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3D打印技术在医学相关领域的应用现状及展望

2021-09-22 234 上传者：管理员

摘要：本文就3D打印技术的概念、优势以及在临床实践、医护教学、医疗设备研发中的应用现状进行综述,阐述3D打印技术在医学相关领域应用中的优势及其局限性,为3D打印技术在医学相关领域的应用与研究提供参考。

关键词：
3D打印技术
三维数字化模型
医学领域
医疗设备
医疗防护物资
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随着3D打印技术的日趋成熟，其触角开始伸向医学相关领域，不断显示出其强大的优势和潜力，尤其是在新冠疫情暴发期间，3D打印技术被应用于医疗防护物资生产和改良设计，有效提高了生产效率，降低了生产成本，确保了医疗防护物资的供应，最大程度惠及一线医护人员和新冠肺炎患者，进一步说明了其在医学相关领域中广阔的应用前景。然而3D打印技术作为一项新兴技术，在医学相关领域的应用研究还处于初步发展阶段，相关技术和不足之处仍需进一步改进。笔者查阅国内外研究报道，就3D打印技术在医学相关领域中的应用研究现状进行综述，以期更好地促进其技术的完善与应用。

1、3D打印技术的概念及优势

3D打印技术又被称快速成型技术，是以三维数字化模型为基础，运用逐层制造方式，将3D数字模型转换成立体实物模型的数字化制造技术[1,2,3]。3D打印技术作为新型的高科技技术，因其应用的广泛性、价值性和普及性，在众多领域中均取得了令人瞩目的成就。近年来，随着打印设备和打印材料不断研发，该技术在医学相关领域中的应用也得到了一定的发展，有望成为推动医学模式创新的关键要素。一方面，3D打印技术降低了生产难度，提高了生产效率，缩短了交付时间，进而有效控制生产成本，大大增加医院的社会经济效益;另一方面，将其应用于临床不仅能够优化医护人员的临床教学培养方案，也能够针对患者的不同需求突破传统设备的使用方式和规格局限，为患者提供精准化、个性化的治疗方案，从而促进患者快速康复。可见，3D打印技术在医学相关领域中的应用极富潜力和优势，是医学创新发展的新引擎。

2、3D打印技术在临床实践中的应用

2.1 外科手术方面

3D打印技术通过获取患者影像资料打印其病变部位的3D模型，有助于医护人员全面了解其病变部位及复杂的解剖结构，从而规划并优化手术方案、制定导航板等，促进患者术后恢复和功能锻炼。3D打印导航板对辅助肿瘤切除有正向意义，吴蓓蓓等[4]采用1∶1的3D模型进行术前演练，规划手术路径及确定肿瘤切除范围，充分评估手术风险及制定应急预案，采用3D打印技术结合3D胸腔镜技术行胸部肿瘤手术，10例患者肿瘤均得到根治性切除，预后良好，无一例复发转移。孙春山等[5]将3D打印技术应用于后腹腔镜下行肾部分切除术，观察组于术前进行肾脏3D模型宣教，对照组采用CT宣教，两组均在健康教育基础上给予手术指导，研究结果显示，观察组的疾病认知、手术时间、GFR下降值等均优于对照组。此外，3D打印技术应用于外科重建手术效果极佳，与传统手术相比，可提供高度吻合的修复假体[6,7]。3D打印技术在肿瘤外科手术方面有切实的临床效果，缩小了医生对病灶定位的误差，能有效规避手术风险。

与传统影像资料相比，3D模型能够提供更详细的解剖信息，清晰显示局部病损情况，并能根据所获取的信息设计辅助器械。张君莉等[8]将3D打印改良耳罩应用于先天小耳畸形全耳廓再造术，对照组术后予以传统低温热塑板耳罩，观察组术后使用3D改良型医用耳罩，观察组术后不良反应和睡眠质量改善情况均优于对照组。成丽等[9]采用3D打印设计的QF新型固定器应用于3例股骨骨折患者，结果显示与传统固定器相比QF新型固定器术后复位良好，固定稳固，无并发症，对患者后期康复和功能训练大有裨益。此外，3D打印技术应用于构建手术方案也取得初步成效，You等[10]研究发现，采用CT+3D重建构建方案组手术时间、出血量、透视次数等均较采用CT构建方案组明显减少，与Zheng等[11]研究结果一致。3D打印机技术可精确规划手术路径和导航外科手术，较好地构建手术方案，实现个体化定制，最大限度地减少术后并发症。

