引用本文： 谷涌泉, 武欣. 3-D打印技术在血管外科的应用. 中国修复重建外科杂志, 2014, 28(3): 276-278. doi: 10.7507/1002-1892.20140063 复制
电影《十二生肖》让我们体验到了3-D打印技术的神奇，当成龙戴上电子手套扫描兽首，电脑上便出现了兽首的三维图像，仅用了约3分钟，3-D打印机便直接“打印”出一个一模一样的“兽首”。谁能想到，这个具有神奇性、颠覆性的技术早已存在，而不是电影杜撰！
1 什么是3-D打印技术
3-D打印技术源自100多年前美国研究的照相雕塑和地貌成型技术，其学名为“快速成型技术”。它是一种以数字模型文件为基础，应用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印方式来构造物体的技术。它综合了数字建模、机电控制、信息技术、材料科学与化学等多方面技术。3-D打印机是核心设备，其可进行喷墨打印。每一层打印分为两步，首先在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水，然后在胶水上均匀喷洒一层粉末，粉末与胶水迅速固化黏结；这样在一层胶水及一层粉末的交替下，实体模型被黏结起来。“打印”完成后，需要对打印模型进行后处理，如固化、剥离、模型修整等，最终得到所需模型[1]。该项技术最早于20世纪80年代末和90年代初在美国出现，之后很快扩展到欧洲和日本，现已取得较为广泛的应用[2]。
近年来3-D打印产业获得飞速发展，目前已广泛用于多个领域，如珠宝首饰、鞋类、工业设计、建筑、汽车、航天、医疗等。据《Wohlels Report 2011》显示，1988年－2010年间全球3-D打印技术产值保持了26%的增值速度。2011年3-D打印产业的市场规模为17亿美元，预计到2016年产业总产值将达到31亿美元[3]。
2 3-D 打印技术的优点
3-D打印技术最突出的优点是无需机械加工或任何模具，就能直接根据计算机图形数据生成任何形状的零件，从而极大缩短产品研制周期，提高生产效率和降低生产成本。就传统制造技术而言，物体形状越复杂，生产线也越复杂，制造成本越高；对3-D打印技术而言，制造形状复杂的物品并不增加时间、技能或成本。该特点将打破传统的定价模式，并改变制造成本的计算方式。3-D打印技术还可按需打印，即时生产减少了企业的实物库存，企业可根据客户订单定制特别或个性化产品。此外，3-D打印技术还可明显减少废弃副产品。传统金属加工中90%金属原材料被丢弃，而3-D打印技术制造金属制品时浪费量显著减少，随着打印材料的进步，“净成型”制造可能成为更环保的加工方式。更主要的是，3-D打印技术还可制造出传统制造技术无法制备的外形，人们可更有效地设计出所需产品[4]。
经过近年的不断发展，3-D打印技术已基本形成了一套技术体系，可应用的行业也逐渐扩大，从产品设计到模具设计与制造、材料工程、医学研究、文化艺术、建筑工程等，具有广阔应用前景。
3 3-D打印技术在非医学领域的应用
在国外，有关3-D打印技术的种种畅想令人心驰神往。美国一名枪械师利用塑料材质，通过3-D打印技术制造了一支AR-15突击步枪，这支“打印步枪”原材料仅需30美元，可速射200发子弹。意大利一位设计师用沙子3-D打印出一立体建筑，并宣称未来可能不需要工人和脚手架即可完成建筑修建。在日本，著名游戏制造商任天堂已开始通过3-D打印技术制造wii游戏机；知名的迪斯尼公司也已考虑用3-D打印方式制造玩具。如今，这种前沿的制造方式正改变着传统制造方式，成为未来发展的趋势[5]。
4 3-D打印技术在医学领域中的应用
4.1 在骨科及口腔科的应用
