西京病院、唐都病院…案例洞悉心血管医疗范畴的3D打印利用情状

根据西京病院，3D打印连系计算机建模，加速了设备测试中对流体力学的研发和理解，3D打印、计算机建模和人工智能的有效整合正在逐渐改动医生培训形式和以患者为中心的医疗办事形式。

亮点包罗：

1）构造性心脏病治疗需要医师深进理解心脏的病理心理学；

2）3D打印手艺能够明显缩短新手艺新营业的进修曲线；

3）计算建模有助于模仿心脏病理心理形态下的物理心理特征；

4）AI手艺有助于构建患者特异性剖解构造，进而促进手术模仿培训。

根据3D科学谷的市场研究，目前3D打印在气度外科有普遍的利用 ，包罗几个重要利用：先本性心脏缺陷 (CHD) 、二尖瓣疾病、三尖瓣介进治疗、左心耳（LAA）封堵、心脏瓣膜人造器官、肺部介进治疗、气管收架、血管收架等。

3D打印心脏瓣膜

© 3D科学谷

/ 先本性心脏缺陷

先本性心脏缺陷 (CHD) 具有多种复杂而特殊的构造。CT、超声和 MRI 等传统成像办法关于评估与 CHD 相关的特殊且凡是扑朔迷离的空间关系不是很有用，因为其二维投影与手术室现实有很大差别。因而，3D 打印模子在心脏手术的术前规划和模仿方面具有显着优势。那些模子以高保实度展现 CHD 患者的复杂剖解缺陷，并可以全面评估其他办法无法获得的特殊空间关系。

几项研究表白 3D 打印模子在临床决策、介进方案、促进医生与患者之间的沟通以及加强对医学生和外科住院医师的医学教导方面的效用。比来一项评估 3D打印 在 CHD 中的利用和准确性的系统评判得出结论，以高精度复杂心脏剖解构造复造的患者特异性 3D 模子在术前方案、手术模仿、决策造定和术中定位方面具有重要价值。

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根据3D科学谷的市场看察，2019年，3D打印处理计划供给商Materialise曾与上海儿童医学中心、爱佑慈悲基金会联袂成立了“Little Hearts of China”公益慈悲项目。连系先辈的医疗手艺、顶尖的医疗团队和慈悲基金向中国贫苦地域患有复杂性先本性心脏病的孩子供给免费的医疗救助。让世界更美妙、更安康是Materialise始末对峙的企业任务，让高科技、让3D打印的开展为那个世界的美妙将来助力。Materialise在医疗范畴的3D打印软件处理计划，可以为复杂先本性心脏病的孩子，供给术前3D建模、3D模子打印，为医生更好地停止术前规划，抉择手术计划，削减手术风险。

/ 二尖瓣

因为二尖瓣与左心室流出道 (LVOT) 的关系、其在心脏后部的位置以及心室、瓣下器官和 LVOT 之间的复杂关系，因而难以评估二尖瓣剖解构造。因为严峻二尖瓣反流的治疗没有医学抉择，其治疗依靠于手术修复或置换，那面对许多挑战。

峻峭的进修曲线，手术的胜利取决于外科医生的专业常识，因为它挑战了从 2D 或 3D 超声心动图投影对瓣膜剖解构造的阐明。通过 3D打印模仿差别的二尖瓣病理过程，，那些模子容许医生在微创瓣膜手术模仿器长进行术前方案和设备测试。

3D打印术前方案关于经导管二尖瓣置换术 (TMVR) 很有用，TMVR 是一种替代治疗办法，用于治疗因术中风险增加而无法手术的严峻症状性二尖瓣疾病。TMVR 有一个十分普及的并发症，TMVR瓣膜置进后易引起左室流出道（LVOT）梗阻，可招致心律变态、充血性心力弱竭以至灭亡，特殊是二尖瓣瓣膜钙化严峻的老年患者，其发作率更高。通过利用 3D 剖解模子，外科医生能够将经导管瓣膜插进模子中以模仿和界定新 LVOT。

西京病院通过加工处置获得患者特异性的3D打印模子，打印出重要剖解构造，包罗二尖瓣复合体、左室流出道及心房面，通过计算机CAD模仿植进收架瓣膜假体，能动态地阐发TMVR术后收架瓣膜对LVOT的影响，进一步通过调整植进假体的内径和长短，看测对LVOT的动态影响。也有助于反应给介进瓣膜的研发团队，从而不竭改进和完美介进瓣膜。因为二尖瓣病变形成患者左房、左室、室间隔厚度的改变，每个患者的左室流出道及继环平面角度都差别，针对目前市道存在的介进二尖瓣，研究团队通过成立患者特异性的左心3D模子，通过将介进瓣模子植进，能愈加实在地反映出患者特征的LVOT梗阻风险。