2.2 健康宣教方面

3D打印模型可帮助医护人员与病人及家属进行有效沟通，使其更直观地了解疾病过程、手术方案、风险系数和预后等。Rankin等[12]认为3D打印技术可用于健康宣教与围手术期计划制定。Zhuang等[13]研究结果表明，与CT、MRI相比，3D模型个性化宣教方案让患者接受能力、对疾病本身和手术方案理解能力均处于较高水平。Richard等[14]回顾性分析显示，3D打印气管模型作为健康宣教工具向病人和家属介绍有关气道狭窄的解剖结构和程度、手术方案等细节，有益于其理解复杂的重建过程。Shafkat等[15]通过打印的3D心脏模型向患者及家属提供咨询建议，显示该模型对提高患者及家属在解剖学理解上非常有帮助。Biglino等[16]报道，73%患有先天性心脏病儿童的父母认为3D模型有助于他们了解孩子的心脏疾病。作为一种新型医患沟通工具，3D模型凭借其具体化的特点，从本质上简化了对话流程，增强了医患之间的沟通效果。

2.3 多学科合作方面

多学科合作是以不同专业为小组，利用各专业特长，为患者提供个体化、全方位、精细化的医疗服务。吴信等[17]组建多学科合作团队，联合3D打印技术精细化、优化手术方案，提高医护人员对手术整体的把控，使各学科分工明确，效率提高，一定程度上降低了脊柱手术难度。徐敏等[18]在多学科合作的基础上，结合3D打印技术为患者制定个性化的康复治疗方案，充分发挥各专科护士和康复师的专业优势，全程提供疼痛、伤口、饮食和功能训练等全方位的康复指导，促进患者快速康复，与彭翠娥等[19]研究一致。3D打印技术联合多学科团队密切合作、优势互补，改善临床结局，有利于改善患者病情。

3、3D打印技术在医护教学领域中的应用

3.1 课堂教学方面

UgidosLozano等[20]探讨3D模型在解剖教学实践中的实用性，对280名学生进行颅骨和下颌骨3D模拟展示，与传统解剖教学相比反馈较好，不同专业学生对使用3D模型情况给予了积极评价。朱菁菁等[21]把52名学生随机分为对照组和试验组，每组26名，对照组采用传统教学，试验组采用3D打印技术教学，结果显示试验组在理论、操作和记录书写等综合成绩方面均优于对照组。李容杭等[22]采用随机对照试验方法对30名学生进行为期3个月的3D打印技术联合常规教学，实践证明相较于传统教学，学生的学习能力、学习兴趣等明显提升，与谭启明等[23]研究结果一致。3D打印技术应用于课堂教学效果显而易见，但目前仅以解剖教学为主，其他领域教学还有待实践。

3.2 临床培训方面

Olivieri等[24]通过使用10分Likert量表评估多学科团队在PCICU环境中应用3D模型评估对术后护理模拟培训的影响，结果发现护士在术后管理病人能力、解剖结构描述、知晓手术程序和并发症处理能力方面均明显提高。万昌丽等[25]通过纳入70名低年资护士研究发现，与常规教学相比，实施3D打印技术结合PBL与CBL教学法，可提高低年资护士专科理论、操作等综合能力，增强护士的主观能动性。Biglino等[26]通过对100名护士进行为期5d的心脏3D模型教学以评估护士在心脏病学课程中使用3D模型的可行性，结果显示大部分护理人员认可该项技术，可帮助他们理解复杂的解剖结构和空间定位。Thielen等[27]研究认为3D打印制作的新生儿病人模拟器(neonatalpatientsimulators,NPS)可作为新生儿科医护培训工具，与传统教学工具相比NPS更为逼真，可为按压过程提供定性分析，检测到心脏按压时的心输出量，为临床医护人员诊疗和护理观察提供更多的便利。Goudie等[28]认为3D打印用于介入性放射学训练，操作者可在透视下优化排练程序，有效缩短手术时间和接触辐射时间。3D打印技术可直观清晰显示病变部位与局部解剖结构的复杂关系而使医护对患者病情有系统深入的理解，具有较高的实用性与可操作性。

