3D打印在整形外科领域的应用现状及展望

【摘 要】3D打印是一种新兴的快速成型技术，伴随其技术的进步，3D打印被越来越多地应用在制造业的各个领域。医疗整形行业存在巨大的市场，3D打印技术可以满足一部分消费者需求，发挥其用武之地。本文从梳理3D打印技术概况和特点入手，在分析该技术在医疗整形领域的应用现状的基础上，同传统整形行业进行对比，指出其应用的难点并对行业发展前景进行展望。

【关键词】3D打印；整形外科；应用

一、3D打印概况

1.3D打印概念

3D打印技术，被视为第三次科技革命的重要标志之一，其与原子能、电子计算机、生物工程、空间技术等比肩，带动了人类科技的又一次飞跃。因此，以3D打印为代表的数字化制造技术，被《经济学人》杂志认为是引发第三次工业革命的关键因素。近年来，这一技术逐渐引起世人的广泛关注，其应用所涉及的领域也越来越多。

3D打印是增材制造的俗称。与传统对原材料进行切削的减材制造方法正相反，3D打印的过程好比用砖头砌墙，逐层增加材料，最终形成物件。具体地说，先通过计算机软件设计出立体模型，再利用3D打印机，将液化、粉末化、丝化的固体材料逐层“打印”出产品。正是由于省略了切割、磨削、熔融、腐蚀这些传统处理原材料的方式，3D打印实现了对原材料的节约，也大大缩短了生产周期。这对于制造业提高效率、降低成本有着重要的经济意义。

2.医学领域关于3D打印的文献综述

3D打印为医学的发展提供了新的思路，开辟了新的广阔应用领域。随着医学的不断进步，人们对于精细化、个性化的需求不断提升，3D技术得以大展身手。整形外科手术实施过程存在一系列复杂的结构处理问题，一直以来，医生都是凭经验完成，无法精确定位成为制约行业发展的瓶颈。3D数字成像和打印技术的出现有效解决了这一问题，这也是3D打印在医学领域蓬勃发展的主要原因。

国内学者李青峰（2014）对于3D打印技术在整形外科领域的发展阶段进行了总结：第一阶段为单纯的模型制造，可以实现假体的个性化定制、颅骨缺损的个性化修复、下颌骨重建术及截骨手术等；第二阶段由单纯的模型制造功能拓展到生物制造，用生物材料制备个性化假体，可直接植入人体，无需雕刻；第三阶段，3D技术已日臻完善，通过与生物学、计算机技术等的结合，能够实现生物活性打印，将结构与细胞同时打印。胡迪·利普森（2013）提出了“3D打印生命阶梯”的概念，把身体各部位根据复杂性排列成一个阶梯。无生命的假肢位于阶梯的底层，中层是简单的活性组织，如骨与软骨；简单组织之上是静脉和皮肤；最靠近阶梯顶层为复杂且关键的器官，如心脏、肝脏和大脑。3D打印的技术路线则遵从生命阶梯，实现由简单到复杂的逐步发展。此外，罗强等学者深入研究了3D打印技术在矫形外科的应用，主要包括三方面：第一，制定手术方案。通过术前计划及手术操作练习，缩短手术时间，提高手术成功率；第二，个性化假体制作。根据患者的实际情况，定制个性化、特殊需求的假体；第三，骨组织工程。主要是将3D打印技术应用于制作结构复杂、形状各异的组织工程支架，甚至打印组织工程人体器官。由于3D打印技术的高精确性，可以满足患者的个性化需求，并且打印器官的相容性较好，利于患者恢复。

二、3D打印的技术分析

1.3D打印所依托的关键技术

3D打印在医疗领域是一项多学科交叉的高新技术，是计算机辅助设计、计算机辅助制造、精密驱动、数字控制、生物等一系列技术的高度集成。概括起来，主要有以下几方面：

（1）信息技术。3D打印是根据计算机辅助设计（CAD）模型逐层完成实体模型的。对医生们来说，这项技术就像是“躲在医生身后的手术助手”。一般情况下，医生只能通过放射科的二维影像了解患者的情况。而3D打印技术可以将患者的病灶通过扫描完整地打印出来，形成三维的、可以拿在手中的模型。

