陳冉冉 綜述， 畢燕龍 審校

(同濟(jì)大學(xué)附屬同濟(jì)醫(yī)院眼科，上海 200065)

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·綜 述·

3D打印在眼科中的應(yīng)用

陳冉冉 綜述， 畢燕龍 審校

(同濟(jì)大學(xué)附屬同濟(jì)醫(yī)院眼科，上海 200065)

3D打印技術(shù)(three dimensional printing technology)是一種新型制造技術(shù)，愈發(fā)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。3D打印可以將三維成像技術(shù)與材料制造相結(jié)合，輔助構(gòu)造以金屬、陶瓷、復(fù)合材料甚至細(xì)胞為基礎(chǔ)支架的模型或生物組織。目前，在眼科學(xué)領(lǐng)域，這項(xiàng)技術(shù)可以輔助制造眼球模型、眼鏡、眶骨組織、顯微手術(shù)器械等，將來可實(shí)現(xiàn)“生物打印”，構(gòu)建眼球屈光系統(tǒng)組件，這使其在眼科學(xué)有巨大的發(fā)展前景。本文就該技術(shù)在眼科領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀和應(yīng)用前景進(jìn)行探討。

3D打??； 快速成型； 眼模型； 眶壁骨折； 器官打印

“3D打印技術(shù)”，又稱“添加制造技術(shù)”(additive manufacturing)，是一種通過采集三維數(shù)據(jù)，與材料結(jié)合逐層制造構(gòu)件的技術(shù)[1]。其主要過程是電腦軟件將三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)或者計(jì)算機(jī)斷層顯影一系列薄橫斷面(片)輸送到打印機(jī)，從而從下到上依次快速成像[2]。3D打印包括“快速原型技術(shù)”(rapid prototying， RP)、“快速制造技術(shù)”(rapid manufacturing， RM)以及其他制造相關(guān)的設(shè)備、材料和技術(shù)，具有準(zhǔn)確性、方便性、靈活性等優(yōu)點(diǎn)[3]。3D打印技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于多個(gè)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如骨科、仿生結(jié)構(gòu)、整形手術(shù)等領(lǐng)域，部分金屬粉末及高分子材料制造的3D模型已經(jīng)上市。本文就3D打印在制造眼模型、輔助重建眶壁、制造醫(yī)療器材等方面的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 3D打印眼模型

眼睛相對(duì)于人體其他器官，體積較小但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。眼模型可以用于模擬正?；虿±硌劬Φ墓鈱W(xué)性能、評(píng)價(jià)折射原件的特性和指導(dǎo)眼科教學(xué)及模擬手術(shù)等，具有生物功能的眼球模型還可以用于器官移植、藥物學(xué)研究[4]。因此，一種簡(jiǎn)單、低成本的方法制造出逼真、耐用的眼模型，將在眼科研究領(lǐng)域具有重要的意義。傳統(tǒng)眼模型的制造需要許多復(fù)雜部件模型的制造，設(shè)計(jì)、生產(chǎn)周期長(zhǎng)，且精確度不高。然而，應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)數(shù)字模型就可以實(shí)現(xiàn)快速打印，縮短生產(chǎn)周期。此外，這項(xiàng)技術(shù)制造的眼模型將更接近真實(shí)眼球的物理狀態(tài)，精確、真實(shí)；同時(shí)也便于修改，具有靈活性[4]。

Xie等[5]基于Navarro眼球模型的光學(xué)參數(shù)，應(yīng)用3D技術(shù)制造出眼球模型，經(jīng)測(cè)試，它可以實(shí)現(xiàn)在不同觀察條件下對(duì)眼底可視區(qū)廣度的測(cè)量，滿足眼底的觀察與研究的需要。隨著生物材料和該技術(shù)的發(fā)展，準(zhǔn)確模擬人光學(xué)的眼球模型可以實(shí)現(xiàn)模擬、評(píng)價(jià)光學(xué)相關(guān)儀器，如人工晶狀體、軟性角膜接觸鏡等，快速準(zhǔn)確地完成儀器設(shè)備的測(cè)試，研究人類視光學(xué)相關(guān)疾病的發(fā)病機(jī)制與治療[6]。

