上世纪80年代三维打印技术出现后，尽管采用的是非金属材料，但在医学界却有着非常重要的作用。上海交通大学与上海市第九人民医院合作,在1998年就已将该技术用于个体化人工关节的临床置换中,成果获2004年国家科技进步奖二等奖。通过产业化将这项技术进一步用于涉及骨与牙等人体硬组织的多个外科领域。截止2014年6月,已为全国100余家医院提供了7000余例产品服务。随着三维打印技术的普及,特别是金属直接三维打印技术的出现,这项技术在医学领域的应用正获得更大的发展。
目前,三维打印技术在临床中主要用于三个方面。
1、三维打印患体模型成为医生手术规划的重要依据
X光的出现，使医生在术前得以看到病人患病部位二维影像。 CT与磁共振医学成像技术的出现，使医生能够看到病灶部位的一系列断层图像，构成准三维的患体信息。这两大技术在临床医学中具有里程碑作用。今天，通过骨骼CT影像数据处理和建模，利用三维打印技术可以制作出1：1的患骨三维实物模型，是患体术前信息的第三次提升，使医生不仅可以进行更为细致的手术规划，甚至可以进行手术操作演练。图1是上海市第九人民医院的典型应用病例，利用一位左下肢严重畸形青年女性患者(图1a)三维打印患骨的精确模型(图1b)，看到骨骼和关节的细部畸形状态，制定了精确的手术方案，使手术取得完美成功。术后该女青年已完全正常行走和上下楼梯，享受正常人的生活质量(图1c)。在没有三维打印模型的条件下，这样的手术很难进行。
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图1骨骼模型与手术规划
目前，患者病患部位三维打印模型已逐渐成为医生重要的手术规划依据，也是我们产业为临床服务的第一业务。
2、三维打印手术模板在手术精准化方面具有广阔的应用前景
近年来，基于三维打印技术的数字化手术模板被广泛运用到手术精准化中。
对脊柱侧弯等患者，通过钉—棒系统进行融合手术是目前主要治疗手段(图2a)，要将椎弓根钉准确植入椎体是一项难度很高的医术(图2b)。如今，医生在计算机所建立的患体三维模型上确定好钉道后，通过导板设计(图2c)和三维打印，快速制作出术中使用的植钉导板(图2d)，明显提高了手术的精准性和可靠性。该方法由昆明军区总医院提出，目前已在全国医院广泛应用。
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图2 脊柱椎弓根钉植入用的精准手术模板
在整形外科、口腔科，以及种植牙手术中，针对患者个体化设计的手术导板已成为我们三维打印产业服务的重要内容。
3、三维打印技术成为个体化硬组织外科植入物制作的基本依据
医学治疗的个性化是21世纪医学发展方向之一。
在骨组织外科中，由于骨病损状态是随机的，因此用于骨缺损修复的植入物只能是个体化的，必须 “量体裁衣，度身定做”。术前对患者骨骼进行精确的在体三维测量非常困难，今天，患骨三维打印模型使“量体裁衣”成为可能。图3(a)所示颅骨破损患者，按传统治疗技术，医生在手术室面对患者破损颅骨当场裁剪、弯制钛网进行修补，操作复杂、手术时间长、风险大。现在利用患者破损颅骨三维打印模型(图3b)术前精确制作出人工骨修复体(图3c)，大大缩短手术时间，提高了手术质量(图3d)。
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图3 基于3D打印模型的颅骨破损技术
图4是基于患者三维打印骨模型设计制造的人工骨盆及置换手术后的X光片。
图4 个体化半骨盆置换
在个体化人工关节置换、个体化接骨钣、个体化骨盆修复等临床手术中，三维打印技术得到广泛应用，并且随着计算机辅助设计和制造技术的发展，在临床中日益推广。
今天，医生对三维打印技术的需求不断提高。广州军区广州总医院在上海交通大学的技术支持下，于2008年建立了为全院服务的三维打印技术中心，目前已为骨科、整形外科、口腔科、泌尿科、妇产科等提供了700余例临床服务，三维打印设备增加到三台，并由广东省物价局定价，成为正规的医疗服务。这一模式完全可以在全国有实力的医院中复制推广。