由于打印材料的独特性，3-D打印技术率先在骨科、口腔科广泛应用。在骨外科中，由于骨病损形态各异，因此用于骨缺损修复的植入物只能“量体裁衣，量身定制”。既往术前对患者骨骼进行精确的在体三维测量非常困难，而3-D打印模型使个体化成为可能，真正实现了“私人定制”。在个体化人工关节置换、个体化接骨板、个体化骨盆修复等临床手术中，3-D打印技术得到广泛应用[6]。2009年，瑞士科学家Christian Weinand首次采用3-D骨骼打印机精确复制人拇指骨骼，该项技术的突破为采用患者自体细胞组织培育替换受损骨骼开辟了新途径。金属3-D打印将带来口腔修复技术的一场革命。目前全球约有23 000名牙科医生通过Cerec软件帮助患者更快得到牙套；Cerec软件是德国西诺德牙科设备技术公司开发的计算机三维系统，它通过对牙齿进行三维扫描，一次性自动完成最终牙套的制造。传统口腔修复义齿（俗称假牙）的制作需要先磨牙、印牙模，然后戴上临时牙套1周才能装上真牙套，患者需多次试戴和修整，周期长。而借助Cerec软件，无需印模、戴临时牙冠及复诊，均通过电脑控制设备，牙冠修复从漫长的7 d缩短为30 min[7]。
4.2 在血管外科的应用
由于血管是相对于骨骼、牙齿较“柔软”的器官，3-D打印材料限制了其在血管外科领域的应用；但3-D打印技术在血管外科领域也取得了一些令人惊喜的发展。德国弗劳恩霍夫研究所的一个小组，使用3-D打印技术和“多光子聚合”技术，成功打印出“人造血管”。打印时，打印机发出2束强激光，焦点对准同一分子；该分子同时吸收2个光子（即“多光子聚合”），之后变成一有弹性的固体，可用其制造高精度的弹性结构，即血管；打印使用的“墨水”是生物分子与人造聚合体。研究人员预想通过该过程打印的血管可与人体组织相互“沟通”，不会产生器官排斥反应。但能否真正做到无免疫排斥反应，还有待更深入研究。无论如何，这项技术将为血管外科发展带来巨大变化，甚至是革命性变化。
此外在血管组织工程技术上，3-D打印技术在打印细胞、生物支架材料和细胞活性因子等方面取得了很大进步。1987年美国国家科学基金会正式提出和确定“组织工程”这一概念[8]，其核心是利用细胞生物学和工程学原理，在体外培养、扩增种子细胞，种植于生物相容性好、并可降解的生物材料上，形成细胞-生物材料复合物，植入体内与宿主组织融合生长，以达到对宿主组织结构的修复和功能重建。组织工程技术包含三大基本要素：种子细胞、细胞外基质替代物、细胞活性因子。虽然这种方法在构建结构简单的空腔组织和器官方面取得巨大成功，但仍存在许多不足，特别是在构建内部结构复杂的组织和器官时，细胞无法精确种植至支架内部，只能随机吸附于表面，细胞活性因子只能影响支架表面细胞的生长分化，很难对支架内部细胞活性进行控制。然而，我们应当看到其潜力，可采用3-D打印技术制造组织工程血管骨架，再在体外或体内构建成有活力的生物血管，也是可考虑的思路之一。
越来越多研究发现，3-D喷墨打印技术适用于打印细胞、生物支架材料、细胞活性因子和构建三维细胞-生物支架材料复合物，有望克服传统组织工程方法的不足[9]。Zhao等[10]采用脂肪来源干细胞和纤维、胶原，利用体外低温3-D喷墨打印技术与聚乙醇酸构建了可降解支架，且体外完成了向内皮细胞、平滑肌细胞的诱导分化。Ovsianikov等[11]应用激光3-D喷墨打印技术，将由丙烯酸酯化的聚乙二醇双光子聚合技术构造而成的组织工程皮肤，通过激光诱导正向传输方式接种细胞，这样可在细胞生存的温和环境中构建三维水凝胶支架，减小细胞毒性。此外，Xu等[12]还利用3-D喷墨打印技术，体外用成纤维细胞和凝胶成功构建了三维曲折蜂窝管支架。Boland等[13]应用喷墨打印技术将牛血管内皮细胞与藻酸盐水凝胶同步打印，形成内皮细胞-水凝胶三维复合物，扫描电镜观察发现内皮细胞黏附于水凝胶支架内部，且保持了良好的细胞活性。Lees等[14]应用3-D喷墨打印技术体外构建了三维聚乙醇酸支架，并将人胚胎干细胞种植于支架上，进行了大鼠肝脏小叶间移植，定期分化染色可见胰岛淀粉样多肽和肝细胞系蛋白质表达。因此，3-D喷墨打印技术在人类微血管组织工程中有巨大应用前景。
