引用本文： 李青峰. 3-D打印技術在整形外科的應用. 中國修復重建外科雜志, 2014, 28(3): 266-267. doi: 10.7507/1002-1892.20140060 復制
從技術而言，3-D打印技術的出現和發展，為整形外科手術帶來了前所未有的變革。依據CT或MRI數據，利用3-D打印技術可以快速精確地制造三維結構完全仿真的生物模型，用于臨床輔助診斷、復雜手術方案的制定、個性化假體的制作，也可用于醫學教學[2]。
D’Urso等[3]對3-D打印模型的精確性進行了驗證，他們將45例術前通過3-D打印模型診斷和手術設計的患者與通過傳統影像學診斷的患者進行比較，結果顯示診斷準確率由影像學組的65.5%提高到模型組的95.2%，測量誤差從影像學組的44%降低至模型組的8%，而且手術時間明顯縮短。以此證明了3-D打印模型是直觀的測量工具，也是手術設計的仿真模具，有助于各種先、后天因素造成的嚴重畸形病例的診斷、治療及術前設計和模擬手術。
Levine等[4]將術前采集的CT數據通過CAD軟件進行手術模擬，得到截骨線、骨塊移動的目標位置等信息，利用3-D打印技術制作術中引導裝置，在手術中實時提示截骨線、骨塊移動的位置信息等，起到指導手術的作用。他們將該技術應用于70余例手術，包括下頜骨重建術、正頜手術、頜面部創傷修復和顳頜關節重建術，均取得良好的重建效果。3-D打印技術應用的典型案例是下頜骨組織缺損修復，腓骨瓣的準確塑形與植入是恢復下頜骨自然弧度和進行牙種植術的基礎。利用3-D打印技術制作的下頜骨修復模型可起到導板的作用，引導腓骨瓣的準確塑形和植入[5-6]，將下頜骨功能性修復由經驗型提升到目標性治療階段。在此類手術中應用3-D打印技術已成為一種標準化治療手段。此外，在面部外傷后重建、趾間關節重建顳頜關節等手術中也出現了利用3-D打印模型作為手術模板導航的相關報道。
2 第二階段
隨著材料科學的發展，近年來有學者開始嘗試以生物材料代替以往的模型材料，經CAD軟件處理后，打印出可直接用于人體的植入物。Saijo等[7]采用磷酸三鈣粉末等生物材料制備個性化假體，經后處理后術中無需雕刻，可直接植入人體，將3-D打印技術由單純的模型制造拓展到生物制造，引領3-D打印技術應用進入第二階段。
傳統的3-D模擬和打印技術主要用于解決復雜三維結構和形態學問題，而新近發展起來的“生物打印技術”概念，則是將數字化和3-D打印技術的優勢應用于組織和器官構建上，以解決組織、器官構建中存在的微環境模擬困難問題。組織中基質形成的三維結構不僅是組織形態的框架，也包含了豐富的細胞、細胞與組織間相互功能協調的生物學信息。通過結締組織（可吸收生物材料和膠原、透明質酸等）支架打印和不同細胞的定位打印，可較好模擬生理組織結構，從而完美構建組織和器官，并通過培養和植入人體達到修復組織器官缺損的目的。
這一技術的發展迎合了整形外科的另一重點研究方向，即組織修復材料（包括生物材料）研發的需求，結合再生醫學、干細胞和組織工程學等的發展，生物打印技術呈現了在未來組織、器官構建中的核心作用和巨大發展潛力。
3 第三階段
在3-D打印技術發展的基礎上，結合細胞生物學、計算機輔助設計和生物材料學等多個領域的研究成果，該技術逐漸走向了第三階段--生物活性打印。它是一種新型的組織工程技術，不但能構建形態、結構復雜的組織工程支架，而且能實現不同密度的種子細胞在不同支架材料中的三維精確定位，實現細胞與生物材料的同步打印，最終構建仿生組織和器官，以修復重建和替代受損、破壞、丟失的人體器官，也稱組織打印或器官打印。
2006年4月舊金山一個實驗生物學會議上，美國哥倫比亞密蘇里州大學的生物物理學家Harber Fugax首次提出3-D生物打印技術，其生物打印依賴的是“生物墨水”的墨滴，是一簇直徑幾百微米的細胞，按組織或器官的三維結構來構建三維支架，在支架上播種細胞，使其生長增殖。這一嶄新的理念一經提出，立即引起了同行們的廣泛關注及探索。
Boland等[8]應用3-D打印技術將牛血管內皮細胞和藻酸鹽水凝膠同步打印，形成內皮細胞-水凝膠三維復合物，成功打印出具有活性的微脈管結構，為打印血管奠定了基礎。有研究者應用3-D打印技術成功打印出仿生三維神經組織。據報道，美國北卡羅來納州維克弗斯特大學的Anthony Atala教授用器官打印方法培育的人造膀胱，已成功救治了7個兒童。此外，維克弗斯特大學的3-D打印機還成功打印出腎臟模型。在其他一些實驗室，科學家們也在研究如何利用可降解支架培育人造心臟、肺和肝臟，讓“定制移植”成為可能。
隨著器官打印技術的研究和發展，該技術有望成功打印與正常組織和器官相同功能及結構的仿生組織和器官，徹底解決自體或同種異體移植所存在的局限和難題，如器官來源不足、排斥反應等，將3-D打印技術的應用發展至新的高度。
4 發展前景
目前成熟的3-D模擬和打印技術將在復雜骨結構和軟組織形態的修復重建和重塑中進一步廣泛應用，并在未來10年中逐步完成對設備平臺、材料、方法等的定型。而3-D生物打印技術，將被引入再生醫學及組織工程學研究中，并為臨床組織與器官缺損的修復重建提供重要技術支持。