眼科手術(shù)極其精密，一旦失誤將對(duì)患者造成難以預(yù)計(jì)的影響。應(yīng)用3D打印技術(shù)制造正常及病理眼球模型在教學(xué)和臨床應(yīng)用有很多優(yōu)勢(shì)： 直觀講解眼球結(jié)構(gòu)及疾病發(fā)生發(fā)展機(jī)制，滿足教學(xué)需求及疾病研究；用于眼科手術(shù)教學(xué)、訓(xùn)練，培養(yǎng)新一代眼科醫(yī)生[7]；模擬病理結(jié)構(gòu)，使眼科醫(yī)生在術(shù)前反復(fù)模擬手術(shù)過程，預(yù)估術(shù)中及術(shù)后風(fēng)險(xiǎn)，選擇最佳治療方案；客觀而具體的在術(shù)前與患者及家屬講解疾病發(fā)展過程和選擇治療方案，有利于醫(yī)患溝通[7]。雖然目前還沒有3D打印技術(shù)制造眼球模型應(yīng)用于手術(shù)的報(bào)道，但是，應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)制造模型和假肢在其他很多領(lǐng)域已有報(bào)道。澳大利亞麥考瑞大學(xué)和西悉尼大學(xué)已經(jīng)成功將3D打印制造的骨應(yīng)用于臨床教學(xué)[8]。日本神戶大學(xué)醫(yī)學(xué)院研究者成功應(yīng)用該技術(shù)制作肝臟模型輔助完成肝移植手術(shù)[9]。由于準(zhǔn)確制作出患者肝臟，使手術(shù)者精確選擇捐贈(zèng)者肝臟切割方式，減少肝臟組織損失的同時(shí)保證受捐者的需要[9]。這項(xiàng)報(bào)道使眼科醫(yī)生在角膜移植方面得到啟發(fā)： 實(shí)現(xiàn)3D打印病灶角膜的深度及大小范圍，有利于眼科醫(yī)生選擇手術(shù)方案；實(shí)現(xiàn)一個(gè)供體角膜對(duì)多個(gè)受體角膜移植。雖然這項(xiàng)技術(shù)還在探索中，但是具有廣闊的發(fā)展前景。

