引用本文： 谷涌泉, 武欣. 3-D打印技術在血管外科的應用. 中國修復重建外科雜志, 2014, 28(3): 276-278. doi: 10.7507/1002-1892.20140063 復制
電影《十二生肖》讓我們體驗到了3-D打印技術的神奇，當成龍戴上電子手套掃描獸首，電腦上便出現了獸首的三維圖像，僅用了約3分鐘，3-D打印機便直接“打印”出一個一模一樣的“獸首”。誰能想到，這個具有神奇性、顛覆性的技術早已存在，而不是電影杜撰！
1 什么是3-D打印技術
3-D打印技術源自100多年前美國研究的照相雕塑和地貌成型技術，其學名為“快速成型技術”。它是一種以數字模型文件為基礎，應用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印方式來構造物體的技術。它綜合了數字建模、機電控制、信息技術、材料科學與化學等多方面技術。3-D打印機是核心設備，其可進行噴墨打印。每一層打印分為兩步，首先在需要成型的區域噴灑一層特殊膠水，然后在膠水上均勻噴灑一層粉末，粉末與膠水迅速固化黏結；這樣在一層膠水及一層粉末的交替下，實體模型被黏結起來。“打印”完成后，需要對打印模型進行后處理，如固化、剝離、模型修整等，最終得到所需模型[1]。該項技術最早于20世紀80年代末和90年代初在美國出現，之后很快擴展到歐洲和日本，現已取得較為廣泛的應用[2]。
近年來3-D打印產業獲得飛速發展，目前已廣泛用于多個領域，如珠寶首飾、鞋類、工業設計、建筑、汽車、航天、醫療等。據《Wohlels Report 2011》顯示，1988年－2010年間全球3-D打印技術產值保持了26%的增值速度。2011年3-D打印產業的市場規模為17億美元，預計到2016年產業總產值將達到31億美元[3]。
2 3-D 打印技術的優點
3-D打印技術最突出的優點是無需機械加工或任何模具，就能直接根據計算機圖形數據生成任何形狀的零件，從而極大縮短產品研制周期，提高生產效率和降低生產成本。就傳統制造技術而言，物體形狀越復雜，生產線也越復雜，制造成本越高；對3-D打印技術而言，制造形狀復雜的物品并不增加時間、技能或成本。該特點將打破傳統的定價模式，并改變制造成本的計算方式。3-D打印技術還可按需打印，即時生產減少了企業的實物庫存，企業可根據客戶訂單定制特別或個性化產品。此外，3-D打印技術還可明顯減少廢棄副產品。傳統金屬加工中90%金屬原材料被丟棄，而3-D打印技術制造金屬制品時浪費量顯著減少，隨著打印材料的進步，“凈成型”制造可能成為更環保的加工方式。更主要的是，3-D打印技術還可制造出傳統制造技術無法制備的外形，人們可更有效地設計出所需產品[4]。
經過近年的不斷發展，3-D打印技術已基本形成了一套技術體系，可應用的行業也逐漸擴大，從產品設計到模具設計與制造、材料工程、醫學研究、文化藝術、建筑工程等，具有廣闊應用前景。
3 3-D打印技術在非醫學領域的應用
在國外，有關3-D打印技術的種種暢想令人心馳神往。美國一名槍械師利用塑料材質，通過3-D打印技術制造了一支AR-15突擊步槍，這支“打印步槍”原材料僅需30美元，可速射200發子彈。意大利一位設計師用沙子3-D打印出一立體建筑，并宣稱未來可能不需要工人和腳手架即可完成建筑修建。在日本，著名游戲制造商任天堂已開始通過3-D打印技術制造wii游戲機；知名的迪斯尼公司也已考慮用3-D打印方式制造玩具。如今，這種前沿的制造方式正改變著傳統制造方式，成為未來發展的趨勢[5]。
4 3-D打印技術在醫學領域中的應用
4.1 在骨科及口腔科的應用
