3D 打印技术因其精确、高效和个性化生产的特点而被广泛应用于许多制造行业当中，并逐渐拓展到医疗领域。胸壁疾病是胸外科常见疾病类型，手术是治疗此类疾病的有效手段。近年来 3D 打印技术正逐渐在胸壁疾病的外科治疗领域得到应用。本文重点就目前 3D 打印可以应用于胸壁疾病外科领域的两种治疗方式—胸壁重建与胸壁矫形方面进行综述，并分析 3D 打印技术在胸壁疾病领域的可行性以及应用前景。
引用本文： 卢天健, 陈楠, 廖虎, 寇瑛琍, 林锋. 3D 打印技术在胸壁疾病外科领域应用的研究进展. 中国胸心血管外科临床杂志, 2018, 25(11): 1003-1006. doi: 10.7507/1007-4848.201803030 复制
近年来，随着制造业领域与计算机领域的共同发展，一种全新的制造技术－3D 打印应运而生。3D 打印为快速成形技术的一种，它是根据电脑设计的 3D 模型，使用金属、塑料等材料逐层打印来生产物体的技术[1]。较普通生产模式相比，3D 打印可以进行个性化的应用生产[2]。因此这项技术逐渐成为制造业领域关注的焦点，其应用领域也随着技术的发展而逐渐从工业领域向医疗领域发展[3]。面对新的时代背景，人们提出个性化医疗与精准医疗的新理念[4]，而这一理念恰好与 3D 打印的特点相契合[5]。本文主要对 3D 打印技术在胸壁外科领域的应用现状、优势与未来发展趋势进行了综述。
1 3D 打印技术在临床医学领域的应用现状
根据 3D 打印原材料的选择，3D 打印的应用方式可分类为非生物打印与生物打印两类。非生物打印一般使用金属、树脂等无机材料进行制造，制造物只模拟正常生物结构的外观或者功能，生物打印则使用细胞、有机物等作为原材料进行打印，此种技术可直接生产由细胞构成的人造器官，目前成功的案例有骨组织修复等[6]。根据临床应用的目标将 3D 打印的应用可以分为诸多类别，包括：医学模型制作、组织器官再生、活体细胞培养、临床修复治疗和药物测试研发等[7]。生产植入物、假体和教学或术前评估用的模型是目前临床最常见的应用方式[8]。对于临床而言，无论 3D 打印的发展方向为何，其最终目标都是使用此项技术生产出高度类似正常生命体的结构，乃至实现类似人体正常器官组织的生命活动[3]。目前 3D 打印在骨组织及颌面修复方面得到了较为广泛的应用[9]。因其具有直观、清晰和可操作等优势，且构建模型数据与影像数据高度一致，在对面部整形、骨折、颌面畸形和骨肿瘤等进行术前设计，辅助诊断及模拟手术方面具有较好的应用效果[9-10]。
在胸外科临床方面，3D 打印应用正逐步发展。Toshiaki 等[11]利用 3D 打印技术生产患者胸廓模型，以进行模拟手术，对手术方案进行设计评估；针对气管疾病则主要集中在治疗新生儿先天性气管狭窄，王浩等[12]使用 3D 打印技术打印患儿气道模型，用于评估术前情况，设计手术方案以及术后随访；使用 3D 打印技术构建气管支架用于气管部分修复的可行性也已在动物试验中得到初步验证[13-14]。对于肺部疾病、食管疾病等常见病种而言，3D 打印的应用局限于术前评估与良性疾病治疗，对于可替代生物组织的人工组织结构生产依旧处于实验探索阶段。而胸壁疾病由于本身性质的特殊性，临床治疗主要以胸壁结构塑性重建为主，这正是 3D 打印技术主要针对的领域[5]。虽然发展时间不长，但已有诸多临床工作人员成功运用 3D 打印技术治疗胸壁疾病。可以预见，3D 打印技术将有效地推进胸壁疾病治疗取得革命性发展。
2 3D 打印技术在胸壁疾病临床应用的研究现状概述