上述研究表明，3D打印技术可制作高度仿真人体组织和器官的3D模型，与传统实体标本相比，可避免伦理方面的缺陷，且有一定的经济价值。3D打印技术应用于医护教学能促进医学解剖教学模式创新和优化医护培训方案，增加学生的学习热情，帮助其理解复杂的解剖结构和生涩理论知识。同时3D模型能激发临床医护人员的主观能动性和创新性，从而设计出精准化、个体化的诊疗方案，增强临床应用效果。

4、3D打印技术在医疗设备研发中的应用

3D打印技术已用于义齿、义肢、助听器等方面的设计制作。Romano-García等[29]为解决肠内营养喂养困难，运用3D打印设计了一款输注肠内营养液的手动泵，便于病人转运和移动，具有给药简单、改进标准营养支持等优势，提升了护理人员的工作效率，促进了病人自我护理和自主性。Hiroki等[30]基于红外传感器设计的3D打印可穿戴智能设备，佩戴在耳朵上，从鼓膜跟踪核心体温，该设备监测精确，不会因患者活动和所处环境而改变监测效率。Hiroki等提出，用于测量HR、SpO2、脑电图等其他重要信号的传感器也可以集成到3D打印可穿戴设备平台上，可实时、有效、全面地监测其健康和生理状态。

3D打印技术改良设计的医疗效设备，使患者活动更加便利，增强舒适度。此外，改良设计的医疗设备，在具体应用中给医护人员带来诸多便利，可有效预防职业风险。宋继红等[31]用3D打印制作的新型软包装安瓿模型，对塑料安瓿开口进行改良设计，有助于医护人员有效避免针刺伤。李旻杭等[32]用3D打印技术设计出防护型针帽架，作为一种预防医护人员在套回针帽过程中发生针刺伤的防护工具，对于减少医护人员职业暴露有较好的效果。上述实践证明，3D打印技术用于医疗设备的研发补充了传统医疗在私人定制这一领域的缺失，医院应为临床科研人员提供更多学习3D打印知识的机会和平台。

5、小结与展望

3D打印技术已在医学相关领域中展现出广阔的应用前景，不仅涉及肿瘤外科手术、骨科手术和多学科合作等方面，也涉及健康宣教;不仅创新了医护教学模式、优化了医疗设备研发生产流程，也能针对患者不同需求与特点，为其提供个性化、精准化的医疗服务，在一定程度上推动了传统医疗模式向智能化、高效化、专业化模式转变。但3D打印作为一项新兴技术，其在实际应用中仍存在诸多不足。(1)原材料方面:因其研发难度大，技术依赖性强，制作成本较高，限制了3D打印技术的规模化应用;(2)行业标准方面:目前无统一的技术标准，缺乏完善的评价体系、技术指南和相关法律法规，存在医疗安全隐患;(3)医护人员方面:一线医务人员对3D打印技术认知相对薄弱，缺乏三维数据转换技能，一定程度上制约着临床应用和推广;(4)伦理和知识产权保护方面:涉及人体组织器官打印伦理、知识产权保护方面的相关制度亟待完善。

针对上述问题，笔者认为应采取下列举措对3D打印技术进行完善，以满足其对医护领域未来发展的支撑和引领作用。(1)原材料方面:应着力于研发可用于医疗各领域的3D材料，解决原材料昂贵等问题;(2)行业标准方面:积极参与相关法律法规、技术指南等方面的审议、修订，完善相关法律法规，制定出统一的行业标准，解决潜在的医疗安全隐患;(3)医护人员方面:管理者应组织3D打印技术方面专家对医护人员进行相关知识培训，夯实人才队伍建设;(4)伦理和知识产权保护方面:建立符合国情的伦理、知识产权保护方面的相关制度，促进该技术在医学相关领域的普及应用。总之，在今后的研究中，需要社会各界通力合作，通过科学循证总结，规范技术流程，完善相关制度，制定出具有个性化特色的集束化、标准化的疗效评价体系，促进3D打印技术在医学相关领域的推广应用。

参考文献:

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