在国外，目前已有可吸收冠状动脉支架应用于人体的报道[15-16]，外周血管可吸收支架在欧盟和美国已均在临床试验中。我们研究团队也对该项技术进行了研究，并取得一些好的结果（图 1～4）。目前我们正在对3-D打印技术打印可吸收支架进行研究，希望能在这方面取得突破。3-D打印技术可将支架材料与药物混合打印，最终直接打印出所需的可吸收支架。
图1
可吸收支架 3-D打印技术在组织工程的应用仍处于起步阶段，还有许多问题亟待解决，如喷墨打印过程中热能与流体力学对细胞生物活性的影响[17]。但我们相信，随着3-D打印技术的完善以及打印材料的发展，在不远的将来利用3-D打印技术构建的组织工程血管会应用于临床。
此外，复杂腹主动脉瘤（瘤颈过短、累及肾动脉等）、夹层动脉瘤（累及主动脉弓三分叉等）是血管外科面临的巨大挑战。术中往往要选用分支型或开窗型支架以保证主要动脉的供血，要求术前准确测量、术中准确释放。而采用3-D打印技术，术前可精确制备动脉瘤模型，使治疗更“专业化、个体化”，同时保证术中支架准确释放，医生不仅可进行更为细致的手术规划，甚至可进行手术操作演练。
5 展望
3-D打印技术是一项具有工业革命意义的高新制造技术，代表了世界制造业发展的新趋势，目前受到越来越多的关注。随着国内外3-D打印技术的迅猛发展，该项技术已应用于多个领域。但当前3-D打印技术也面临多方面挑战，如成本、材料、精度和速度等，还需要进一步发展与完善。我们相信在不远的将来，3-D打印技术可在医学领域获得突破性发展，在血管外科领域得到广泛应用。
电影《十二生肖》让我们体验到了3-D打印技术的神奇，当成龙戴上电子手套扫描兽首，电脑上便出现了兽首的三维图像，仅用了约3分钟，3-D打印机便直接“打印”出一个一模一样的“兽首”。谁能想到，这个具有神奇性、颠覆性的技术早已存在，而不是电影杜撰！
1 什么是3-D打印技术
3-D打印技术源自100多年前美国研究的照相雕塑和地貌成型技术，其学名为“快速成型技术”。它是一种以数字模型文件为基础，应用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印方式来构造物体的技术。它综合了数字建模、机电控制、信息技术、材料科学与化学等多方面技术。3-D打印机是核心设备，其可进行喷墨打印。每一层打印分为两步，首先在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水，然后在胶水上均匀喷洒一层粉末，粉末与胶水迅速固化黏结；这样在一层胶水及一层粉末的交替下，实体模型被黏结起来。“打印”完成后，需要对打印模型进行后处理，如固化、剥离、模型修整等，最终得到所需模型[1]。该项技术最早于20世纪80年代末和90年代初在美国出现，之后很快扩展到欧洲和日本，现已取得较为广泛的应用[2]。
近年来3-D打印产业获得飞速发展，目前已广泛用于多个领域，如珠宝首饰、鞋类、工业设计、建筑、汽车、航天、医疗等。据《Wohlels Report 2011》显示，1988年－2010年间全球3-D打印技术产值保持了26%的增值速度。2011年3-D打印产业的市场规模为17亿美元，预计到2016年产业总产值将达到31亿美元[3]。
2 3-D 打印技术的优点