由于打印材料的獨特性，3-D打印技術率先在骨科、口腔科廣泛應用。在骨外科中，由于骨病損形態各異，因此用于骨缺損修復的植入物只能“量體裁衣，量身定制”。既往術前對患者骨骼進行精確的在體三維測量非常困難，而3-D打印模型使個體化成為可能，真正實現了“私人定制”。在個體化人工關節置換、個體化接骨板、個體化骨盆修復等臨床手術中，3-D打印技術得到廣泛應用[6]。2009年，瑞士科學家Christian Weinand首次采用3-D骨骼打印機精確復制人拇指骨骼，該項技術的突破為采用患者自體細胞組織培育替換受損骨骼開辟了新途徑。金屬3-D打印將帶來口腔修復技術的一場革命。目前全球約有23 000名牙科醫生通過Cerec軟件幫助患者更快得到牙套；Cerec軟件是德國西諾德牙科設備技術公司開發的計算機三維系統，它通過對牙齒進行三維掃描，一次性自動完成最終牙套的制造。傳統口腔修復義齒（俗稱假牙）的制作需要先磨牙、印牙模，然后戴上臨時牙套1周才能裝上真牙套，患者需多次試戴和修整，周期長。而借助Cerec軟件，無需印模、戴臨時牙冠及復診，均通過電腦控制設備，牙冠修復從漫長的7 d縮短為30 min[7]。
4.2 在血管外科的應用
由于血管是相對于骨骼、牙齒較“柔軟”的器官，3-D打印材料限制了其在血管外科領域的應用；但3-D打印技術在血管外科領域也取得了一些令人驚喜的發展。德國弗勞恩霍夫研究所的一個小組，使用3-D打印技術和“多光子聚合”技術，成功打印出“人造血管”。打印時，打印機發出2束強激光，焦點對準同一分子；該分子同時吸收2個光子（即“多光子聚合”），之后變成一有彈性的固體，可用其制造高精度的彈性結構，即血管；打印使用的“墨水”是生物分子與人造聚合體。研究人員預想通過該過程打印的血管可與人體組織相互“溝通”，不會產生器官排斥反應。但能否真正做到無免疫排斥反應，還有待更深入研究。無論如何，這項技術將為血管外科發展帶來巨大變化，甚至是革命性變化。
此外在血管組織工程技術上，3-D打印技術在打印細胞、生物支架材料和細胞活性因子等方面取得了很大進步。1987年美國國家科學基金會正式提出和確定“組織工程”這一概念[8]，其核心是利用細胞生物學和工程學原理，在體外培養、擴增種子細胞，種植于生物相容性好、并可降解的生物材料上，形成細胞-生物材料復合物，植入體內與宿主組織融合生長，以達到對宿主組織結構的修復和功能重建。組織工程技術包含三大基本要素：種子細胞、細胞外基質替代物、細胞活性因子。雖然這種方法在構建結構簡單的空腔組織和器官方面取得巨大成功，但仍存在許多不足，特別是在構建內部結構復雜的組織和器官時，細胞無法精確種植至支架內部，只能隨機吸附于表面，細胞活性因子只能影響支架表面細胞的生長分化，很難對支架內部細胞活性進行控制。然而，我們應當看到其潛力，可采用3-D打印技術制造組織工程血管骨架，再在體外或體內構建成有活力的生物血管，也是可考慮的思路之一。
越來越多研究發現，3-D噴墨打印技術適用于打印細胞、生物支架材料、細胞活性因子和構建三維細胞-生物支架材料復合物，有望克服傳統組織工程方法的不足[9]。Zhao等[10]采用脂肪來源干細胞和纖維、膠原，利用體外低溫3-D噴墨打印技術與聚乙醇酸構建了可降解支架，且體外完成了向內皮細胞、平滑肌細胞的誘導分化。Ovsianikov等[11]應用激光3-D噴墨打印技術，將由丙烯酸酯化的聚乙二醇雙光子聚合技術構造而成的組織工程皮膚，通過激光誘導正向傳輸方式接種細胞，這樣可在細胞生存的溫和環境中構建三維水凝膠支架，減小細胞毒性。此外，Xu等[12]還利用3-D噴墨打印技術，體外用成纖維細胞和凝膠成功構建了三維曲折蜂窩管支架。Boland等[13]應用噴墨打印技術將牛血管內皮細胞與藻酸鹽水凝膠同步打印，形成內皮細胞-水凝膠三維復合物，掃描電鏡觀察發現內皮細胞黏附于水凝膠支架內部，且保持了良好的細胞活性。Lees等[14]應用3-D噴墨打印技術體外構建了三維聚乙醇酸支架，并將人胚胎干細胞種植于支架上，進行了大鼠肝臟小葉間移植，定期分化染色可見胰島淀粉樣多肽和肝細胞系蛋白質表達。因此，3-D噴墨打印技術在人類微血管組織工程中有巨大應用前景。