4、金属三维打印将使硬组织外科植入物技术产生革命性的提升
金属三维打印技术的出现给硬组织外科植入物的进一步发展提供了强大的技术支撑。
(1)金属三维打印技术改变了传统骨科植入物的设计与制造工艺
图5是北京爱康宜诚医疗器材股份有限公司研发的使用金属三维打印技术制造的人工髋臼产品，由于表面的多孔结构与髋臼母体一体化打印制造，使表面多孔层与母体成为完整的整体，彻底解决了我国人工关节产品多孔表层制造的技术瓶颈。
图5 多孔表层与母体结构整体三维打印的人工髋臼
(2)金属三维打印技术是个体化植入物临床应用的强大推力
其最大特点是直接将计算机中的个体化植入物三维设计转化为由钛合金、钴铬钼合金制成的植入物。除配合面须要加工外，不再需要中间繁复的工艺过程和装备，多孔表面也可一次性生成，不仅效率高，而且可以回避传统制造工艺的限制，实现结构的优化。
图6 金属三维打印直接将个体化髋臼设计转化为植入物
人们可以设想，有一天医院自己可以建立三维打印植入物制作中心，根据医生的治疗需求和设计，自己打印临床需求的植入物，快速提供临床使用。
(3)金属三维打印将带来口腔修复技术的一场革命
传统口腔修复义齿(俗称假牙)的制作，首先由口腔修复科医生制作出石膏模型，然后交付后方技工所，通过修模、排牙、用失蜡浇铸工艺制作金属牙冠、然后通过表面烤瓷等繁复过程完成，其中金属牙冠失蜡浇铸工艺制造周期长、精度差。金属三维打印可按计算机中的牙冠设计直接打印出金属牙冠，如图7所示,它和牙列激光扫描技术组合,将促成口腔修复医学技术的革命。
图7 金属三维打印直接制作的金属牙冠和烤瓷牙
5、三维打印临床应用技术的下一步
三维打印技术正努力迎接临床的进一步需求。
(1)软组织的三维打印模型制作
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图8 含软组织的三维模型
如今，妇产科、泌尿科、心血管外科等领域都不满足二维医学影像的信息，迫切须要患者相关的三维模型信息，如图8(a)中的心脏模型。临床还进一步需要软、硬组织组合的三维模型，如图8(b)中的脊柱与肌肉、血管、中枢神经组合模型。其核心技术是软组织医学影像数据处理和建模技术，以及多模图像配准技术，这是医学图像处理与建模领域热点研究的课题。临床还须要模型中的组织具有手术中的手感，如摆锯切割的真实感，拉动肌肉的力感，这是三维打印材料与打印工艺领域研究的热点。
由于这种需要，引发了产业界对医用三维打印专业设备研发的关注。
(2)多孔金属打印技术的深入应用
金属三维打印可以方便地制作各种空间结构和孔隙度的多孔钛实体，它将改变假体由大块实体金属材料构成的传统模式，实现轻量化，使假体的力学性能与人体骨组织更为匹配，并为植入物与组织工程技术的融合创造条件。这些都将对未来植入物的设计产生深远的影响。
图9是第四军医大学西京医院的成功案例，他们应用三维打印技术，不仅合理地解决了人工锁骨的力学和解剖形态设计，而且利用假体的多孔性能，提高假体的生物活性。
图9 具有生物活性的金属三维打印多孔结构人工锁骨
多孔结构为金属假体中植入自体骨组织或组织工程骨提供了可能，上海交通大学的研究表明，通过多孔钛植入物表面生物涂层技术，以及细胞植入技术，未来的金属植入物有望能与人体软组织，如肌腱、韧带长合，使目前的骨科植入物技术产生革命性的变化。
结束语
三维打印技术自诞生之日起，就被医学界、特别是硬组织外科领域广泛采用，至今已有20多年历史。金属三维打印更为这项技术的医学应用开辟了广阔的前景。目前被科学界广泛关注的细胞三维打印技术，致力于直接打印出人体组织，是非常重要的基础医学研究内容，尽管目前还不能像上述技术那样直接服务于临床需求，但这是未来医学的方向。
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