2 3D打印輔助重建額眶壁骨

由于外傷、腫瘤等原因造成眼球或眼眶壁缺損修復(fù)在臨床較為常見。改善外觀，最大程度恢復(fù)解剖學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)而保護(hù)腦組織及眶內(nèi)容物成為需要解決的難題[10]。眼球及眶壁的組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜，眶壁、肌肉、血管與神經(jīng)個(gè)體差異較大，傳統(tǒng)意義上的MRI及CT等二維顯影難以對(duì)眼眶周圍血管、神經(jīng)等軟組織全面顯像，容易對(duì)局部的解剖結(jié)構(gòu)及具體病灶部位認(rèn)識(shí)不足，手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)加大，并發(fā)癥多[10]。以往，重建手術(shù)主要靠臨床醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)，估量自體或假體植入物尺寸進(jìn)行手術(shù)，這種方法難免存在偏差，手術(shù)時(shí)間較長(zhǎng)、影響手術(shù)效果。3D輔助重建技術(shù)主要過程是由CT掃描得到二維平面數(shù)據(jù)，再由成像軟件加工并轉(zhuǎn)化為光固化成形數(shù)據(jù)庫，進(jìn)而由3D打印機(jī)打印出3D模型[11]。其最早在19世紀(jì)80年代應(yīng)用于機(jī)械工程學(xué)領(lǐng)域，目前已經(jīng)可以對(duì)額眶面部骨快捷而準(zhǔn)確的顯影，在口腔頜面外科手術(shù)中得到應(yīng)用。Mourits等[12]應(yīng)用3D技術(shù)眼眶重建1例。在該研究中，6歲男孩因小眼球合并巨大眼眶囊腫，囊腫不斷生長(zhǎng)，造成眼球突出、眼瞼腫脹等癥狀，MRI顯示巨大囊腫已經(jīng)造成右眼眶變形，應(yīng)用3D成像和打印技術(shù)對(duì)囊腫輪廓及囊腫造成的眼眶壁缺損準(zhǔn)確分析及計(jì)算，成功應(yīng)用3D技術(shù)輔助囊腫摘除術(shù)及眼眶重建。赫爾辛基大學(xué)中心醫(yī)院針對(duì)2009—2010年應(yīng)用3D模型的口腔頜面外科手術(shù)做了回顧性研究，該研究共計(jì)114個(gè)模型，應(yīng)用于102位患者，平均年齡為50.4歲，病種包括惡性病變(29%)、二次重建(25%)、口腔修復(fù)治療(22%)、矯正畸形與非對(duì)稱手術(shù)(13%)、良性病變(8%)及顳下頜關(guān)節(jié)紊亂(4%)。研究[13]表明，應(yīng)用3D模型在治療計(jì)劃中及預(yù)彎板和植入物定制中有積極作用，提高手術(shù)效率及效果[13]。雖然這項(xiàng)技術(shù)還沒有廣泛應(yīng)用于此類手術(shù)，且成本較高，但具有很多優(yōu)勢(shì)： 可以制造等比例的病灶模型，進(jìn)行術(shù)前模擬，發(fā)現(xiàn)并解決實(shí)際操作中可能出現(xiàn)的問題，有利于選擇最適宜的手術(shù)方案[10]；立體顯示骨缺損，便于制造契合的骨缺損組織，最大程度地實(shí)現(xiàn)對(duì)眶壁骨折解剖學(xué)復(fù)位，改善美觀[14]；對(duì)病灶立體顯示局部結(jié)構(gòu)，便于術(shù)中清晰定位，降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)[6]；由于可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確定位，減少麻醉及手術(shù)時(shí)間，降低手術(shù)費(fèi)用，減少麻醉意外的可能；制造模擬病灶模型，反復(fù)探討，有助于了解導(dǎo)致疾病的原因和作用機(jī)制，提供科學(xué)醫(yī)療證明與鑒定；利用模型向患者及家屬演示手術(shù)預(yù)案，便于醫(yī)患溝通[15]。

3 3D打印醫(yī)療器械和眼鏡

傳統(tǒng)制造業(yè)設(shè)計(jì)生產(chǎn)周期長(zhǎng)，雖可批量生產(chǎn)，但難以根據(jù)患者進(jìn)行個(gè)體化設(shè)計(jì)與制造。3D打印是一種新型制造技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)將二維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三維數(shù)據(jù)空間結(jié)構(gòu)，結(jié)合材料制造技術(shù)，進(jìn)而完成精密器械的設(shè)計(jì)與制造，滿足批量生產(chǎn)的同時(shí)也可以根據(jù)患者的具體數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)個(gè)體化的按需定制[4]。有研究表明，應(yīng)用3D打印技術(shù)制作的假肢、模型及器械，經(jīng)測(cè)試，其單位重量的抗壓性、價(jià)格和個(gè)性化定制方面均較傳統(tǒng)制造有明顯優(yōu)勢(shì)[16]。Leddy等[16]已經(jīng)應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)成功打印制造出軍隊(duì)、海軍手術(shù)擴(kuò)張器。應(yīng)用Fused Deposition Modeling(FDM)打印機(jī)，這項(xiàng)器械打印過程只需要90min，切向力達(dá)到(11.3+0.57)kg，切向力達(dá)到(15.9+0.8)kg才會(huì)出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象；經(jīng)戊二醛標(biāo)準(zhǔn)消毒后，由PCR檢測(cè)，并沒有發(fā)現(xiàn)細(xì)菌及病毒；每個(gè)器械重只有16g，材料耗費(fèi)0.46美元，僅為目前傳統(tǒng)金屬材料成本的十分之一。眼科領(lǐng)域使用的醫(yī)療器械與植入物(如淚道置管、青光眼閥門、引流釘、人工晶狀體等)往往小而精密，且具有個(gè)體差異性，而3D打印具有設(shè)計(jì)生產(chǎn)周期短、經(jīng)久耐用、成本低廉且可以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制的優(yōu)點(diǎn)[17]。研究者已經(jīng)應(yīng)用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)并制造出第1例眼內(nèi)器械： Cana’s Ring(CR)[18]，即一種瞳孔擴(kuò)張器。雖然這項(xiàng)器械還沒有投入臨床使用，但相信隨著3D打印技術(shù)不斷發(fā)展，這項(xiàng)技術(shù)將不斷應(yīng)用于眼科學(xué)醫(yī)療器械與植入物的制造。