西京病院3D打印二尖瓣模子体外停止经导管二尖瓣修复

手术模仿

经皮二尖瓣修复术的迅猛开展不竭催生二尖瓣范畴3D打印手艺的利用立异。在国表里学者的不懈勤奋下，良多公司已经能够用3D打印手艺打印出一般或病变二尖瓣的瓣环和瓣叶构造。

/ 三尖瓣

根据西京病院，经导管三尖瓣介进治疗是SHD介进范畴的热点标的目的之一。因为三尖瓣复合体构造复杂，瓣环、瓣叶、腱索、乳头肌等构造因人而异，传统影像学办法在评估右心剖解和三尖瓣复合体方面略显不敷，而3D打印能很好地处理那一难题。

此外，根据西京病院心血管外科杨剑传授的《3D打印手艺在TTVR手术中的利用初探》，基于多素材3D打印模子的术前评估办法同样适用于LuX-Valve®经导管三尖瓣置换系统。通过3D打印模子与瓣膜假体的体外模仿植进，能够进一步阐发更佳植进角度、瓣周漏及其他术中并发症风险。

/ 左心耳（LAA）封堵

左心耳（LAA）封堵早期临床试验和可行性研究中，3D打印手艺的感化其实不凸起；然而在LAA封堵器械在各大病院妥帖利用后，各人很快发现，未开展3D打印手艺的病院，初学者在确定器械尺寸和植进操做身手方面存在明显进修曲线。3D打印左心耳模子使得术者对左心耳的大小、成角、受力区域及其周边组织的构造情状理解更深入。此外，3D打印手艺利用于LAA封堵术围术期规划可以帮手医生确定各类型号器械在差别左心耳剖解构造中的锚定部位，抉择更佳的器械、尺寸以及导管。

/ 心脏瓣膜

目前的心脏瓣膜不会跟着患者的生长而生长，而且必需在多年的屡次手术中停止改换。根据3D科学谷的市场看察，慕尼黑工业大学和西澳大利亚大学设想了仿生心脏瓣膜，以撑持患者新功用组织的构成。儿童将特殊受益于那种处理计划，因为比拟之下，3D打印的心脏瓣膜模仿天然心脏瓣膜的复杂性，旨在让患者本身的细胞渗进收架。虽然还有很长的路要走，但该团队相信那关于患有心脏瓣膜疾病的人来说将是一个很大的改进。

3D打印心脏瓣膜

© 3D科学谷白皮书

组织工程学拥有浩荡的潜力，在医疗范畴能够征服器官移植排斥和药物挑选的问题，而且通过其研究生物功用油管的分子现象，好比伤口愈合以及炎症反响。固然3D生物打印有着浩荡的潜力，但目前生物墨水和打印手艺仍然存在缺陷。那些缺陷障碍了打印打印弹性和高度血管化组织的才能。因而完全基于3D生物打印的造造消费仍然有着很大的挑战性。

/ 将来可能-心脏置换

根据美国加利福尼亚大学的研究团队在《Advanced Materials》上颁发的题为“基于重组人弹性卵白的生物墨水用于血管化软组织的3D生物打印手艺”的文章，在研究项目中证明了利用重组人原弹性卵白做为生物弹性墨水造造复杂软组织的3D打印的可行性。文中提到对血管化的心脏构建体实现生物打印，打印构造展现内皮细胞屏障功用和心肌细胞的自觉搏动，那些是心脏组织的重要功用。别的打印后构造体引起的炎症反响很小，那证明了弹性生物墨水在3D打印生物组织的潜力。或许那项手艺将来将利用于心脏置换手艺。

/ 唤吸系统

3D打印 在复杂唤吸系统疾病的治理中起着至关重要的感化。气管收气管树剖解构造的高度可变性使得原则化介进治疗十分具有挑战性，出格是关于收架置进。根据3D科学谷，传统收架因为不适宜的安拆问题，可能需要经常改换或清洁，而因为与患者剖解构造相婚配，定造式气管收架比原则化产物具有更强的耐受性。