胸壁疾病以胸壁结构变化、受损，甚至破坏为主要临床表现，目前临床上主要分为胸壁肿瘤、胸壁结核、胸廓出口综合征和胸壁畸形[15]。根据疾病性质的不同，对胸壁疾病的治疗主要采取两种方案：胸壁部分切除后的重建与胸壁畸形的矫形[15]。3D 打印技术因其精准性、个性化的特点，在胸壁疾病的外科治疗方面具有很大的优势。
2.1 胸壁重建
胸壁重建是指对胸壁结构稳定性受到破坏的患者进行手术修复，恢复胸壁结构正常与完整，避免发生呼吸功能障碍的治疗方案[16]。胸壁结构破坏的诱发因素主要包括肿瘤切除，创伤型疾病，感染性疾病（胸壁结核），辐射损伤等[17]。现有胸壁修复技术主要包括软组织修复与骨性重建两类。软组织修复稳定性差，易引起胸壁塌陷等并发症；骨性结构修复适用于较大面积的胸壁损伤修复，但传统修复技术受制造生产过程限制，往往只能大致模拟患者胸廓结构，无法保证美观性[18]。3D 打印技术在胸壁重建中的应用不断发展。Aranda 等[19]于 2015 年为 1 例胸壁肿瘤患者进行肿瘤切除后胸壁修复术，为全球首例使用 3D 打印技术进行胸壁重建的案例。Wen 等[20]分别对肋骨肿瘤与胸骨肿瘤各 1 例进行 3D 打印胸壁重建术，结果显示患者术后恢复良好，3D 打印假体与活体组织相融性好，力学性能与弹性性能良好，术后胸壁塌陷与阵发性呼吸困难发生概率明显下降。Aragon 等[21]在手术中设计了一种动态模型，用 3D 打印技术成功模拟了胸廓软骨关节，使假体更好地适应人体，关节运动功能得到较好的恢复，这从一定程度上降低了术后并发症发生率。Simal 等[22]为 1 例尤文式肉瘤患者进行肋骨切除术后的胸廓大面积重建术，与整形外科的合作给予了手术方案中切除与重建环节有效的设计意见，切口的设计与植入假体方式充分考虑到手术切口美观程度与运动功能的恢复，有效提高患者生活质量。
3D 打印技术修复胸壁结构步骤主要包括：（1）假体的设计，借助影像学检查结果，对假体三维结构进行构建与设计。温小鹏等[23]使用计算机辅助软件 Mimics 19.0 对患者 64 层 CT 扫描数据进行三维构建，设计假体更加精确贴合患者胸廓。（2）假体的制作，将假体三维数据导入 3D 打印设备中进行打印生产。假体材料的选择是胸壁重建的关键环节。既往的胸壁重建手术一般采用可塑性布状及网状合成材料，最常见的修复材料包括高密度聚乙烯网片与骨水泥，但这一类传统胸壁修复材料往往组织相容性较差或者硬度不足，甚至易引发胸壁畸形[24]。目前应用于临床的主要有金属（主要为钛合金）、工程塑料、光敏树脂等。以钛合金作为 3D 打印原材料制作的人造胸廓与活体相似程度高、组织相融性较好、力学性能测量显示、其硬度及弹性模量甚至优于正常人体骨骼，对胸腔内脏器有较好的保护作用，较好地弥补了传统胸壁重建术中支撑结构不稳定，不美观的不足[23，25]。除此之外，国内唐都医院于 2017 年进行了全球首例使用 PEEK（新型聚醚醚酮）材料代替钛合金材料打印人工肋骨的手术，PEEK 材料具有质量轻、韧性好、力学性能与真实肋骨极其相近、不影响影像检查的优点，有望替代钛合金成为人造骨骼的首选材料[26]。（3）手术植入人造骨骼假体，一般以钢丝线对假体与骨骼进行固定。（4）术后根据患者病情制定随访计划，了解胸壁原发疾病的变化、塑性效果以及植入假体的位置是否有移位等[18]。
2.2 胸壁矫形