存在眼球突出的甲狀腺亢進(jìn)患者，往往在眼鏡店買不到合適的眼鏡；眼鏡架及鏡片選擇存在個(gè)體差異性，而傳統(tǒng)的造型設(shè)計(jì)與制造周期較長(zhǎng)，不能實(shí)現(xiàn)個(gè)人定制。因此，將3D打印技術(shù)應(yīng)用于眼鏡的個(gè)性化定制，具有廣闊的前景。研究表明，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)打印傳統(tǒng)眼鏡架[1]，雖然眼鏡架耐受力、重量、柔韌性、與鏡片契合情況等方面還需要進(jìn)一步研究，但可以預(yù)見，將來的眼鏡市場(chǎng)，可以根據(jù)顧客的需求與個(gè)體差異，實(shí)現(xiàn)快速打印，制造個(gè)體化眼鏡。

4 3D打印與醫(yī)藥生產(chǎn)

藥品“打印”是指一種基于三維數(shù)據(jù)掃描，逐層制造并于材料相結(jié)合制造藥品的工藝。這項(xiàng)技術(shù)較傳統(tǒng)藥品生產(chǎn)模式具有一些優(yōu)勢(shì)： 3D打印藥品可以實(shí)現(xiàn)將液體制劑的靈活性和片狀制劑的準(zhǔn)確性相結(jié)合，使藥品內(nèi)部成多孔狀，增加內(nèi)表面積而促進(jìn)吸收；3D打印實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)等分子打印后可以極大提高藥品有效成分百分比，提高藥品有效性，降低不良反應(yīng)發(fā)生率[19]。藥品以數(shù)字信息形式儲(chǔ)存可以實(shí)現(xiàn)建立藥品數(shù)據(jù)庫(包括藥品劑型、劑量、成分等相關(guān)信息)，在滿足儲(chǔ)存大量藥品信息需求的同時(shí)，可以快速、準(zhǔn)確向各個(gè)醫(yī)藥公司發(fā)送藥品相關(guān)信息，與傳統(tǒng)藥品傳遞比較，將大幅度提高藥品信息傳遞效率，成為一種新型信息化管理藥品模式[1，20]。此外，醫(yī)藥公司甚至個(gè)人也可以從開放的數(shù)據(jù)庫中下載藥品數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)藥品打印。疾病大流行時(shí)，數(shù)據(jù)庫及時(shí)傳送有效藥品信息到各個(gè)醫(yī)藥公司，就近生產(chǎn)、應(yīng)用藥物，有利于快速控制疾病的流行[1，21]。近期，F(xiàn)DA批準(zhǔn)了Aprecia公司首款使用3D打印藥品左乙拉西坦上市。在眼科學(xué)領(lǐng)域，應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)打印出針對(duì)性治療、吸收性更高的藥品，使解決糖尿病性視網(wǎng)膜疾病等復(fù)雜眼科疾病成為可能。

新藥研發(fā)也將受益于3D打印技術(shù)的發(fā)展。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造新藥，需要大量動(dòng)物、人體臨床實(shí)驗(yàn)，研發(fā)成本高、耗時(shí)長(zhǎng)且存在較大的誤差和安全問題。如果3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)細(xì)胞、組織甚至器官打印，新藥可以直接作用于具有生物功能的細(xì)胞、組織、器官，觀察藥品有效性、安全性，提高研發(fā)效率且滿足醫(yī)學(xué)倫理學(xué)的需要。甚至可以打印患者處于疾病時(shí)特殊生物結(jié)構(gòu)，最大程度模擬患者病理結(jié)構(gòu)，選擇不同藥物，測(cè)試最有效的藥物。這項(xiàng)技術(shù)需要3D生物打印技術(shù)、藥理學(xué)等相關(guān)科學(xué)的發(fā)展，雖然還在研究階段，但是具有很廣闊的前景。

