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3D打印技术“植入”上海医院

来源:文汇报 作者: 2012-7-23
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摘要: 用3D打印机打出一只塑料耳朵。其实在上海不少医院,医生们已经在用3D打印技术辅助做手术。很快,第四代3D打印机也将引进上海,它能打出钛合金物件,有望直接用作骨科材料植入人体——3D打印技术“植入”上海医院不久前,美国维克·弗里斯特再生医学研究所(WakeForestInstituteforRegenerativeM......



    用3D打印机打出一只塑料耳朵。有点科幻?其实在上海不少医院,医生们已经在用3D打印技术辅助做手术;很快,第四代3D打印机也将引进上海,它能打出钛合金物件,有望直接用作骨科材料植入人体—— 3D打印技术“植入”上海医院

  不久前,美国维克·弗里斯特再生医学研究所(Wake ForestInstitutefor Regenerative Medicine)所长、外科医生安东尼·阿塔拉(Anthony Atala)在TED演讲时,当众捧出了一个3D打印而成的肾脏!这个粉红色的器官柔软圆润,甚至有点粘手……全场听众立即起立鼓掌。

  上海交通大学医学院附属第九人民医院的一些医生也马上在微博上转发了这则消息,不过不是远远地瞧科幻式的新鲜热闹,因为3D打印技术已经“植入”他们和不少国内同行的工作,整复外科、骨科、口腔外科……的医生如今都在利用它辅助做手术;虽然他们用的技术还属“初级阶段”,但已有一大批患者实实在在受益。

  普通打印的“产品”是二维的文字、图片,3D打印的“产品”是三维的立体物件;如果打印机“墨盒”里装的是塑料,就能打出一个塑料制品,如果装上细胞,那就能“打印”出器官。

“全耳再造”,从6小时到2小时

  放暑假了,九院的整复外科病房住进了许多“先天性小耳畸形症”病人——他们能听到声音,但一侧耳朵只有健全耳朵的耳垂大小,甚至几乎没有;为了掩饰不幸的尴尬,他们大都留着长发;而冲着张如鸿教授的全耳再造手术,他们从全国各地赶来。

  全耳再造手术要先取一段病人的肋骨软骨,然后植入耳朵部位的皮肤下,抽掉空气,让它像真空吸盘那样贴紧患者头侧竖起来。当然,软骨植入前先要精雕细刻塑造形状,所以过去做这样一台手术,张教授得在手术室里耗费6小时。如今有3D打印机帮忙,张如鸿事先能得到每个病人“未来耳朵”的塑料模型,手术中的软骨雕刻有了实物参照,动作快得多,全耳再造手术由此缩短到2个小时。

  3D打印是这样帮忙的:医生先给病人那只健全的耳朵拍CT片,获取耳朵软骨的各项数据——CT断层扫描的过程,好似将耳朵“切”成无数层薄片,每一层都拍一张透视片;而后的3D打印,可看作CT的逆过程,它根据输入数据一层层打印出薄片,“堆叠”出一只耳朵。只要1小时,一个栩栩如生的塑料耳朵模型就做好了。

  医用3D打印的远大目标,是要用细胞等等“打印”出人体器官;所以,用塑料打印耳朵模型只如幼儿学步。但临床医学上的这一小步,已足以让今天的医生们兴奋不已:好处明摆着啊!

  给张如鸿等临床医生帮忙的3D打印机,在上海交通大学机械学院的实验室里。这里有从老到新的三代3D打印机,目前用得最多是第三代,它正为上海大部分三甲医院的骨科,以及山东、广东、江苏、浙江等地的一些医院服务,每年使600多例患者受益。

  九院自己也有几台3D打印机,除了辅助全耳再造手术,整复外科、口腔科、眼科的医生还用它帮忙做塑料模型,在给患者修复颅骨、修整下巴、垫高鼻子、重塑颧骨……时派用场。

  

高难手术设计,不再“凭空想象”

