工肝臟、心臟等人工器官則屬于“頂級階梯”。后面兩個階段屬于生物3D打印階段，目前還處于科學研究階段。

“從全球范圍來看，我國的醫(yī)學3D打印跟國外幾乎同步，個別的領域可能還要超過他們。”趙小文說，但是有一個問題，中國的生物3D打印技術由于基礎研究比較薄弱，包括在這方面的知識產權比較少，這將阻礙我國生物3D打印技術的發(fā)展。

“無論是3D打印血管、軟骨組織，還是肝臟、心臟，其核心是人體組織器官結構形態(tài)及功能的解析和重建，這是生物3D打印的關鍵。”趙小文說。在構建一個組織的時候，首先要知道這種組織所使用的材料是什么，或者是有什么樣生物可降解的材料，植入人體以后，它能夠保證器官的生長，同時能在身體里面保證這種相容性，與其他的組織之間的相互關系能保持得非常融洽，同時它又能降解，比如說降解成水被人體充分吸收等。

在構建的時候必須先對組織和器官有清晰的解析。比如說要做一個有活性的骨骼，人體從頭到腳的骨骼結構其實是不一樣的，有些是防止外界的撞擊，起到對內部組織的保護，有些需要產生血細胞、紅細胞等。由于它的功能不一樣，骨從頭到腳的結構也是不一樣的，它的細胞組織也是不一樣的。了解了人體的從頭到腳骨骼的結構以后，就要想辦法把它構建出來，仿生出來，為細胞在里面的生長創(chuàng)造一個良好的條件，這樣細胞才能在里面進行擴增、代謝、遷移，然后生成相關的組織。然后3D打印出來的東西，在體外進行培養(yǎng)后，再植入人體以后，細胞繼續(xù)生長，這種結構在滿足細胞生長的前提下，會一步一步地降解，修復人體內缺損的骨骼，并與體內骨骼融合在一起。

生物3D打印技術，在人工組織、器官培養(yǎng)過程中更多承擔了三維形狀的構建，即讓人體細胞按照預先設計好的形狀來生長。因此人造器官、組織的發(fā)展更大程度上取決于用量化的數(shù)據(jù)來解析和構建人體組織器官，只有解析和構建好的人體組織器官的結構形態(tài)和功能，才能“激活”組織和器官。而恰恰這一點，是目前我國基礎研究的薄弱環(huán)節(jié)。“很多人覺得是生物材料會影響組織和器官的打印，事實上，目前市場上現(xiàn)有材料和設備已經(jīng)滿足生物3D打印技術，瓶頸不在于材料，而在于對具體的組織器官沒有量化。”趙小文說，要推動深圳生物3D打印的發(fā)展，必須要加快生物技術的基礎研究，補足科研短板。

培育3D打印器官是取代捐獻器官移植的另一重要方法，其之所以久久未能實現(xiàn)植入人體的零的突破，一方面是由于基礎研究和技術不夠成熟，很多產品只模仿了結構而不具備功能，另一方面便是未能解決排異問題，以及將產生的法律和倫理上的一些問題。在采訪中，幾位臨床和產業(yè)界人士都表示，3D打印“活”的組織和器官還有很長一段時間才能實現(xiàn)，不過，目前國內外科學家們正在加快生物3D打印技術的研究。