5 3D打印制造組織或人工器官

器官移植可以治療很多棘手的疾病，然而供體器官短缺阻礙著器官移植的發(fā)展。3D“打印”器官結(jié)構(gòu)，利用自體干細(xì)胞移植分化，制造具有生物功能的人工器官，具有廣闊的研究前景?！捌鞴俅蛴　笔且环N利用干細(xì)胞為打印材料，打印出具有血管供給的人工器官的技術(shù)[22]。生物打印包括無生命介質(zhì)的打印和生命介質(zhì)的打印兩部分。前者主要指金屬、塑料和陶瓷等材料作為人工器官形態(tài)上的支持，例如羥基磷灰石打印制造出人工顱骨等；后者包括細(xì)胞和生物活性大分子的打印，具體指將具有特定功能的細(xì)胞、酶類和蛋白質(zhì)放入特定位置，使其具有器官的功能[23]。普林斯頓大學(xué)應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)制造出具有生物功能的人工耳朵，其可以通過增強(qiáng)無線電頻率接收強(qiáng)化對(duì)聽覺的感知，并且可以聽立體的音樂[24]。Kador等[25]應(yīng)用3D打印技術(shù)將視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(retinal ganglion cells, RGC)移植于支架上，并處于富含有腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor， BDNF)和睫狀神經(jīng)營養(yǎng)因子(ciliary neurotrophic factor, CNTF)的內(nèi)環(huán)境中，表明視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞可以存活，并保有電生理特性，移植于電子槍支架的神經(jīng)節(jié)細(xì)胞還可以表現(xiàn)神經(jīng)節(jié)徑向軸突生長(zhǎng)。雖然這項(xiàng)技術(shù)還沒有具體應(yīng)用于臨床，但可以預(yù)見，隨著3D生物打印技術(shù)的發(fā)展，將制造出具有生物功能的人工角膜、人工晶狀體、人工視網(wǎng)膜，甚至眼球，這些器官組織，可以解決供體器官稀缺的難題，同時(shí)由于用患者自體的組織細(xì)胞分化，最大程度降低組織排斥，同時(shí)滿足其終生免疫抑制的需要，免疫排斥發(fā)生率較低、更具備仿生生物功能[23]。生物打印還存在許多技術(shù)上的問題需要克服，包括關(guān)于器官血管網(wǎng)的構(gòu)建[26]；如何控制并調(diào)控生物材料、細(xì)胞、組織組成的這種特殊的內(nèi)環(huán)境。這些難題依賴于3D分析、組織工程學(xué)和其他相關(guān)科學(xué)的發(fā)展。

6 展 望

目前，3D打印在醫(yī)學(xué)的應(yīng)用剛剛起步，打印技術(shù)及打印材料等還存在一些弊端： 打印耗材較大；打印采用的材料價(jià)格昂貴使打印成本較高；生物打印還需要組織工程、生物工程、制造業(yè)的發(fā)展與契合[30]。但作為一種新型的數(shù)字化制造技術(shù)，由于其巨大的應(yīng)用前景，使各國都開始積極投入于3D打印技術(shù)的研發(fā)工作。相信科技的不斷進(jìn)步與發(fā)展，其在眼科的應(yīng)用也將愈加廣泛。

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Application of three-dimensional printing technique in Ophthalmology

CHENRan-ran,BIYan-long

(Dept. of Ophthalmology, Tongji Hospital, Tongji University, Shanghai 200065, China)

Tree-dimensional (3D) printing technique is a new manufacturing technique, which has been used nearly in all fields of science. 3D printing combines 3D imaging technology and materials manufacture, to constructs biological tissue from metal, ceramics and composite materials, with living cells, so that it has great development prospects in the ophthalmology. In this paper, applications and the prospect of this technique in ophtralmology are discussed.

three-dimensional printing technology; rapid manufacturing; eye model; orbital fracture; organ printing

10.16118/j.1008-0392.2016.05.025

2016-03-24

國家自然科學(xué)基金(81470028)

陳冉冉(1990—)，女，住院醫(yī)師，碩士研究生.E-mail: ranranchen722@163.com

畢燕龍.E-mail: biyanlong@#edu.cn

R 77

A

1008-0392(2016)05-0119-05