（2）精密机械。随着技术的不断进步，人们对于精度的要求越来越高，因此必须有高精度的设备作为支撑。现今成熟的3D打印技术多以高能激光作为发生器，使用液态光敏树脂进行立体光刻，让那些可塑性比较强的材料（如液体材料）在特定波长的光线下曝光，使其迅速硬化，从而实现精准打印。目前最薄的打印层仅有25微米，完全能满足人们对于整形方面的精度需求。

（3）打印材料。3D打印技术可选择的材料范围很广，从聚合物到金属材料，从有机到无机，为该技术提供了一个重要的先决条件。工业零件等需要满足一定强度的制件可以选择硬度较高的材料，而应用于医疗整形的材料就要考虑柔韧度和安全性。砂砾、石料、塑料等均可作为3D打印的原料，既解决了材料供应不足的问题，也降低了成本。

2.3D打印技术同传统技术的对比

（1）优势

3D打印的优势：①稳定性与精确性。目前的外科整形存在一系列复杂的结构处理问题，如颅面骨三维结构的定位、移动和重建，软组织形态结构的三维重建等，对定位的精确度要求极高，这也是传统整形外科技术的瓶颈。3D打印技术的显著的优势在于有精准“提前预演”，不仅具有极高的稳定性和精准性，而且能保证修复的结果与就医者的心理预期相一致。②个性化定制。3D打印可以根据每位整形者整形部位的特征“量体裁衣”，打造完全契合身体构造的部件。③解决复杂的医疗手术问题。例如，头部手术属高风险性复杂手术，通过3D打印技术模拟演练以及精准的操作可降低其手术风险。④生物相容性良好。Stratasys公司在生物相容性方面的技术突破使得3D打印面部骨骼整形的术后并发症概率大大降低。如PolyJet光聚合物材料已通过包括细胞毒性、基因毒性、迟发型超敏反应、过敏性和美国药典塑料 VI 级5 项医疗审批。⑤缩短手术时间，提高效率。

（2）劣势

相对于传统整形行业，3D打印的劣势也较为突出：①主导的技术标准、开发平台尚未确立，技术研发和推广应用还处于无序状态。虽然在2012年中国成立了3D打印技术产业联盟，但其发展的步伐仍然较慢。②3D 打印技术可以复制很多东西，对人体指纹、虹膜的复制可能导致生物特征识别技术失败，涉及到社会稳定、伦理道德等问题。③3D打印的个性化定制很难形成规模效应，产业化能力低。④设备及材料的成本费用高，难以大面积推广。⑤尚有许多技术未突破，能整形部位只限制在少数几种。3D打印基本上还是“硬打印”，在双眼皮等简单手术中因其和原有技术相比无明显优势，难以打开市场。⑥国内缺乏掌握3D医用整形技术的专家及医疗团队。目前，3D打印在我国还是新兴事物，多数应用于制造业，在医疗领域基本空白。在美容整形这一领域的资深专家不了解3D打印技术，难以发挥专长。

三、3D打印技术应用于整形行业的市场分析

1.整形市场需求巨大

人们对美丽的追求给予了整形行业以生命，也推动其不断发展壮大。由于国际时尚潮流的涌入和审美趋向的个性化，越来越多的人希望通过整形美容来塑造一个全新的自我。国际美容整形外科学会调查显示，早在2009年中国的整形手术量已达340多万例，成为继美国和巴西后全球第三整容大国。目前我国美容机构市场规模已超过4500亿元，且将保持10%以上的增速，预计2018年将超过8500亿元。截止2012年底，中国从事整形美容行业相关人员已达60余万人，整形美容相关行业年产值突破287亿。需求即意味着潜力，也让3D技术有了可以依托的载体。