胸壁畸形多是由于先天性疾病导致的胸壁形态异常，漏斗胸是最常见的胸壁畸形之一[25]。漏斗胸为先天性疾病，婴儿期即可患病，随年龄増长疾病表现逐渐明显，症状逐渐严重。患者最主要临床表现为胸骨、肋骨的部分凹陷，使前胸壁呈漏斗状，影响肺功能与心功能（心搏出量等）[15]。漏斗胸的治疗手段不断发展，目前医疗界公认的较为安全有效的治疗方式为 Nuss 手术[27]。Nuss 手术的主要原理是[28]：通过术前测量胸廓相关系数，按照预期的胸廓恢复形态将特殊专用钢板弯折成凸型，利用穿通器在凹陷最深处的胸骨后方建立隧道，将钢板沿隧道插入胸骨后侧，进行 180 度翻转，并固定于胸骨与胸壁两侧最高点处，从而将患者的凹陷胸骨顶起至正常位置，以达到矫形的作用。与传统手术相比，Nuss 手术具有对患者损伤小，出血少，并发症出现率低，术后疼痛轻等优势[29]。Nuss 手术的成功关键在于矫形钢板形状的设计，但传统的方式是借助影像学辅助设计，或者直接通过在手术中多次将钢板插入体内进行矫正。这些方式对提高矫形钢板的适应性作用有限，费时费力，而且存在手术安全性风险[30]。此外，小儿和成人选用矫形钢板只有长度的区别，宽度一样，全然忽略了不同年龄、体型的患者肋间隙的宽度的差异，导致术后患者的胸部的持续疼痛以及对远期胸廓发育的影响。
将 3D 打印技术应用于 Nuss 手术中，可很好地解决目前的系列问题。3D 打印技术在术前评估、模拟手术以及制造精准化假体方面已得到实际有效的临床应用。唐都医院于 2015 年首次开展使用 3D 打印技术生产矫形钢板的 Nuss 手术[31]。行手术的患者胸骨畸形程度严重，且已有两次手术失败经历，传统 Nuss 手术无法取得较好效果。术者首先根据影像学资料制作患者胸廓模型，随后运用 3D 打印技术制作与患者胸廓形状贴合的个性化矫形钢板。除与患者矫形手术完美适应外，此个性化矫形钢板还具有不同于传统留置钢板的可活动性，不仅可随患者胸廓变化改变形状，同时还可随患者胸廓发育改变形状，摆脱了留置钢板可能对胸骨发育的影响。Lin 等[30]应用 3D 打印制造患者胸廓模型以辅助手术设计，10 例平均年龄为 19.8 岁的患者行 3D 打印优化的 Nuss 手术。术前对患者胸廓形态的螺旋 3D 扫描结果被导入 3D 重建软件 OsiriX 中生成 3D 胸廓模型，随后又利用其他软件构建了预测的手术完成后的胸廓形态模型，并根据预测模型设计了植入钢板的形状，精确设定了长度与弯折曲率。结果显示 3D 打印模型的使用缩短了手术时间及患者的住院时间，且患者均未发生并发症。研究者认为将 3D 打印技术应用于漏斗胸治疗是可行有效的。
3 3D 打印应用的局限性与未来的发展方向
3D 打印技术的发展对胸壁疾病外科领域的发展起到了革命性的作用。但目前，这项技术在临床应用方面的发展仍处于探索与实验阶段，未能得到广泛的应用。就目前而言，3D 打印的应用存在一定的局限性：成本高，现有的 3D 打印生产设备造价偏高，并且假体植入手术对术者的手术经验要求严格[32]，这使得 3D 打印技术仅能在极少数资金及科研条件充足的医院得到使用；假体安全性问题，尽管目前广泛使用的钛合金作为假体材料相对安全，但假体植入术中可能产生的碎片等异物也可能对患者的术后恢复造成影响，比如对患者正常活动功能产生限制[33]。
3D 打印技术发展方向应当是在保证安全性的前提下，成为可以广泛应用，成为临床治疗替代的技术[34]。为此，需要诸多领域的研究人员共同合作，解决目前此项技术在临床应用领域存在的问题：材料的选择与新材料的发展决定了 3D 打印假体的成本、有效性以及对人体的适应性[35]；法规的不完善以及诸多伦理问题的存在也是 3D 打印技术发展的障碍之一[36]。总而言之，如何使 3D 打印技术在外科领域更加普及，如何提高其安全性和有效性，是临床工作者与科研工作者未来面临的挑战。
4 展望