在國外，目前已有可吸收冠狀動脈支架應用于人體的報道[15-16]，外周血管可吸收支架在歐盟和美國已均在臨床試驗中。我們研究團隊也對該項技術進行了研究，并取得一些好的結果（圖 1～4）。目前我們正在對3-D打印技術打印可吸收支架進行研究，希望能在這方面取得突破。3-D打印技術可將支架材料與藥物混合打印，最終直接打印出所需的可吸收支架。
圖1
可吸收支架 ? ?3-D打印技術在組織工程的應用仍處于起步階段，還有許多問題亟待解決，如噴墨打印過程中熱能與流體力學對細胞生物活性的影響[17]。但我們相信，隨著3-D打印技術的完善以及打印材料的發展，在不遠的將來利用3-D打印技術構建的組織工程血管會應用于臨床。
此外，復雜腹主動脈瘤（瘤頸過短、累及腎動脈等）、夾層動脈瘤（累及主動脈弓三分叉等）是血管外科面臨的巨大挑戰。術中往往要選用分支型或開窗型支架以保證主要動脈的供血，要求術前準確測量、術中準確釋放。而采用3-D打印技術，術前可精確制備動脈瘤模型，使治療更“專業化、個體化”，同時保證術中支架準確釋放，醫生不僅可進行更為細致的手術規劃，甚至可進行手術操作演練。
5 展望
3-D打印技術是一項具有工業革命意義的高新制造技術，代表了世界制造業發展的新趨勢，目前受到越來越多的關注。隨著國內外3-D打印技術的迅猛發展，該項技術已應用于多個領域。但當前3-D打印技術也面臨多方面挑戰，如成本、材料、精度和速度等，還需要進一步發展與完善。我們相信在不遠的將來，3-D打印技術可在醫學領域獲得突破性發展，在血管外科領域得到廣泛應用。
電影《十二生肖》讓我們體驗到了3-D打印技術的神奇，當成龍戴上電子手套掃描獸首，電腦上便出現了獸首的三維圖像，僅用了約3分鐘，3-D打印機便直接“打印”出一個一模一樣的“獸首”。誰能想到，這個具有神奇性、顛覆性的技術早已存在，而不是電影杜撰！
1 什么是3-D打印技術
3-D打印技術源自100多年前美國研究的照相雕塑和地貌成型技術，其學名為“快速成型技術”。它是一種以數字模型文件為基礎，應用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印方式來構造物體的技術。它綜合了數字建模、機電控制、信息技術、材料科學與化學等多方面技術。3-D打印機是核心設備，其可進行噴墨打印。每一層打印分為兩步，首先在需要成型的區域噴灑一層特殊膠水，然后在膠水上均勻噴灑一層粉末，粉末與膠水迅速固化黏結；這樣在一層膠水及一層粉末的交替下，實體模型被黏結起來。“打印”完成后，需要對打印模型進行后處理，如固化、剝離、模型修整等，最終得到所需模型[1]。該項技術最早于20世紀80年代末和90年代初在美國出現，之后很快擴展到歐洲和日本，現已取得較為廣泛的應用[2]。
近年來3-D打印產業獲得飛速發展，目前已廣泛用于多個領域，如珠寶首飾、鞋類、工業設計、建筑、汽車、航天、醫療等。據《Wohlels Report 2011》顯示，1988年－2010年間全球3-D打印技術產值保持了26%的增值速度。2011年3-D打印產業的市場規模為17億美元，預計到2016年產業總產值將達到31億美元[3]。
2 3-D 打印技術的優點
