浙江省腫瘤醫(yī)院&浙大：《nature communications》打造全新3D打印肝臟模型

來(lái)源： 浙江省腫瘤醫(yī)院新聞中心

近日，浙江省腫瘤醫(yī)院肝膽胰外科張宇華教授課題組攜手浙江大學(xué)趙騫/吳晶軍教授團(tuán)隊(duì)共同研發(fā)了一種高度個(gè)性化的新型軟性3D打印肝臟模型，有助于進(jìn)一步提升手術(shù)的精準(zhǔn)性和安全性。該研究獲國(guó)際3D打印專(zhuān)家的支持，研究成果發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊nature communications。

現(xiàn)有的術(shù)前評(píng)估和規(guī)劃主要依賴二維影像（CT/MRI）及三維可視化技術(shù)，但存在一定的局限性。例如，三維重建模型僅能在二維屏幕上展示，只具備整體旋轉(zhuǎn)功能，無(wú)法模擬真實(shí)手術(shù)過(guò)程中肝臟由于游離、牽拉等操作引起的局部形變。相比之下，3D打印實(shí)物模型不但可以直觀展示肝臟內(nèi)部的脈管結(jié)構(gòu)和病灶，外科醫(yī)生還可以通過(guò)觸摸、旋轉(zhuǎn)、擠壓、牽拉等方式全面了解不同形態(tài)下各個(gè)結(jié)構(gòu)的空間位置關(guān)系，為解決實(shí)時(shí)場(chǎng)景中的問(wèn)題提供了有力支持。

然而，目前的肝臟3D打印模型模量遠(yuǎn)高于真實(shí)肝臟，相差1~2個(gè)數(shù)量級(jí)，質(zhì)地與真實(shí)肝臟相去甚遠(yuǎn)。此外，這些模型只能進(jìn)行一次性切割，成本高昂，消耗巨大，大大限制了它們?cè)趯?shí)際臨床實(shí)踐中的應(yīng)用。

近日，浙江省腫瘤醫(yī)院肝膽胰外科張宇華教授團(tuán)隊(duì)攜手浙江大學(xué)趙騫/吳晶軍教授團(tuán)隊(duì)在Nature Communications（綜合性期刊一區(qū)TOP，IF=16.6）雜志在線發(fā)表了題為“3D printing of self-healing personalized liver models for surgical training and pre- operative planning”的研究成果。通過(guò)改良3D打印材料及方法，研究團(tuán)隊(duì)共同研發(fā)了一種高度個(gè)性化的新型軟性3D打印肝臟模型，其模量接近真實(shí)肝臟。該模型在進(jìn)行切割后能夠在室溫下迅速修復(fù)，支持反復(fù)多次切除，有望解決目前存在的痛點(diǎn)問(wèn)題，推動(dòng)3D打印實(shí)物模型在肝臟外科實(shí)踐中的應(yīng)用，進(jìn)一步提升手術(shù)的精準(zhǔn)性和安全性。

張宇華教授與趙騫/吳晶軍教授團(tuán)隊(duì)合作基礎(chǔ)深厚，長(zhǎng)期致力于醫(yī)工交叉領(lǐng)域的研究，先后合作發(fā)表多篇SCI文章。在雙方日常溝通討論中，張宇華教授指出目前3D打印肝臟模型存在的一些問(wèn)題，而趙騫/吳晶軍教授則從化學(xué)材料的角度出發(fā)，提出了相應(yīng)的解決辦法。趙騫/吳晶軍教授團(tuán)隊(duì)提出高仿真肝臟模型的彈性體樹(shù)脂的材料設(shè)計(jì)需同時(shí)滿足以下特點(diǎn)：模量/粘彈性等力學(xué)性能可調(diào)、高效的室溫自修復(fù)性能、快速光固化、無(wú)需復(fù)雜化學(xué)及成本低。