随着世界医疗水平的提高，患者对治疗方案的要求也不断严格。在以精准化、个性化医疗为主导的发展趋势下，3D 打印的出现将会对胸壁外科临床治疗领域的发展起到决定性的作用。尽管目前的临床研究资料较少，3D 打印技术仍得到了缓慢推广并越来越容易为患者所接受。相信随着研究的深入，目前存在的诸多技术方面问题都将迎刃而解，3D 打印技术也将在胸壁外科领域发挥更大的能力，逐渐成为这一专科领域的主导性新技术。
近年来，随着制造业领域与计算机领域的共同发展，一种全新的制造技术－3D 打印应运而生。3D 打印为快速成形技术的一种，它是根据电脑设计的 3D 模型，使用金属、塑料等材料逐层打印来生产物体的技术[1]。较普通生产模式相比，3D 打印可以进行个性化的应用生产[2]。因此这项技术逐渐成为制造业领域关注的焦点，其应用领域也随着技术的发展而逐渐从工业领域向医疗领域发展[3]。面对新的时代背景，人们提出个性化医疗与精准医疗的新理念[4]，而这一理念恰好与 3D 打印的特点相契合[5]。本文主要对 3D 打印技术在胸壁外科领域的应用现状、优势与未来发展趋势进行了综述。
1 3D 打印技术在临床医学领域的应用现状
根据 3D 打印原材料的选择，3D 打印的应用方式可分类为非生物打印与生物打印两类。非生物打印一般使用金属、树脂等无机材料进行制造，制造物只模拟正常生物结构的外观或者功能，生物打印则使用细胞、有机物等作为原材料进行打印，此种技术可直接生产由细胞构成的人造器官，目前成功的案例有骨组织修复等[6]。根据临床应用的目标将 3D 打印的应用可以分为诸多类别，包括：医学模型制作、组织器官再生、活体细胞培养、临床修复治疗和药物测试研发等[7]。生产植入物、假体和教学或术前评估用的模型是目前临床最常见的应用方式[8]。对于临床而言，无论 3D 打印的发展方向为何，其最终目标都是使用此项技术生产出高度类似正常生命体的结构，乃至实现类似人体正常器官组织的生命活动[3]。目前 3D 打印在骨组织及颌面修复方面得到了较为广泛的应用[9]。因其具有直观、清晰和可操作等优势，且构建模型数据与影像数据高度一致，在对面部整形、骨折、颌面畸形和骨肿瘤等进行术前设计，辅助诊断及模拟手术方面具有较好的应用效果[9-10]。
在胸外科临床方面，3D 打印应用正逐步发展。Toshiaki 等[11]利用 3D 打印技术生产患者胸廓模型，以进行模拟手术，对手术方案进行设计评估；针对气管疾病则主要集中在治疗新生儿先天性气管狭窄，王浩等[12]使用 3D 打印技术打印患儿气道模型，用于评估术前情况，设计手术方案以及术后随访；使用 3D 打印技术构建气管支架用于气管部分修复的可行性也已在动物试验中得到初步验证[13-14]。对于肺部疾病、食管疾病等常见病种而言，3D 打印的应用局限于术前评估与良性疾病治疗，对于可替代生物组织的人工组织结构生产依旧处于实验探索阶段。而胸壁疾病由于本身性质的特殊性，临床治疗主要以胸壁结构塑性重建为主，这正是 3D 打印技术主要针对的领域[5]。虽然发展时间不长，但已有诸多临床工作人员成功运用 3D 打印技术治疗胸壁疾病。可以预见，3D 打印技术将有效地推进胸壁疾病治疗取得革命性发展。
2 3D 打印技术在胸壁疾病临床应用的研究现状概述
胸壁疾病以胸壁结构变化、受损，甚至破坏为主要临床表现，目前临床上主要分为胸壁肿瘤、胸壁结核、胸廓出口综合征和胸壁畸形[15]。根据疾病性质的不同，对胸壁疾病的治疗主要采取两种方案：胸壁部分切除后的重建与胸壁畸形的矫形[15]。3D 打印技术因其精准性、个性化的特点，在胸壁疾病的外科治疗方面具有很大的优势。
2.1 胸壁重建