從技術而言，3-D打印技術的出現和發展，為整形外科手術帶來了前所未有的變革。依據CT或MRI數據，利用3-D打印技術可以快速精確地制造三維結構完全仿真的生物模型，用于臨床輔助診斷、復雜手術方案的制定、個性化假體的制作，也可用于醫學教學[2]。
D’Urso等[3]對3-D打印模型的精確性進行了驗證，他們將45例術前通過3-D打印模型診斷和手術設計的患者與通過傳統影像學診斷的患者進行比較，結果顯示診斷準確率由影像學組的65.5%提高到模型組的95.2%，測量誤差從影像學組的44%降低至模型組的8%，而且手術時間明顯縮短。以此證明了3-D打印模型是直觀的測量工具，也是手術設計的仿真模具，有助于各種先、后天因素造成的嚴重畸形病例的診斷、治療及術前設計和模擬手術。
Levine等[4]將術前采集的CT數據通過CAD軟件進行手術模擬，得到截骨線、骨塊移動的目標位置等信息，利用3-D打印技術制作術中引導裝置，在手術中實時提示截骨線、骨塊移動的位置信息等，起到指導手術的作用。他們將該技術應用于70余例手術，包括下頜骨重建術、正頜手術、頜面部創傷修復和顳頜關節重建術，均取得良好的重建效果。3-D打印技術應用的典型案例是下頜骨組織缺損修復，腓骨瓣的準確塑形與植入是恢復下頜骨自然弧度和進行牙種植術的基礎。利用3-D打印技術制作的下頜骨修復模型可起到導板的作用，引導腓骨瓣的準確塑形和植入[5-6]，將下頜骨功能性修復由經驗型提升到目標性治療階段。在此類手術中應用3-D打印技術已成為一種標準化治療手段。此外，在面部外傷后重建、趾間關節重建顳頜關節等手術中也出現了利用3-D打印模型作為手術模板導航的相關報道。
2 第二階段
隨著材料科學的發展，近年來有學者開始嘗試以生物材料代替以往的模型材料，經CAD軟件處理后，打印出可直接用于人體的植入物。Saijo等[7]采用磷酸三鈣粉末等生物材料制備個性化假體，經后處理后術中無需雕刻，可直接植入人體，將3-D打印技術由單純的模型制造拓展到生物制造，引領3-D打印技術應用進入第二階段。
傳統的3-D模擬和打印技術主要用于解決復雜三維結構和形態學問題，而新近發展起來的“生物打印技術”概念，則是將數字化和3-D打印技術的優勢應用于組織和器官構建上，以解決組織、器官構建中存在的微環境模擬困難問題。組織中基質形成的三維結構不僅是組織形態的框架，也包含了豐富的細胞、細胞與組織間相互功能協調的生物學信息。通過結締組織（可吸收生物材料和膠原、透明質酸等）支架打印和不同細胞的定位打印，可較好模擬生理組織結構，從而完美構建組織和器官，并通過培養和植入人體達到修復組織器官缺損的目的。
這一技術的發展迎合了整形外科的另一重點研究方向，即組織修復材料（包括生物材料）研發的需求，結合再生醫學、干細胞和組織工程學等的發展，生物打印技術呈現了在未來組織、器官構建中的核心作用和巨大發展潛力。
3 第三階段
在3-D打印技術發展的基礎上，結合細胞生物學、計算機輔助設計和生物材料學等多個領域的研究成果，該技術逐漸走向了第三階段--生物活性打印。它是一種新型的組織工程技術，不但能構建形態、結構復雜的組織工程支架，而且能實現不同密度的種子細胞在不同支架材料中的三維精確定位，實現細胞與生物材料的同步打印，最終構建仿生組織和器官，以修復重建和替代受損、破壞、丟失的人體器官，也稱組織打印或器官打印。
2006年4月舊金山一個實驗生物學會議上，美國哥倫比亞密蘇里州大學的生物物理學家Harber Fugax首次提出3-D生物打印技術，其生物打印依賴的是“生物墨水”的墨滴，是一簇直徑幾百微米的細胞，按組織或器官的三維結構來構建三維支架，在支架上播種細胞，使其生長增殖。這一嶄新的理念一經提出，立即引起了同行們的廣泛關注及探索。
Boland等[8]應用3-D打印技術將牛血管內皮細胞和藻酸鹽水凝膠同步打印，形成內皮細胞-水凝膠三維復合物，成功打印出具有活性的微脈管結構，為打印血管奠定了基礎。有研究者應用3-D打印技術成功打印出仿生三維神經組織。據報道，美國北卡羅來納州維克弗斯特大學的Anthony Atala教授用器官打印方法培育的人造膀胱，已成功救治了7個兒童。此外，維克弗斯特大學的3-D打印機還成功打印出腎臟模型。在其他一些實驗室，科學家們也在研究如何利用可降解支架培育人造心臟、肺和肝臟，讓“定制移植”成為可能。
隨著器官打印技術的研究和發展，該技術有望成功打印與正常組織和器官相同功能及結構的仿生組織和器官，徹底解決自體或同種異體移植所存在的局限和難題，如器官來源不足、排斥反應等，將3-D打印技術的應用發展至新的高度。
4 發展前景
目前成熟的3-D模擬和打印技術將在復雜骨結構和軟組織形態的修復重建和重塑中進一步廣泛應用，并在未來10年中逐步完成對設備平臺、材料、方法等的定型。而3-D生物打印技術，將被引入再生醫學及組織工程學研究中，并為臨床組織與器官缺損的修復重建提供重要技術支持。