他們選擇兩種常見(jiàn)的丙烯酸酯單體作為打印前驅(qū)液，發(fā)現(xiàn)固化后的彈性體能較好地模擬肝臟的生物力學(xué)特征。結(jié)合CT三維成像技術(shù)和數(shù)字光投影3D打印，實(shí)現(xiàn)了3D打印肝臟模型的快速個(gè)性化定制。由于不含有化學(xué)交聯(lián)劑，線性的高分子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更有利于鏈段的自由運(yùn)動(dòng)及相應(yīng)的自修復(fù)行為，適合用于制作自修復(fù)肝臟模型。

（自修復(fù)彈性體設(shè)計(jì)及力學(xué)性能）

自修復(fù)肝臟模型的制作包括CT掃描、三維數(shù)字模型構(gòu)建以及3D實(shí)物模型打印，在不斷優(yōu)化的流程下，現(xiàn)在成功制作一個(gè)模型僅需1-2天的時(shí)間。普通外科手術(shù)刀和超聲刀均可在模型上進(jìn)行切割，修復(fù)后的模型能夠迅速恢復(fù)至初始狀態(tài)，具備耐受牽拉、扭曲等操作的能力，而這些操作引起的內(nèi)部管道形變也與真實(shí)肝臟的形變相近。

（自修復(fù)肝臟模型制作過(guò)程及自修復(fù)性能）

局部切除和解剖性肝切除是臨床實(shí)踐中最常用的兩種手術(shù)方式，張宇華醫(yī)生團(tuán)隊(duì)在自修復(fù)肝臟模型上進(jìn)行了相應(yīng)的測(cè)試。結(jié)果顯示，通過(guò)切割-修復(fù)-再切割的方法，醫(yī)生在模型上可以進(jìn)行反復(fù)試錯(cuò)，不斷探索最佳的手術(shù)路徑。在兩種場(chǎng)景下，最終均能夠?qū)崿F(xiàn)腫瘤的完整切除，并保護(hù)關(guān)鍵解剖結(jié)構(gòu)免受損傷。

（肝臟兩種常見(jiàn)手術(shù)方式模擬）

為了初步探索自修復(fù)肝臟模型在臨床實(shí)踐中的應(yīng)用價(jià)值，張宇華醫(yī)生團(tuán)隊(duì)展開(kāi)了一項(xiàng)探索性的臨床研究。借助前述的流程優(yōu)化，趙騫/吳晶軍教授團(tuán)隊(duì)能夠在患者完成術(shù)前CT檢查后快速制作自修復(fù)肝臟模型。在獲得模型后，張宇華醫(yī)生團(tuán)隊(duì)首先在模型上進(jìn)行模擬手術(shù)，通過(guò)切割-修復(fù)-再切割的不斷試錯(cuò)，探索最佳手術(shù)路徑，并結(jié)合常規(guī)的術(shù)前評(píng)估（CT/MRI影像和三維重建模型），制定最佳手術(shù)方案。初步結(jié)果表明，自修復(fù)肝臟模型的引入降低了術(shù)中意外情況的發(fā)生，進(jìn)一步提升了手術(shù)的安全性。

（自修復(fù)模型模擬手術(shù)和真實(shí)手術(shù)）

在本研究的發(fā)表過(guò)程中，受益于多位審稿人提供的寶貴意見(jiàn)和建議。值得一提的是，其中一位審稿人是來(lái)自希臘亞里士多德大學(xué)的Georgios Tsoulfas教授，他是《3D Printing: Applications in Medicine and Surgery》一書(shū)的編輯。本研究結(jié)果得到了國(guó)際3D打印專(zhuān)家同行的支持，標(biāo)志著我們的研究達(dá)到了國(guó)際前沿水平。同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)基于該項(xiàng)研究成功獲批了2024年度浙江省“尖兵”“領(lǐng)雁”研發(fā)攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目，相關(guān)專(zhuān)利也正在申請(qǐng)過(guò)程中。我們希望將這些成果進(jìn)一步推進(jìn)，促使3D打印實(shí)物模型在外科手術(shù)中得到更廣泛的應(yīng)用。