3D打印技術(shù)在保乳手術(shù)中應(yīng)用進(jìn)展

作者：張聚良，延常姣，黃美玲，凌    瑞
作者單位：空軍軍醫(yī)大學(xué)西京醫(yī)院甲乳血管外科  

3D打印屬于增材制造技術(shù)的范疇，與平面打印類似，只不過3D打印采用的“墨水”是各種材料：陶瓷、塑料、金屬、生物材料甚至生物活細(xì)胞等。相比于傳統(tǒng)的制造方式，3D 打印的優(yōu)勢在于精度高，適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的物體，便于個性化制造等。隨著人們對個體化、精準(zhǔn)化治療要求的提高，這項(xiàng)新技術(shù)的制造技術(shù)逐漸被應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，為醫(yī)學(xué)的快速發(fā)展提供了新的工具。本文就3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用，特別是在保乳手術(shù)中的應(yīng)用及研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1    3D打印的基本概念及常用方法
3D打印是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過多次分層打印、逐層疊加的方式，快速加工制造任意形狀的三維復(fù)雜物體的技術(shù)。3D打印的基本步驟包括計(jì)算機(jī)輔助建模、生成通用的可打印文件格式、三維的構(gòu)象分層及逐層打印堆積，最終形成預(yù)設(shè)物體。3D打印常用的方法包括熔融堆積（fused deposition modelling， FDM）、立體光刻（stereolithography，SLA）及激光燒結(jié)或熔化（selective laser Sintering /melting， SLS/SLM）等。熔融堆積一般采用絲材，利用高溫將材料先進(jìn)行熔融，由噴頭噴出，按照設(shè)定的文件進(jìn)行打印堆積。SLA用激光選擇性地讓需要成型的液態(tài)光敏樹脂發(fā)生聚合反應(yīng)變硬，從而造型。和SLA不同的是，SLS用的不是液態(tài)的光敏樹脂，而是粉末。激光的能量讓粉末產(chǎn)生高溫和相鄰的粉末發(fā)生燒結(jié)反應(yīng)連接在一起，完成打印過程。從制作工藝和方法上來看，3D打印技術(shù)對材料及相關(guān)設(shè)備具有很高的要求，例如，鎂合金熔點(diǎn)很高，當(dāng)用這樣的材料進(jìn)行制造時，要求設(shè)備噴頭必須具備耐高溫的能力，因此，即使找到了合適的材料，也需要相應(yīng)的設(shè)備才能完成3D打印的過程。



2    3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用報(bào)道了2例經(jīng)歷多次手術(shù)干預(yù)最終需要心臟移植的單心室修復(fù)失敗案例，1例為左心室發(fā)育不良分期手術(shù)失敗的2歲兒童，其在手術(shù)后出現(xiàn)了嚴(yán)重的三尖瓣返流；另1例為肺閉鎖及右心室隔膜發(fā)育不全的14歲女童，多次手術(shù)后出現(xiàn)蛋白流失腸病。兩例病人均需要進(jìn)行心臟移植。醫(yī)院根據(jù)光固化快速成型技術(shù)精準(zhǔn)制作出了兩例病人的3D心臟模型，其尺寸精確到1 mm以內(nèi)。根據(jù)打印出的心臟模型選擇合適的手術(shù)方式，并對下腔靜脈、大動脈、肺動脈等血管進(jìn)行了精準(zhǔn)的測量。Schmauss等報(bào)道了1例復(fù)雜主動脈弓畸形病人的術(shù)前準(zhǔn)備，該病人的主動脈瘤使主動脈擴(kuò)張由升主動脈至降主動脈，術(shù)者使用彈性氨基甲酸樹脂通過3D打印獲得了完整的主動脈模型，以決定合適的手術(shù)方案，并使手術(shù)順利進(jìn)行，術(shù)后病人恢復(fù)良好。此外，3D打印的教學(xué)模型、骨科外支具等都已獲得應(yīng)用。

2011年，比利時和荷蘭的研究人員成功為一例患有骨髓炎的83歲婦女植入3D打印制成的下頜骨，使病人恢復(fù)了正常的生理功能。這一手術(shù)拉開了3D打印植入物在骨組織應(yīng)用的序幕。此后，在下頜骨、胸廓、關(guān)節(jié)等各種骨性硬組織的修復(fù)中，3D打印的植入物得到廣泛應(yīng)用，取得良好效果。3D打印植入物不僅制作方便，更重要的是實(shí)現(xiàn)了個性化的修復(fù)。盡管3D打印在骨性硬組織領(lǐng)域的應(yīng)用較為成熟，但其在軟組織的應(yīng)用一直是一個難點(diǎn)。與硬組織不同，對于軟組織缺損修復(fù)或者置換，不僅需要外形的類似，更需要具備相應(yīng)功能，甚至功能的需求更甚于外形。例如，對于肝組織缺損，需要建立功能完全的肝臟組織，實(shí)現(xiàn)膽汁分泌，產(chǎn)生各種酶的生物功能，這就更需要結(jié)合組織工程技術(shù)，才能打印出具有完備功能的器官。


