3D打印技術在耳鼻咽喉科領域的研究現狀

3D打印技術被認為是制造業(yè)的一次革命。基于計算機技術的發(fā)展、生產工藝的進步和新型材料的問世，目前3D打印已經在包括生命科學在內的多個領域獲得長足進步在生物醫(yī)學領域．其發(fā)展過程是從早期的探索性術前模型復制，到成功打印適形性假體修復骨質缺損，再到目前多種新型醫(yī)用材料乃至細胞制備技術，在醫(yī)學修復的應用領域取得了可喜的進展。南極熊接下來為大家介紹近年來3D打印技術在生物醫(yī)藥領域的研究與進展，介紹其在耳鼻咽喉頭頸外科領域研發(fā)現狀。

3D打印技術是一種基于預先設計，通過特定材料的逐層添加，構建三維物體的變革性、數字化制造技術。該技術在20世紀80年代由美國麻省理丁學院率先提出，如同許多開創(chuàng)性技術一樣．早期的3D打印技術因工藝復雜、效率低下、設備昂貴、成品粗糙而未能推廣。近年來，隨計算機技術的進步，借助于新型設計軟件的開發(fā)以及新材料、新工藝的應用，3D打印技術在多個領域得以迅速發(fā)展。

3D打印技術的基本原理、制造過程及主要類型   
根據“分段制造、逐層疊加”的原理．3D打印工作流程分為3步。

第1步為圖像獲取。通過光學掃描或全息照相獲得人體的影像數據，而體內部分可以通過CT、MRI甚至正電子發(fā)射計算機斷層顯像（positron emission tomography，PET）來獲得高分辨率和高對比度的醫(yī)學影像資料。

第2步為圖像后處理。光學掃描或全息照相可以獲得標準的3D模型文件（stereo lithography，STL）格式；CT、MRI、PET等醫(yī)學影像學獲取的數據通常儲存為醫(yī)學數字影像和通信標準（digital imaging and communications in medicine，DICOM）格式，此格式文件進行數據轉化后被讀取，實現目標物體3D切分和可視化，并用計算機輔助設計（computer aided design，CAD）模型最終輸出至3D打印設備。

第3步為快速成形。即將CAD數據轉化為三維實際物體，最終實現計算機輔助制造（computer aided manufacturing，CAM）。

   

根據成型技術的原理及打印材料的不同，可將3D打印技術細分為以卜幾種模式：光固化立體印刷（stereolithography apparatus，SLA），熔融沉積成型（fused deposition modeling，FDM），選擇性激光燒結（selective laser sintering，SLS），分層實體制造（laminated object manufacturing，LOM），噴墨印刷（inkjet printing）等。在實際應用時，將根據打印材質的不同和打印精度、假體強度的差異而選擇不同的打印模式。

3D打印在耳鼻咽喉頭頸外科領域的研究與應用   
1、耳外科解剖訓練及醫(yī)學教育：顳骨是人體內最為復雜的骨骼系統(tǒng)，其內不僅有錯綜的骨性和軟組織結構，而且包括有許多精細的含氣與含液問隙。其中包含面神經、頸內動靜脈、耳蝸、前庭與半規(guī)管等重要的結構。由于顳骨內結構的個體差異較大，解剖變異時有發(fā)生。熟練掌握顳骨解剖是耳科醫(yī)生的必備技能，然而由于其立體形態(tài)不規(guī)則、微觀結構精細復雜，傳統(tǒng)二維圖像示教具有相當的局限性，而解剖材料（尸頭）的極度匱乏，使得實體顳骨解剖的訓練難以推廣。長期以來，熟練掌握顳骨手術的解剖結構一直是制約耳科醫(yī)師技能發(fā)展的瓶頸。   

自3D打印技術問世以來，外科解剖訓練領域也已有長足進步。Vorwerk和Begall利用顳骨CT掃描數據，結合CAD技術，使用SLA技術制作了最早的人體顳骨模型，并用于基本的顯微解剖練習和手術操作模擬。其后Suzuki等通過高分辨CT掃描，使用SLS技術制作更為精細的顳骨模型，并可使用傳統(tǒng)手術器械在顯微鏡下進行解剖和手術練習。2012年，美國華盛頓大學的Monfared等報道通過3D打印技術制作了高保真且成本低廉的手術用中耳模型，并采用不同材質分別模擬骨質和軟組織該模型在精細度、真實性和力學觸感反饋方面表現良好，得到業(yè)內的認可，并建議將此納入住院醫(yī)師訓練指南。此外，3D打印亦可精確放大展現微觀結構，德國漢堡Wulf等以高分辨μCT采集人類聽小骨，采用該技術制作放大20倍的塑料解剖模型，達到完美精確展示聽小骨結構的示教效果。

2、術前虛擬現實與3D建模：3D打印技術還可用于手術汁劃或虛擬建模，即手術前“帶妝彩排”。外科醫(yī)師會使用與他們即將實施手術的同尺寸的器官和部位進行操作訓練，使得術者預先“胸中有丘壑”。3D手術演練可縮短手術時間，發(fā)現術中可能發(fā)生的問題并預測手術結局，避免潛在風險，確實提高手術質量和安全性。如芬蘭奧盧大學耳鼻咽喉科醫(yī)生在一例復雜電子耳蝸植入術前，提取患者顳骨高分辨CT數據，利用SLA技術復制出其顳骨模型，精確顯示了面神經管、橢圓窗、圓窗等結構，進行了術前模擬，降低了手術風險。除此以外，手術建模還有助于醫(yī)生向患者及家屬進行必要的術前溝通。

3、骨組織缺損的填充與修復：頜面部大塊硬組織（如下頜骨、上頜骨）缺損后的修復常規(guī)用自體腓骨或髂骨進行，其“拆東墻補西墻”的弊病不言而喻。隨著人造骨骼研究的深入，3D打印技術在處理人體骨骼復雜曲面，外形差異方面顯現出獨特優(yōu)勢。除可直接打印高生物相容性鈦金屬骨贗覆體并根據孔隙率大小，調節(jié)盤架材料粉末粒徑外，還可通過改變切層的填充方式來調整孔隙率和微孔徑，構建適應細胞生長的活性支架。現已成功制作出下頜骨、椎骨等，并初步用于臨床。

運用計算機輔助，設計制成與患者下頜骨缺損區(qū)正常外形相同的個體化鈦贗復體并予以術中植入，術后患者面部外形恢復正常，咬合關系及張口度恢復良好。比利時Hasselt大學BIOMED研究所運用SLS技術，利用數控激光使得逐層疊加的鈦粉粒子準確融合，打印出與外形完全一致的下頜骨，輔以表面噴涂生物陶瓷層，以降低排斥反應；其后與荷蘭外科醫(yī)生合作，成功為一位83歲的患者植入了3D打印的鈦質下頜骨。由于羥基磷灰石（hydroxyapatite，HA）具有優(yōu)良的骨誘導性能，因此HA與光敏高分子一起作為原料，用于制備具有生物活性的骨組織工程支架。日本東京醫(yī)科大學的Matsuo等以聚L-乳酸／HA（PLLA/HA）為原料，使用SLA技術制作制備了可吸收多孔托架，輔助牙齒移植材料一起，用于下頜骨腫瘤切除后的下頜骨重建，獲得了比金屬鈦支架更好的修復效果，請關注南極熊3d打印網。

延伸閱讀：
3d打印助力醫(yī)口腔醫(yī)學，完美打印牙齒
3D打印應用不斷擴張 口腔修復領域優(yōu)勢凸顯
來源：中華耳科學雜志