3-D打印技术最突出的优点是无需机械加工或任何模具，就能直接根据计算机图形数据生成任何形状的零件，从而极大缩短产品研制周期，提高生产效率和降低生产成本。就传统制造技术而言，物体形状越复杂，生产线也越复杂，制造成本越高；对3-D打印技术而言，制造形状复杂的物品并不增加时间、技能或成本。该特点将打破传统的定价模式，并改变制造成本的计算方式。3-D打印技术还可按需打印，即时生产减少了企业的实物库存，企业可根据客户订单定制特别或个性化产品。此外，3-D打印技术还可明显减少废弃副产品。传统金属加工中90%金属原材料被丢弃，而3-D打印技术制造金属制品时浪费量显著减少，随着打印材料的进步，“净成型”制造可能成为更环保的加工方式。更主要的是，3-D打印技术还可制造出传统制造技术无法制备的外形，人们可更有效地设计出所需产品[4]。
经过近年的不断发展，3-D打印技术已基本形成了一套技术体系，可应用的行业也逐渐扩大，从产品设计到模具设计与制造、材料工程、医学研究、文化艺术、建筑工程等，具有广阔应用前景。
3 3-D打印技术在非医学领域的应用
在国外，有关3-D打印技术的种种畅想令人心驰神往。美国一名枪械师利用塑料材质，通过3-D打印技术制造了一支AR-15突击步枪，这支“打印步枪”原材料仅需30美元，可速射200发子弹。意大利一位设计师用沙子3-D打印出一立体建筑，并宣称未来可能不需要工人和脚手架即可完成建筑修建。在日本，著名游戏制造商任天堂已开始通过3-D打印技术制造wii游戏机；知名的迪斯尼公司也已考虑用3-D打印方式制造玩具。如今，这种前沿的制造方式正改变着传统制造方式，成为未来发展的趋势[5]。
4 3-D打印技术在医学领域中的应用
4.1 在骨科及口腔科的应用
由于打印材料的独特性，3-D打印技术率先在骨科、口腔科广泛应用。在骨外科中，由于骨病损形态各异，因此用于骨缺损修复的植入物只能“量体裁衣，量身定制”。既往术前对患者骨骼进行精确的在体三维测量非常困难，而3-D打印模型使个体化成为可能，真正实现了“私人定制”。在个体化人工关节置换、个体化接骨板、个体化骨盆修复等临床手术中，3-D打印技术得到广泛应用[6]。2009年，瑞士科学家Christian Weinand首次采用3-D骨骼打印机精确复制人拇指骨骼，该项技术的突破为采用患者自体细胞组织培育替换受损骨骼开辟了新途径。金属3-D打印将带来口腔修复技术的一场革命。目前全球约有23 000名牙科医生通过Cerec软件帮助患者更快得到牙套；Cerec软件是德国西诺德牙科设备技术公司开发的计算机三维系统，它通过对牙齿进行三维扫描，一次性自动完成最终牙套的制造。传统口腔修复义齿（俗称假牙）的制作需要先磨牙、印牙模，然后戴上临时牙套1周才能装上真牙套，患者需多次试戴和修整，周期长。而借助Cerec软件，无需印模、戴临时牙冠及复诊，均通过电脑控制设备，牙冠修复从漫长的7 d缩短为30 min[7]。
4.2 在血管外科的应用
由于血管是相对于骨骼、牙齿较“柔软”的器官，3-D打印材料限制了其在血管外科领域的应用；但3-D打印技术在血管外科领域也取得了一些令人惊喜的发展。德国弗劳恩霍夫研究所的一个小组，使用3-D打印技术和“多光子聚合”技术，成功打印出“人造血管”。打印时，打印机发出2束强激光，焦点对准同一分子；该分子同时吸收2个光子（即“多光子聚合”），之后变成一有弹性的固体，可用其制造高精度的弹性结构，即血管；打印使用的“墨水”是生物分子与人造聚合体。研究人员预想通过该过程打印的血管可与人体组织相互“沟通”，不会产生器官排斥反应。但能否真正做到无免疫排斥反应，还有待更深入研究。无论如何，这项技术将为血管外科发展带来巨大变化，甚至是革命性变化。