气管收气管收架适用于通过内在和外在气道压缩治疗复杂的中心气道阻塞 ，以庇护气道畅达并为肺部供给通气。由差别素材（硅胶和弹性热塑性塑料）造成的患者公用 3D 收架能够产生非原则的几何图形，有助于预防与未安拆收气管收架相关的后期并发症。借助医学影像手艺和3D可视化软件以及3D打印手艺，开发完全合适患者剖解构造的定造式气管收架。3D打印手艺用于造造定造式气管收架的模具，模具造造完成后，将被用于气管收架成型，气管收架素材为医用级硅胶。

此外，一些团体正在测试可生物降解的收架。国内，唐都病院在2018年1月通过3D打印可降解气管外收架胜利救治气管软化症患儿，发现患儿存在左肺动脉干和胸主动脉的成角畸形，两条动脉持久挤压左主收气管招致管壁发作软化性狭隘。明白病因后，唐都病院考虑到患儿屡次内科治疗效果欠安，于是先后讨论了多种外科手术计划，包罗软化段气管切除术、气管成形术、主动脉悬吊术等，但都因手术复杂、风险大等原因舍弃。连系胸外科前期在4D打印气管外收架方面的工做，综合阐发患者病情决定为患儿施行4D打印气管外收架悬吊手术，最初通过自主研发的3D打印机为患儿造造了1:1气管模子，足够评估病情特征，然后为患儿量身定做了可降解的聚己内酯（PCL）外收架。

/ 血管

自3D打印初次利用于血管手术以来，在血管内手术之前造造了实人大小的动脉瘤复成品以停止手术方案，在过往的 20 年中颁发了许多研究。血管外科中的 3D打印 次要利用于 (a) 肾下和肾旁腹主动脉瘤，(b) 胸主动脉瘤，以及 (c) 大血管的其他进路，如腹腔干、脾动脉、颈动脉、锁骨下动脉和股动脉， 以及门静脉。

大大都血管外科医生利用 CT 和磁共振成像来方案他们的手术，在某些情状下，还利用多普勒超声来获得互补的血活动力学细节。在3D打印血管模子中，FDM熔融挤出是最被普遍利用和更便宜的手艺之一。跟着血管手术的不竭开展，通过3D打印供给从大血管到最小血管的图像，从而能够完全掌握规划手术的区域。3D打印的用处之一是在复杂的胸腹主动脉瘤病例中削减手术时间并改进成果，削减报酬错误 。

金属血管收架方面，基于粉末床激光熔化工艺（L-PBF）的3D打印-增材造造手艺，不只能够造造复杂的几何外形，并且能够调整3D打印金属零件的性能，打印工艺参数和扫描战略展现出对造成零件的微看构造、性能和尺寸精度的显著影响。国内，铂力特3D打印镍钛合金血管收架手艺摸索获得停顿，铂力特根据镍钛血管收架利用特征开发出外形记忆合金工艺，可实现0.1~0.2mm的精巧构造成形，素材具有超弹性，经变形操练后具有优良的外形记忆效应。

水凝胶收架方面，三维收架中的大孔和彼此毗连的微通道是撑持新组织生长和血管化的重要架构疗法。具有设想的大孔和完全互连的微通道（FIM）收集的水凝胶收架的造造仍然是一个挑战。深圳大学陈述了一种通过3D打印和外表交联有效造造包罗设想的大孔和FIM收集的水凝胶收架的简便办法。相关论文以题为3D printed hydrogel scaffolds with macro pores and interconnected microchannel networks for tissue engineering vascularization颁发在《Chemical Engineering Journal》上。通信做者是深圳大学罗永祥副传授。

可吸收血管收架方面，重庆大学生物工程学院王贵学传授和尹铁英副传授期刊Bioactive Materials上颁发研究性文章：3D打印生物可吸收血管收架的两段式降解及促进功用性重生内膜的特征。该研究针对生物可吸收血管收架在体降解特征与血管生物力学微情况动态改变和血管组织之间的彼此感化问题，研究其促进功用性重生内膜修复的机造。发现的收架两段式降解特征，有力地证明了生物可吸收血管收架的优势，也提醒针对该特征设想的组合药物涂层可造福更多的心脑血管疾病患者。

参考材料：

1. Combined use of 3D printing and computer-assisted navigation in the clinical treatment of multiple maxillofacial fractures

2. An overview of 3D printing and the orthopaedic application of patient-specific models in malunion surgery

3. Starting a medical 3D printing lab for otolaryngology-head and neck surgery collaboration

4. Anatomical Engineering and 3D Printing for Surgery and Medical Devices: International Review and Future Exponential Innovations

5. 西京病院：3D打印、计算机建模和人工智能在构造性心脏病中的利用展看

6. 3D打印生物可吸收血管收架的两段式降解及促进功用性重生内膜的特征