胸壁重建是指对胸壁结构稳定性受到破坏的患者进行手术修复，恢复胸壁结构正常与完整，避免发生呼吸功能障碍的治疗方案[16]。胸壁结构破坏的诱发因素主要包括肿瘤切除，创伤型疾病，感染性疾病（胸壁结核），辐射损伤等[17]。现有胸壁修复技术主要包括软组织修复与骨性重建两类。软组织修复稳定性差，易引起胸壁塌陷等并发症；骨性结构修复适用于较大面积的胸壁损伤修复，但传统修复技术受制造生产过程限制，往往只能大致模拟患者胸廓结构，无法保证美观性[18]。3D 打印技术在胸壁重建中的应用不断发展。Aranda 等[19]于 2015 年为 1 例胸壁肿瘤患者进行肿瘤切除后胸壁修复术，为全球首例使用 3D 打印技术进行胸壁重建的案例。Wen 等[20]分别对肋骨肿瘤与胸骨肿瘤各 1 例进行 3D 打印胸壁重建术，结果显示患者术后恢复良好，3D 打印假体与活体组织相融性好，力学性能与弹性性能良好，术后胸壁塌陷与阵发性呼吸困难发生概率明显下降。Aragon 等[21]在手术中设计了一种动态模型，用 3D 打印技术成功模拟了胸廓软骨关节，使假体更好地适应人体，关节运动功能得到较好的恢复，这从一定程度上降低了术后并发症发生率。Simal 等[22]为 1 例尤文式肉瘤患者进行肋骨切除术后的胸廓大面积重建术，与整形外科的合作给予了手术方案中切除与重建环节有效的设计意见，切口的设计与植入假体方式充分考虑到手术切口美观程度与运动功能的恢复，有效提高患者生活质量。
3D 打印技术修复胸壁结构步骤主要包括：（1）假体的设计，借助影像学检查结果，对假体三维结构进行构建与设计。温小鹏等[23]使用计算机辅助软件 Mimics 19.0 对患者 64 层 CT 扫描数据进行三维构建，设计假体更加精确贴合患者胸廓。（2）假体的制作，将假体三维数据导入 3D 打印设备中进行打印生产。假体材料的选择是胸壁重建的关键环节。既往的胸壁重建手术一般采用可塑性布状及网状合成材料，最常见的修复材料包括高密度聚乙烯网片与骨水泥，但这一类传统胸壁修复材料往往组织相容性较差或者硬度不足，甚至易引发胸壁畸形[24]。目前应用于临床的主要有金属（主要为钛合金）、工程塑料、光敏树脂等。以钛合金作为 3D 打印原材料制作的人造胸廓与活体相似程度高、组织相融性较好、力学性能测量显示、其硬度及弹性模量甚至优于正常人体骨骼，对胸腔内脏器有较好的保护作用，较好地弥补了传统胸壁重建术中支撑结构不稳定，不美观的不足[23，25]。除此之外，国内唐都医院于 2017 年进行了全球首例使用 PEEK（新型聚醚醚酮）材料代替钛合金材料打印人工肋骨的手术，PEEK 材料具有质量轻、韧性好、力学性能与真实肋骨极其相近、不影响影像检查的优点，有望替代钛合金成为人造骨骼的首选材料[26]。（3）手术植入人造骨骼假体，一般以钢丝线对假体与骨骼进行固定。（4）术后根据患者病情制定随访计划，了解胸壁原发疾病的变化、塑性效果以及植入假体的位置是否有移位等[18]。
2.2 胸壁矫形
胸壁畸形多是由于先天性疾病导致的胸壁形态异常，漏斗胸是最常见的胸壁畸形之一[25]。漏斗胸为先天性疾病，婴儿期即可患病，随年龄増长疾病表现逐渐明显，症状逐渐严重。患者最主要临床表现为胸骨、肋骨的部分凹陷，使前胸壁呈漏斗状，影响肺功能与心功能（心搏出量等）[15]。漏斗胸的治疗手段不断发展，目前医疗界公认的较为安全有效的治疗方式为 Nuss 手术[27]。Nuss 手术的主要原理是[28]：通过术前测量胸廓相关系数，按照预期的胸廓恢复形态将特殊专用钢板弯折成凸型，利用穿通器在凹陷最深处的胸骨后方建立隧道，将钢板沿隧道插入胸骨后侧，进行 180 度翻转，并固定于胸骨与胸壁两侧最高点处，从而将患者的凹陷胸骨顶起至正常位置，以达到矫形的作用。