  今年早些时候,英国《经济学人》杂志在一篇封面报道中介绍说,在代表未来制造业的新型工厂里,3D打印机根据事先拟定的数字化设计图,打印出各种精细的零部件……这使得制造业摆脱了百多年来标准化、大批量生产的模式,走向个性化、定制化和快速反应的新时代。

  3D打印机最适合临床医学,因为每个病人要用的“零部件”,都必须个性化定制。

  医用3D打印机也依照设计图行事,这张图纸的基础是给患者拍摄的CT片,听取医生的意见后,工业设计师负责修整优化。

  安东尼·阿塔拉医生展示的打印肾脏,虽然还不具备功能,无法用于移植,但已经比打印塑料耳朵模型进了一大步。

  器官3D打印,有赖于生物材料、干细胞、组织培养等多学科的科技突破。有的技术路线,是先用生物材料打出“骨架”,再在它上面进行干细胞培养,诱导形成组织;有的则设想直接打印生成器官;更大胆的想法,是用打印机直接在人体上打印,连植入都省了。

  上海医生眼下用的3D打印技术,还很初级,但好处不少,比如也可以帮他们设计手术。

  骨盆肿瘤手术是骨科领域难度很高的一种手术,医生必须速度快、下刀准,切除要干净。过去,医生设计手术只能“凭空想象”,有了3D打印机,事先能打印出一个与患者一模一样的塑料骨盆,你会看到,这个骨盆上有时会有拼接缝,其实每一条拼缝都是医生手术刀将要触及的切割线。中国工程院院士、九院骨科教授戴尅戎说:“3D打印的骨盆原型给了医生充分的手术设计辅助。”

  目前,这样设计手术在上海多家医院的骨科已成为高难手术前的常规操作。医生们说:“这下手术室不再那么忙乱,一些高难手术的难度因此降低了。”

  

第四代3D打印,“科技革命发生了”

  王成焘教授是上海交通大学机械学院3D打印相关项目负责人,从上世纪90年代就开始关注这种崭新的技术。前几代3D打印机,都只能打印纸质和塑料物件,而他们正计划从瑞士引进的第四代3D打印机,能打印出钛合金物件,有望直接用作骨科材料植入人体。

  王成焘说:“第四代问世之前的那些,都不能算真正的3D打印技术。只有打印出金属物件,‘科技革命’才发生了。”

  在传统工业领域,金属物件的加工是做“减法”——切削钻挖;而3D打印的堆叠模式是做“加法”,这意味着材料大大节省、效率大大提高。但加工金属,离不开热处理如熔炼、锻造,以往的打印机应付不了;而第四代3D打印机实现了技术突破:它的打印头能发射温度极高、焦点集中的电子束,迅速融化钛合金粉,一点一点完成金属的堆叠,最终打印出所需的物件。

  李祥是上海交大参与第四代3D打印机引进的一位科研人员,他请瑞士方面打印过各种形状的小金属块,包括一个下颌骨。李祥说:“打印机堆叠出的金属物件内部有空隙,强度不如锻造的,但用作医学材料,这也许倒是好事。”他曾试验在兔子体内植入这种金属,发现兔子的骨细胞组织钻进了金属块的空隙里,结果金属与兔体组织结合得更加紧密。“这是不是说,今后植入人体的打印金属物件也能与生命体互相包容?”李祥说人体试验还没做过,希望有机会试一试。

  王成焘教授与医学交叉结缘已近30年。当年,这位研究汽车的摩擦学专家到烟台参加一个有关人工关节的医学会议,主持人正是戴尅戎教授;由于摩擦也是研发人工关节的重要环节,两个人就此结识,合作至今。

  “当年的计算机只是286,也没有网络,研发条件简陋得不可想象,但科技把一切都改变了。”回顾近30年来的巨变,王教授说:“直接打印出人造骨的那一天似乎并不遥远了。”

  众多临床医生也在期待那一天。在九院,抓紧培养医科、工科复合型的年轻医生,已经成为许多科室主任的共识;党委书记、眼科主任范先群说:储备这样的人才是当务之急,医生们掌握最新知识和技能,才能更好地造福患者。


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