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3D打印渐入深圳临床应用 多用于手术方案设计

从去年开始,深圳多家医院的骨科和骨伤科有数十例手术是在3D打印技术的帮助下顺利完成。(朱洪波 摄)

在深圳市中医院骨伤科彭力平主任的办公桌上,放着一副踝部的骨骼模型,它不是一般的教具,而是一名患者骨骼的高仿复制品,连细小的骨骼裂纹都显示得清清楚楚——这是利用3D打印技术打出的一位胫腓骨下段粉碎骨折患者术前的同比例骨骼实物模型。利用此3D模型,患者对自己病情有了直观的认识,而彭力平也依据模型对患者评估病情、计划手术、选备钢板螺钉,还对钢板进行了塑形处理,使之更加帖服骨骼。最终,顺利完成了手术。

作为一项前沿的制造技术,“3D打印”已逐步应用于航天军工、模具制造、动漫制作等领域。如今,这项新技术也应用到了生物医学上。3D打印技术应用于临床,促进了手术方案的细化,提高了手术效率和质量,减少了出血和感染。

记者了解到,从去年开始,深圳市中医院、市二医院、南山人民医院、蛇口人民医院、龙华人民医院等医院骨科和骨伤科有数十例手术在3D打印技术的帮助下顺利完成。不过,目前深圳3D打印技术在临床上的应用仍处于初级阶段,主要打印的模型为脊柱、骨盆、骨关节等复杂性骨科手术设计方案,或者打印口腔和牙齿,而这在全国来说也是如此。而最令人期待的3D打印肝脏、心脏等人体器官在我国仍不能实现,还需要3D打印技术和组织工程学的进一步发展。

骨科手术多现3D打印技术

一个星期前,51岁的罗女士在楼梯上跌倒受伤,诊断为胫腓骨下段粉碎骨折。为了让手术做得更好,彭力平在手术前根据罗女士踝部骨骼打印出立体的同比例骨骼实物模型,利用此模型,罗女士对病情有了直观的认识,医生依据模型评估病情、计划手术、选备钢板螺钉,还对钢板进行了塑形处理,使之更加帖服骨骼。

“3D打印技术应用于临床,促进了手术方案的细化,提高了手术效率和质量,减少了出血和感染。”彭力平说,目前该院骨伤科有十多例手术在3D打印技术的帮助下顺利完成。

类似塑料的骨骼是怎样打印出来的呢?深圳市中医院信息科工程师叶辅韬透露,首先,对伤肢进行CT扫描和影像三维重建,然后将获取的数据输入3D打印机,打印材料来自于玉米籽,是一种十分环保的材料,而打印出来的骨头栩栩如生。

记者了解到,从去年开始,深圳市中医院、市二医院、南山人民医院、蛇口人民医院、龙华人民医院等近十家医院的骨科和骨伤科有数十例手术在3D打印技术的帮助下顺利完成。3D打印技术在治疗复杂性骨科肿瘤上更加体现出其长处。

20余岁的李先生患先天性多发骨软骨瘤病,20多年来,由于生长在双侧股骨颈周围的骨软骨瘤,患者的髋关节发育受到极大影响,出现畸形,尤其左侧髋关节出现疼痛、活动受限伴跛行,患者的日常生活受到严重影响。

去年12月,李先生到南山人民医院就医,该院骨一科主任马楚平给予患者认真细致的体格检查,在全科病例讨论时提出,基于患者髋关节发育的异常和多发骨软骨瘤的存在,关节已严重破坏,必须进行人工全髋关节置换术。“通常人工全髋关节置换必须进行正确的截骨、调整好股骨颈的前倾角、牢固的安放好人工髋臼,否则,人工关节容易发生术后脱位和关节松动等,造成手术失败。”马楚平说,然而,通过影像学的检查发现,患者左侧股骨近端严重变形,髋臼变大变浅,一些正常的解剖结构无法辨认,这给手术带来极大的困难。

为了顺利完成手术,马楚平决定通过3D打印技术辅助来完成该复杂而困难的手术。在调取了患者的CT数据资料后,骨一科找到一家公司无偿将患者的髋关节制作成3D模型,通过该模型的观察和测量,初步了解了术中将要遇到的情况,预设了手术方案。结果,在手术中发现,患者髋关节确如术前预计的一样,存在严重的畸形,解剖结构完全无法辨认。“好在术前进行了周密的设计,并在术中认真比对3D模型,最终手术顺利完成。”马楚平说。

3D打印可节约患者医疗成本

3D打印,即快速成型技术的一种,它是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可黏合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印技术出现在20世纪90年代中期,3D打印技术在重建物体的几何形状和机能上已经达到了一定的水平,几乎任何静态的形状都可以被打印出来。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工(AEC)、汽车,航空航天和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。国内一些大医院骨科已尝试了利用3D打印技术在创伤骨折中的复位和固定的手术辅助,取得较好效果。