2.3D打印应用空间巨大

消费者不断上涨的需求，推动了美容业的改革和创新。目前市场上存在的整形项目种类繁多、前景广阔，但竞争也同样相当激烈。我们期待3D打印发挥得天独厚的优势，诸如精度高、速度快等，在细分市场上占据一席之地。由不同整形项目在医院收入中所占比例可以看出，隆胸、隆鼻、颌面部整形三个项目总共占据了美容整形市场份额的62%。目前，鼻梁整形是植入硅胶或Gortex的人工鼻模，让鼻梁更立体；鼻头是利用耳朵软骨或鼻中隔软骨来雕塑。在欧美日韩普遍受欢迎的隆胸材料是果冻硅胶，但倘若其在体内破掉后，并不会立即有感觉，因而会产生衍生物渗漏的问题。而3D打印精细化、误差率小等优势可以为隆鼻、隆胸等植入手术提供大量精准的模型材料。并且，随着3D打印向生物活性打印领域发展，手术中的安全问题也将被更好地解决，弥补传统整形手术的不足。

此外，3D打印在骨组织代替品制作方面也有巨大的发展空间。由于疾病、自然灾害、事故工伤的发生和局部战争，导致每年发生骨创伤的人数在全世界约有数千万。据不完全统计，中国骨缺损患者每年达300万人次，并呈增多趋势，但目前仅有2%的患者得到了有效治疗，潜在市场在20亿美元以上。在国外，一公司将3D打印技术应用于义肢打印，该义肢成本价大概是100美元，只要6小时就可以打印出来。低廉的价格给那些被战争蹂躏的苏丹残疾儿童带去了希望。随着我国步入老龄化社会，骨折等病损日益增加，老年人群体对骨组织材料的庞大需求，和目前市场上骨组织材料的供应不足，将给3D打印在骨科领域的应用带来巨大的空间。

3.面临的问题

作为崭新的应用领域，3D技术在美容整形方面的推广并非一片坦途，还面临着来自多个方面的问题：一是知识产权的落后，很多企业的研发和知识产权都是国外的，技术上的不自主不利于本国范围内新兴技术的普及；二是我国3D打印装备的可靠性和材料研发上和国外有一定的差距，部分3D打印机的关键器件需从国外进口，而用国产零件生产的打印机稳定性不够；三是目前我国3D打印应用面还比较狭隘，局限于模具打印、文化创意产品等少数领域，在医疗方向上尚未取得实质性的突破，难以将其大面积推广；四是高成本。目前，3D打印设备、运行费用成本高昂。而且由于打印出来的都是个性化模型或假体，不可能通过大批量生产来降低成本。只有实现成本的降低，才能使产业扩大化。

四、前景展望

国内对3D打印技术寄予厚望。工信部等政府决策层制定3D打印技术路线图和中长期发展规划，意味着该项技术已得到战略上的重视和认可，对其进一步成熟和产业化运用起到关键的作用。在生命科学的研究和应用中，3D打印以“细胞打印”“仿生定制”等形式出现，把标准化、自动化的机械加工业生产方式，应用到生物工程、生物制药和临床医学等领域，已取得丰硕成果。以生物组织为原材料的制造业，有望成为高端制造业的重要组成部分。3D打印技术将促进我国在生物能源开发利用、生物和化学药剂试验、人体组织和器官再造等领域的技术进步，在整形美容领域的应用不但可以实现个性化定制，最大限度满足客户需求，而且也为传统整形手术注入了新鲜的血液。随着技术的不断发展、材料的研发和更新以及医生熟练度的提高，整形行业必将迎来成本降低的浪潮。低成本会让科技成果惠及大众，从而激发潜在消费需求。

当前，3D打印技术虽存在一系列问题与不足，但随着各项技术的发展、相关专业人员的培训，在未来的临床工作中，尤其是矫形外科疾病诊疗中，3D 打印技术势必会发挥越来越大的作用。

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