近年來，利用3D打印和組織工程相結(jié)合的辦法，即利用3D打印的可降解生物材料立體骨架，附著組織干細(xì)胞，誘導(dǎo)組織生成的研究也在不斷探索。有研究顯示，通過擠壓式打印，將脂肪來源的干細(xì)胞與明膠/海藻酸鹽凝膠混合，打印出具有孔隙結(jié)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)，可以為干細(xì)胞的生長、增殖、分化提供基質(zhì)，進(jìn)一步向該三維結(jié)構(gòu)中添加纖維原生長因子及各種細(xì)胞，最終可形成具有類血管結(jié)構(gòu)的人造脂肪組織，該脂肪組織可以穩(wěn)定存在>60 d。美國普林斯頓大學(xué)的研究員利用 3D打印制作出功能及外表都類似于人耳的仿生耳朵。該研究根據(jù)病人現(xiàn)有的耳朵三維信息，構(gòu)建計(jì)算機(jī)CAD圖像，然后在3D打印機(jī)中注入細(xì)胞、膠原蛋白凝膠、納米銀等，打印出仿生耳朵的外形。接下來將其在體外培養(yǎng)，軟骨組織逐漸在電感應(yīng)線圈觸須周圍增多并取代凝膠，最終獲得逼真的具有人耳功能的仿生耳朵。荷蘭的研究員將人心肌祖細(xì)胞、支架材料和生物墨水海藻酸鹽混合，打印心臟組織，該心臟組織細(xì)胞7 d存活率為89%，且其細(xì)胞可以表達(dá)心臟轉(zhuǎn)錄因子Nkx2.5、Gata-4和Mef-2。


3     3D打印技術(shù)在乳腺整復(fù)手術(shù)中的應(yīng)用
3.1    保乳手術(shù)的概況和瓶頸問題  
自20世紀(jì)70年代以來，隨著對乳腺癌生物學(xué)行為認(rèn)知的不斷深入，保乳手術(shù)得到了廣泛開展。特別是經(jīng)典的NSABP B06和EORTC10801研究，隨訪時間均已超過20年，證實(shí)了保乳聯(lián)合放療在無病生存及總生存方面，均與經(jīng)典的改良根治手術(shù)無差異，奠定了保乳手術(shù)的地位。而且，隨著全身治療技術(shù)的不斷進(jìn)步，保乳手術(shù)的適應(yīng)證也在不斷拓展，對于多灶、多中心病變，只要能保證切緣陰性，均可以實(shí)施保乳手術(shù)。但是，在保證陰性切緣的同時保證良好的外形仍是保乳手術(shù)最大的瓶頸問題，如腫瘤較大（直徑> 5 cm）或腫瘤大小與乳腺本身體積比例相比較大時，保乳手術(shù)很難實(shí)施。在這種情況下，通過新輔助化療降期進(jìn)行保乳手術(shù)是一種策略，但也僅能解決部分問題，對于占比最高的腔面型乳腺癌，因其本身對化療反應(yīng)性差，很難通過這一方法實(shí)現(xiàn)保乳。因此，通過3D打印技術(shù)，根據(jù)術(shù)中切除乳腺組織的大小設(shè)計(jì)個性化的填充物，是一種可行的思路。相對于其他軟組織而言，乳腺組織缺損的修復(fù)更重要的是外形的維持，不需要恢復(fù)功能，對所用材料的要求也相對較低，容易實(shí)現(xiàn)。

3.2    3D打印技術(shù)在保乳手術(shù)中的應(yīng)用
與其他醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用一樣，最初，3D打印技術(shù)應(yīng)用于保乳手術(shù)主要是醫(yī)學(xué)模型的建立。有研究者利用 3D打印技術(shù)，構(gòu)建了乳腺腫瘤的模型，可以精確勾畫腫瘤在乳腺組織中的位置，與胸肌等周圍組織的關(guān)系，通過體外的這一模型作為手術(shù)導(dǎo)板，更精準(zhǔn)地實(shí)施了乳腺癌的保乳手術(shù)。也有研究者利用磁共振影像構(gòu)建乳腺癌的外形輪廓，利用3D打印技術(shù)建立腫瘤模型，在模型的指導(dǎo)下對13例病人進(jìn)行了保乳手術(shù)，實(shí)現(xiàn)了更小創(chuàng)傷和安全切緣。