3-D打印技術最突出的優點是無需機械加工或任何模具，就能直接根據計算機圖形數據生成任何形狀的零件，從而極大縮短產品研制周期，提高生產效率和降低生產成本。就傳統制造技術而言，物體形狀越復雜，生產線也越復雜，制造成本越高；對3-D打印技術而言，制造形狀復雜的物品并不增加時間、技能或成本。該特點將打破傳統的定價模式，并改變制造成本的計算方式。3-D打印技術還可按需打印，即時生產減少了企業的實物庫存，企業可根據客戶訂單定制特別或個性化產品。此外，3-D打印技術還可明顯減少廢棄副產品。傳統金屬加工中90%金屬原材料被丟棄，而3-D打印技術制造金屬制品時浪費量顯著減少，隨著打印材料的進步，“凈成型”制造可能成為更環保的加工方式。更主要的是，3-D打印技術還可制造出傳統制造技術無法制備的外形，人們可更有效地設計出所需產品[4]。
經過近年的不斷發展，3-D打印技術已基本形成了一套技術體系，可應用的行業也逐漸擴大，從產品設計到模具設計與制造、材料工程、醫學研究、文化藝術、建筑工程等，具有廣闊應用前景。
3 3-D打印技術在非醫學領域的應用
在國外，有關3-D打印技術的種種暢想令人心馳神往。美國一名槍械師利用塑料材質，通過3-D打印技術制造了一支AR-15突擊步槍，這支“打印步槍”原材料僅需30美元，可速射200發子彈。意大利一位設計師用沙子3-D打印出一立體建筑，并宣稱未來可能不需要工人和腳手架即可完成建筑修建。在日本，著名游戲制造商任天堂已開始通過3-D打印技術制造wii游戲機；知名的迪斯尼公司也已考慮用3-D打印方式制造玩具。如今，這種前沿的制造方式正改變著傳統制造方式，成為未來發展的趨勢[5]。
4 3-D打印技術在醫學領域中的應用
4.1 在骨科及口腔科的應用
由于打印材料的獨特性，3-D打印技術率先在骨科、口腔科廣泛應用。在骨外科中，由于骨病損形態各異，因此用于骨缺損修復的植入物只能“量體裁衣，量身定制”。既往術前對患者骨骼進行精確的在體三維測量非常困難，而3-D打印模型使個體化成為可能，真正實現了“私人定制”。在個體化人工關節置換、個體化接骨板、個體化骨盆修復等臨床手術中，3-D打印技術得到廣泛應用[6]。2009年，瑞士科學家Christian Weinand首次采用3-D骨骼打印機精確復制人拇指骨骼，該項技術的突破為采用患者自體細胞組織培育替換受損骨骼開辟了新途徑。金屬3-D打印將帶來口腔修復技術的一場革命。目前全球約有23 000名牙科醫生通過Cerec軟件幫助患者更快得到牙套；Cerec軟件是德國西諾德牙科設備技術公司開發的計算機三維系統，它通過對牙齒進行三維掃描，一次性自動完成最終牙套的制造。傳統口腔修復義齒（俗稱假牙）的制作需要先磨牙、印牙模，然后戴上臨時牙套1周才能裝上真牙套，患者需多次試戴和修整，周期長。而借助Cerec軟件，無需印模、戴臨時牙冠及復診，均通過電腦控制設備，牙冠修復從漫長的7 d縮短為30 min[7]。
4.2 在血管外科的應用
由于血管是相對于骨骼、牙齒較“柔軟”的器官，3-D打印材料限制了其在血管外科領域的應用；但3-D打印技術在血管外科領域也取得了一些令人驚喜的發展。德國弗勞恩霍夫研究所的一個小組，使用3-D打印技術和“多光子聚合”技術，成功打印出“人造血管”。打印時，打印機發出2束強激光，焦點對準同一分子；該分子同時吸收2個光子（即“多光子聚合”），之后變成一有彈性的固體，可用其制造高精度的彈性結構，即血管；打印使用的“墨水”是生物分子與人造聚合體。研究人員預想通過該過程打印的血管可與人體組織相互“溝通”，不會產生器官排斥反應。但能否真正做到無免疫排斥反應，還有待更深入研究。無論如何，這項技術將為血管外科發展帶來巨大變化，甚至是革命性變化。