“深圳医院目前开展的3D打印技术还只是初级阶段,只是打印模型进行手术方案的设计,打印出的模型并没有通过手术植入人体。”彭力平说。目前,临床上使用3D打印技术主要是脊柱、骨盆、骨关节等一些复杂性骨科手术和齿科。不过,利用3D打印技术制作个体化的植入物,如人工关节等,已经在国内一些企业实现并应用于临床。早在几年前,由于临床的需要,一些医疗器械生产企业使用钛合金、钴铬钼合金、生物陶瓷和高分子聚合物等材料通过3D打印骨骼、软骨、关节、牙齿等一些个性化定制的产品。

记者了解到,目前3D打印技术并不应用于人体上,不涉及技术准入,所以国家卫计委和国家食药监局没有出台相关政策。在欧美等国,已有了很规范的定制化产品管理方式,而3D打印的个体化定制产品目前在我国还没有途径申请审批,也无相关产品的规范,现有的医疗器械管理条例于2000年开始执行,当时并无涉及3D打印的规定,这势必会影响3D打印技术更好地为病人服务,值得引起更大的关注。深圳多名骨科医生表示,政府应该鼓励使用并推广这项新技术,同时严控质量,包括完善医疗器械监督管理条例,加强行业管理和规范,鼓励创新和临床转化。

深圳市第二人民医院骨科主任、深圳市骨与软组织肿瘤协会常委曾腾辉说,使用这种技术可以打印“鼻子”“耳朵”,用于因车祸受伤等造成的修复,不过,这就涉及医疗器械准入的问题,还涉及医学伦理问题。

深圳蛇口人民医院骨科主任栗志辉也表示,目前骨科手术用的钢板和螺丝钉只有几大类,进行手术时骨科医生只能靠经验选择曲度及长度最适合病人的型号,“如果今后能使用3D打印材料植入,可提前定制基于个人信息的钛钢板、钛钢钉,手术中直接使用,能降低手术风险。”还能大大节约患者的医疗成本。“比如恶性肿瘤患者切除骨盆后,要换上人工合金半骨盆,由于要算上制作所耗损的材料,总价要20万元。但3D打印制造出符合患者的骨盆,费用只需几万元。”栗志辉说。

由于3D打印出的模型不属于医疗器械的范畴,3D打印技术也尚未纳入临床医疗服务项目,临床上进行的3D打印技术都还没有收费。“购买一台3D打印设备要花十万至数十万元不等,而打印出一副3D骨骼的成本为几百元不等。”彭力平说,作为打印原料的进口玉米籽每公斤在千元左右,以打印手掌为例,一个手掌大约需要花费200克原料。不过,由于3D技术还是一个新事物,目前物价部门也没有定价,因此,医院的这个服务对于有需要的患者还是免费提供的。

国外已成功打印器官用于临床

无疑,3D打印技术将给生物医学行业带来重大的改变,如同互联网信息技术改变如今人们的生活一样。

虽然骨科手术已经走在科技前沿应用推广3D打印技术,但不得不承认的是,生物医学领域运用3D打印技术来为人们提供便利仍有很长的路要走。“目前生物3D打印技术主要运用在骨科、口腔科等,短期来看,还处于3D打印技术临床应用的初级阶段。”彭力平说,原因主要在于,首先目前3D打印在医疗上的应用还处在实验阶段,只能打印手术模型,还不能植入人体。其次,医疗器械行业有它的特殊性,一些企业利用3D打印技术定制的个性化产品要运用到人体上,还需要大量的国家审批手续。

深圳创新设计研究院创新应用研究所所长焦丽华介绍,3D打印技术在医疗领域的应用可分为生物类打印和结构类打印,生物类打印包括细胞打印、组织工程打印等。目前应用发展迅速的是结构类打印,“如气管支架打印、骨骼打印、脊柱打印等,均成功应用于医疗手术中。”焦丽华说。

而最具想象空间、最令人期待的是3D生物打印技术。其利用干细胞为材料,按3D成型技术进行制造,一旦细胞正确着位,便可生长成人体器官,而“打印”的新生组织会形成自给的血管和内部结构。焦丽华说,国外已经成功打印出了包括血管、人耳、骨骼、肝脏以及心脏等器官,部分取得了临床试验的成功。

此项技术最令人鼓舞的前景是利用具有生物活性的组织、细胞打印出所需要的器官进行置换。不过,这一技术我国还是空白的,还不能打印人体器官和组织。彭力平表示,要完成这一飞跃,不但需要3D打印技术本身的进步,还冀望于组织工程学的进展。