除了在保乳手術(shù)導(dǎo)航中的應(yīng)用，筆者團(tuán)隊(duì)與西安交通大學(xué)機(jī)械制造系合作，首次實(shí)現(xiàn)了利用3D打印植入物進(jìn)行乳房保乳整復(fù)。在該病例中，病人因腫瘤較大無法實(shí)施傳統(tǒng)的保乳手術(shù)，通過磁共振等影像勾畫出腫瘤大小后，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行了模擬切除，根據(jù)切除后缺損范圍的大小設(shè)計(jì)出個性化的填充物。采用可降解的聚已內(nèi)酯材料，利用3D打印技術(shù)成功制備了填充物。填充物采用了網(wǎng)格狀的立體骨架結(jié)構(gòu)，便于誘導(dǎo)自體組織的生長，同時，采用不同分子量的聚已內(nèi)酯可以調(diào)節(jié)降解時間，使填充物在預(yù)設(shè)的時間內(nèi)逐漸降解，避免了體內(nèi)留有異物。術(shù)后隨訪2年結(jié)果顯示，植入物逐漸降解，被纖維肉芽組織替代，植入?yún)^(qū)有明顯的新生血管生成，外形維持良好。由于誘導(dǎo)組織再生多為纖維瘢痕組織，手感較脂肪組織差，Chhaya等將3D打印的聚己內(nèi)酯乳腺支架植入豬的乳腺區(qū)，2周后少量多次進(jìn)行脂肪注射，結(jié)果表明，延遲的脂肪注射可以促進(jìn)大量脂肪組織再生，避免脂肪壞死。


3.3    新材料與生物復(fù)合3D打印在乳房整復(fù)中的應(yīng)用進(jìn)展
用于乳房整復(fù)的3D打印新材料一直是熱點(diǎn)問題。良好的材料需要滿足生物相容性好，力學(xué)強(qiáng)度與乳房組織類似，利于誘導(dǎo)組織再生等條件。近年來，越來越多的生物新材料獲得了嘗試。納米纖維素具有顯著的物理特性，優(yōu)異的表面化學(xué)性質(zhì)和出色的生物相容性，具有生物可降解性和低毒性的特點(diǎn)，便于組成各種3D結(jié)構(gòu)，并且厚度和結(jié)構(gòu)均可控，使得這種材料成為生物醫(yī)學(xué)植入物的更好選擇。Chhaya等利用孔徑＞1 mm聚丙交酯材料，采用熔融堆積的方法進(jìn)行3D打印，制備了乳腺支架，在動物體內(nèi)顯示出良好的誘導(dǎo)脂肪組織再生能力，進(jìn)一步研究表明，將支架與臍血管內(nèi)皮細(xì)胞一并孵育后植入裸鼠體內(nèi)，24周后可見顯著的血管生成和脂肪形成。

透明質(zhì)酸（hyaluronic acid，HA）具有良好的化學(xué)、物理和生物特性，可以與細(xì)胞內(nèi)的內(nèi)源性受體相互作用，積極刺激組織生長和重塑，是用于脂肪組織工程的另一類天然材料。但是，HA的強(qiáng)親水性導(dǎo)致降解過快，對機(jī)械性能具有不利影響。此外，未經(jīng)修飾的HA的處理也很有挑戰(zhàn)性，該材料需要進(jìn)行化學(xué)修改才能更適合于組織工程的實(shí)際應(yīng)用。一種提高HA支架力學(xué)性能的方法是將HA與其他生物相容性和生物可吸收材料結(jié)合成復(fù)合材料。一項(xiàng)研究利用膠原和 HA組成了復(fù)合支架，具有較高的交聯(lián)程度，水溶速率較慢，顯著提高了該支架在組織再生過程中的機(jī)械強(qiáng)度，體外性能顯示這兩種材料的結(jié)合獲得了更高的剛性和細(xì)胞增殖率。

一些研究還探索了生物材料與抗腫瘤藥物結(jié)合的可行性，以達(dá)到治療的目的。有研究者把單寧酸作為膠原交聯(lián)劑，制備了具有抗癌性能的膠原乳腺植入支架，認(rèn)為有可能選擇性地改變健康細(xì)胞和癌細(xì)胞的代謝活動。新興的納米材料具有良好的機(jī)械穩(wěn)定性、多孔性和可生物降解性，不僅可以對生物支架提供必要的增強(qiáng)，而且能夠控制生物活性物質(zhì)的傳遞，例如藥物或生長因子，可以隨著支架降解而被逐漸釋放，一方面可以誘導(dǎo)組織生成，另一方面達(dá)到抗腫瘤的目的。

4    問題與展望
盡管3D打印技術(shù)在保乳手術(shù)中顯示出了良好的應(yīng)用前景，但仍有一些問題有待進(jìn)一步解決。首先，3D打印的生物支架需要與乳腺組織力學(xué)特性更好的匹配，特別是不同年齡、不同個體乳腺組織的力學(xué)強(qiáng)度并不一致，相應(yīng)的生物支架的結(jié)構(gòu)也會有所不同，二者之間的匹配關(guān)系有待探索；結(jié)合活體細(xì)胞的生物復(fù)合打印仍是難點(diǎn)；結(jié)合生物干細(xì)胞的支架安全性仍有待觀察。總之，作為保乳手術(shù)的一個新興手段，3D打印技術(shù)的應(yīng)用必然會越來越廣泛，新材料技術(shù)的進(jìn)步，也不斷推動這一領(lǐng)域的發(fā)展，最終實(shí)現(xiàn)個性化定制乳腺癌手術(shù)。


參考文獻(xiàn)略
來源： 中國實(shí)用外科雜志