与传统手术相比，Nuss 手术具有对患者损伤小，出血少，并发症出现率低，术后疼痛轻等优势[29]。Nuss 手术的成功关键在于矫形钢板形状的设计，但传统的方式是借助影像学辅助设计，或者直接通过在手术中多次将钢板插入体内进行矫正。这些方式对提高矫形钢板的适应性作用有限，费时费力，而且存在手术安全性风险[30]。此外，小儿和成人选用矫形钢板只有长度的区别，宽度一样，全然忽略了不同年龄、体型的患者肋间隙的宽度的差异，导致术后患者的胸部的持续疼痛以及对远期胸廓发育的影响。
将 3D 打印技术应用于 Nuss 手术中，可很好地解决目前的系列问题。3D 打印技术在术前评估、模拟手术以及制造精准化假体方面已得到实际有效的临床应用。唐都医院于 2015 年首次开展使用 3D 打印技术生产矫形钢板的 Nuss 手术[31]。行手术的患者胸骨畸形程度严重，且已有两次手术失败经历，传统 Nuss 手术无法取得较好效果。术者首先根据影像学资料制作患者胸廓模型，随后运用 3D 打印技术制作与患者胸廓形状贴合的个性化矫形钢板。除与患者矫形手术完美适应外，此个性化矫形钢板还具有不同于传统留置钢板的可活动性，不仅可随患者胸廓变化改变形状，同时还可随患者胸廓发育改变形状，摆脱了留置钢板可能对胸骨发育的影响。Lin 等[30]应用 3D 打印制造患者胸廓模型以辅助手术设计，10 例平均年龄为 19.8 岁的患者行 3D 打印优化的 Nuss 手术。术前对患者胸廓形态的螺旋 3D 扫描结果被导入 3D 重建软件 OsiriX 中生成 3D 胸廓模型，随后又利用其他软件构建了预测的手术完成后的胸廓形态模型，并根据预测模型设计了植入钢板的形状，精确设定了长度与弯折曲率。结果显示 3D 打印模型的使用缩短了手术时间及患者的住院时间，且患者均未发生并发症。研究者认为将 3D 打印技术应用于漏斗胸治疗是可行有效的。
3 3D 打印应用的局限性与未来的发展方向
3D 打印技术的发展对胸壁疾病外科领域的发展起到了革命性的作用。但目前，这项技术在临床应用方面的发展仍处于探索与实验阶段，未能得到广泛的应用。就目前而言，3D 打印的应用存在一定的局限性：成本高，现有的 3D 打印生产设备造价偏高，并且假体植入手术对术者的手术经验要求严格[32]，这使得 3D 打印技术仅能在极少数资金及科研条件充足的医院得到使用；假体安全性问题，尽管目前广泛使用的钛合金作为假体材料相对安全，但假体植入术中可能产生的碎片等异物也可能对患者的术后恢复造成影响，比如对患者正常活动功能产生限制[33]。
3D 打印技术发展方向应当是在保证安全性的前提下，成为可以广泛应用，成为临床治疗替代的技术[34]。为此，需要诸多领域的研究人员共同合作，解决目前此项技术在临床应用领域存在的问题：材料的选择与新材料的发展决定了 3D 打印假体的成本、有效性以及对人体的适应性[35]；法规的不完善以及诸多伦理问题的存在也是 3D 打印技术发展的障碍之一[36]。总而言之，如何使 3D 打印技术在外科领域更加普及，如何提高其安全性和有效性，是临床工作者与科研工作者未来面临的挑战。
4 展望
随着世界医疗水平的提高，患者对治疗方案的要求也不断严格。在以精准化、个性化医疗为主导的发展趋势下，3D 打印的出现将会对胸壁外科临床治疗领域的发展起到决定性的作用。尽管目前的临床研究资料较少，3D 打印技术仍得到了缓慢推广并越来越容易为患者所接受。相信随着研究的深入，目前存在的诸多技术方面问题都将迎刃而解，3D 打印技术也将在胸壁外科领域发挥更大的能力，逐渐成为这一专科领域的主导性新技术。