此外在血管组织工程技术上，3-D打印技术在打印细胞、生物支架材料和细胞活性因子等方面取得了很大进步。1987年美国国家科学基金会正式提出和确定“组织工程”这一概念[8]，其核心是利用细胞生物学和工程学原理，在体外培养、扩增种子细胞，种植于生物相容性好、并可降解的生物材料上，形成细胞-生物材料复合物，植入体内与宿主组织融合生长，以达到对宿主组织结构的修复和功能重建。组织工程技术包含三大基本要素：种子细胞、细胞外基质替代物、细胞活性因子。虽然这种方法在构建结构简单的空腔组织和器官方面取得巨大成功，但仍存在许多不足，特别是在构建内部结构复杂的组织和器官时，细胞无法精确种植至支架内部，只能随机吸附于表面，细胞活性因子只能影响支架表面细胞的生长分化，很难对支架内部细胞活性进行控制。然而，我们应当看到其潜力，可采用3-D打印技术制造组织工程血管骨架，再在体外或体内构建成有活力的生物血管，也是可考虑的思路之一。
越来越多研究发现，3-D喷墨打印技术适用于打印细胞、生物支架材料、细胞活性因子和构建三维细胞-生物支架材料复合物，有望克服传统组织工程方法的不足[9]。Zhao等[10]采用脂肪来源干细胞和纤维、胶原，利用体外低温3-D喷墨打印技术与聚乙醇酸构建了可降解支架，且体外完成了向内皮细胞、平滑肌细胞的诱导分化。Ovsianikov等[11]应用激光3-D喷墨打印技术，将由丙烯酸酯化的聚乙二醇双光子聚合技术构造而成的组织工程皮肤，通过激光诱导正向传输方式接种细胞，这样可在细胞生存的温和环境中构建三维水凝胶支架，减小细胞毒性。此外，Xu等[12]还利用3-D喷墨打印技术，体外用成纤维细胞和凝胶成功构建了三维曲折蜂窝管支架。Boland等[13]应用喷墨打印技术将牛血管内皮细胞与藻酸盐水凝胶同步打印，形成内皮细胞-水凝胶三维复合物，扫描电镜观察发现内皮细胞黏附于水凝胶支架内部，且保持了良好的细胞活性。Lees等[14]应用3-D喷墨打印技术体外构建了三维聚乙醇酸支架，并将人胚胎干细胞种植于支架上，进行了大鼠肝脏小叶间移植，定期分化染色可见胰岛淀粉样多肽和肝细胞系蛋白质表达。因此，3-D喷墨打印技术在人类微血管组织工程中有巨大应用前景。
在国外，目前已有可吸收冠状动脉支架应用于人体的报道[15-16]，外周血管可吸收支架在欧盟和美国已均在临床试验中。我们研究团队也对该项技术进行了研究，并取得一些好的结果（图 1～4）。目前我们正在对3-D打印技术打印可吸收支架进行研究，希望能在这方面取得突破。3-D打印技术可将支架材料与药物混合打印，最终直接打印出所需的可吸收支架。
图1
可吸收支架 3-D打印技术在组织工程的应用仍处于起步阶段，还有许多问题亟待解决，如喷墨打印过程中热能与流体力学对细胞生物活性的影响[17]。但我们相信，随着3-D打印技术的完善以及打印材料的发展，在不远的将来利用3-D打印技术构建的组织工程血管会应用于临床。
此外，复杂腹主动脉瘤（瘤颈过短、累及肾动脉等）、夹层动脉瘤（累及主动脉弓三分叉等）是血管外科面临的巨大挑战。术中往往要选用分支型或开窗型支架以保证主要动脉的供血，要求术前准确测量、术中准确释放。而采用3-D打印技术，术前可精确制备动脉瘤模型，使治疗更“专业化、个体化”，同时保证术中支架准确释放，医生不仅可进行更为细致的手术规划，甚至可进行手术操作演练。
5 展望
3-D打印技术是一项具有工业革命意义的高新制造技术，代表了世界制造业发展的新趋势，目前受到越来越多的关注。随着国内外3-D打印技术的迅猛发展，该项技术已应用于多个领域。但当前3-D打印技术也面临多方面挑战，如成本、材料、精度和速度等，还需要进一步发展与完善。我们相信在不远的将来，3-D打印技术可在医学领域获得突破性发展，在血管外科领域得到广泛应用。