此外在血管組織工程技術上，3-D打印技術在打印細胞、生物支架材料和細胞活性因子等方面取得了很大進步。1987年美國國家科學基金會正式提出和確定“組織工程”這一概念[8]，其核心是利用細胞生物學和工程學原理，在體外培養、擴增種子細胞，種植于生物相容性好、并可降解的生物材料上，形成細胞-生物材料復合物，植入體內與宿主組織融合生長，以達到對宿主組織結構的修復和功能重建。組織工程技術包含三大基本要素：種子細胞、細胞外基質替代物、細胞活性因子。雖然這種方法在構建結構簡單的空腔組織和器官方面取得巨大成功，但仍存在許多不足，特別是在構建內部結構復雜的組織和器官時，細胞無法精確種植至支架內部，只能隨機吸附于表面，細胞活性因子只能影響支架表面細胞的生長分化，很難對支架內部細胞活性進行控制。然而，我們應當看到其潛力，可采用3-D打印技術制造組織工程血管骨架，再在體外或體內構建成有活力的生物血管，也是可考慮的思路之一。
越來越多研究發現，3-D噴墨打印技術適用于打印細胞、生物支架材料、細胞活性因子和構建三維細胞-生物支架材料復合物，有望克服傳統組織工程方法的不足[9]。Zhao等[10]采用脂肪來源干細胞和纖維、膠原，利用體外低溫3-D噴墨打印技術與聚乙醇酸構建了可降解支架，且體外完成了向內皮細胞、平滑肌細胞的誘導分化。Ovsianikov等[11]應用激光3-D噴墨打印技術，將由丙烯酸酯化的聚乙二醇雙光子聚合技術構造而成的組織工程皮膚，通過激光誘導正向傳輸方式接種細胞，這樣可在細胞生存的溫和環境中構建三維水凝膠支架，減小細胞毒性。此外，Xu等[12]還利用3-D噴墨打印技術，體外用成纖維細胞和凝膠成功構建了三維曲折蜂窩管支架。Boland等[13]應用噴墨打印技術將牛血管內皮細胞與藻酸鹽水凝膠同步打印，形成內皮細胞-水凝膠三維復合物，掃描電鏡觀察發現內皮細胞黏附于水凝膠支架內部，且保持了良好的細胞活性。Lees等[14]應用3-D噴墨打印技術體外構建了三維聚乙醇酸支架，并將人胚胎干細胞種植于支架上，進行了大鼠肝臟小葉間移植，定期分化染色可見胰島淀粉樣多肽和肝細胞系蛋白質表達。因此，3-D噴墨打印技術在人類微血管組織工程中有巨大應用前景。
在國外，目前已有可吸收冠狀動脈支架應用于人體的報道[15-16]，外周血管可吸收支架在歐盟和美國已均在臨床試驗中。我們研究團隊也對該項技術進行了研究，并取得一些好的結果（圖 1～4）。目前我們正在對3-D打印技術打印可吸收支架進行研究，希望能在這方面取得突破。3-D打印技術可將支架材料與藥物混合打印，最終直接打印出所需的可吸收支架。
圖1
可吸收支架 ? ?3-D打印技術在組織工程的應用仍處于起步階段，還有許多問題亟待解決，如噴墨打印過程中熱能與流體力學對細胞生物活性的影響[17]。但我們相信，隨著3-D打印技術的完善以及打印材料的發展，在不遠的將來利用3-D打印技術構建的組織工程血管會應用于臨床。
此外，復雜腹主動脈瘤（瘤頸過短、累及腎動脈等）、夾層動脈瘤（累及主動脈弓三分叉等）是血管外科面臨的巨大挑戰。術中往往要選用分支型或開窗型支架以保證主要動脈的供血，要求術前準確測量、術中準確釋放。而采用3-D打印技術，術前可精確制備動脈瘤模型，使治療更“專業化、個體化”，同時保證術中支架準確釋放，醫生不僅可進行更為細致的手術規劃，甚至可進行手術操作演練。
5 展望
3-D打印技術是一項具有工業革命意義的高新制造技術，代表了世界制造業發展的新趨勢，目前受到越來越多的關注。隨著國內外3-D打印技術的迅猛發展，該項技術已應用于多個領域。但當前3-D打印技術也面臨多方面挑戰，如成本、材料、精度和速度等，還需要進一步發展與完善。我們相信在不遠的將來，3-D打印技術可在醫學領域獲得突破性發展，在血管外科領域得到廣泛應用。
