3D打印技术，作为快速成型的一种工艺，在如今科技飞速发展的时代，面领着诸多机遇与挑战。近年来，3D打印技术在生物医学领域取得了突飞猛进的进展。

医患矛盾一直以来都是令人谈虎色变的社会问题，高昂的医疗成本、巨大的手术风险、不够完善的技术，工作人员的玩忽职守，都容易造成极大的经济损失甚至是生命的代价。医疗设备是高度精确的高端设备，没有留下设计错误的空间，任何一个小小的错误都会以无数无辜的生命为代价。

3D打印以精密的影像技术与高性能的可液化、丝化、粉末化的透明树脂为打印的材料，实现了特殊病理结构的可视化，以高精度与优异的表现能力为优势，缩短了手术时间，降低了手术风险，提高了医用材料的整体性能。

1.影像技术

植入件在被植入人体内部之前必须是完美无暇的，为确保植入件与人体内缺失或损坏的部分完美的契合、降低患者由于异物感带来的不适，影像技术能够以极高的精确度模拟出患者不同的病理结构的个性化模型，通过构建出数字化技术实现的仿真实体模型，克服了电脑建模无法做到可视化以及动态模拟的局限性，有利于医生选择手术工具、手术材料以及手术方法。常见的影像技术有核磁共振、计算机断层成像技术和超声，其影像灰度分布是由人体组织特性参数的不同决定的，影像上相邻灰度差值小，人眼对灰度的分辨率低，因而数字化的3D打印影像技术克服了这一问题，发挥了可视化、立体化的优势。

（a）核磁共振      （b）计算机断层成像技术   （c）超声

1.1 工作原理

为了使用3D打印机，需要一个格式为DIACOM 的3D文件，通过数字技术使影像设备生成一系列的体数据集。由具备临床知识的专业人员经过先进的设计软件及数字化工具、即医学影像分割处理软件，将通过设计或扫描所形成的3D模型进行表层的提取与分割，使其成为一个可以打印出来的仿真模型，常见的医学影像分割处理软件有3D Doctors、Analyze Anatomics、Julius等。其原理是分层制造、逐层叠加，即将已经设计或扫描进数字化软件的3D模型，沿某一坐标轴切成有限多个剖面，通过高精度、高稳定性的设备一层一层打印出来，按设计好的原有的位置一层一层叠加起来，形成立体的3D实体模型。从影像处理到实体模型生成，该模型精准地还原了患者的真实病理特征。

（a）影像处理                            （b）objet模型

数字化影像技术的优点有：

1）再现性好

2）精度高

3）使用面宽

4）灵活性高

1.2 影像技术的应用实例

1.2.1植入体的成功实践——荷兰患者移植3D打印头骨

一位荷兰的22岁女性，患有罕见的疾病，导致她的颅骨变得越来越厚。由于大脑受到强大的压迫，这位患者已经失去了视力，并丧失了作出面部表情的能力，丧失其他重要的脑部功能并最终死亡只是时间问题。已经有过很多次3D重建和打印头骨的经验的主刀医师 Bon Verweij成立了小组，最终决定用3D打印头骨换掉患者的头骨。

医疗小组设计出了头盖骨的3D模型，然后找到一家专门从事3D打印的澳大利亚公司将其打印出来。这次手术由Verweij和另外一位外科医生Marvick Muradin带领一个医疗小组花了大约23个小时才完成。据医院说，这次手术获得了巨大的成功。

图1.1 Verweij医生与医疗小组设计的患者头骨模型

传统的人造骨材料常用丙烯酸类聚合物，但该聚合物很不理想。采用3D打印，通过影像技术，根据患者的详细数据打印模型，重塑骨板，可以模拟出精确的患者头骨模型，按照确切大小来制作植入物，具有强大的美容和医学，患者的脑功能恢复往往比传统方法更好。

（a）建立objet模型       （b）利用硅胶模生成生物植入体       （c）植入件完美装配

图1.2 影像技术重塑骨板

“这位女士的视力已经恢复，她已经回去重新工作了。如果按照手术前的情况看，这几乎是不可能的。” Verweij说。

图1.3 利用3D打印制作的塑料头骨

1.2.2病理特征模型精准指导临床医疗——3D打印出新官肺炎模型

今年年初，武汉新型冠状病毒疫情爆发，闹得整个国家人心惶惶，全国各地都采取了防护措施，有些地区甚至进入了战时状态。奋战在武汉前线的医护人员没日没夜地坚守在岗位上，为新冠病毒确诊患者进行治疗，科研人员也在不断地研究病理方面的原理，寻找治疗方案。

3月2日，郴州市第一人民医院3D医学打印中心发布，成功打印出湖南首例新官肺炎模型，用于指导临床医疗。3D打印中心负责人何玉成根据患者龙某的影像学数据，建立了3D肺模型，并且成功打印了出来。

图1.4 3D打印模拟新冠肺炎模型

对于肺部病变的治疗来说，传统方式所用的CT图像是平面的，很难清晰直观地观察到病变特征，而建立三维模型的难点在于细小支气管的成像和血管的成像。在真实的环境中打印设计并测试，应用PIV粒子成像技术，可以有效实现这些细微复杂结构的可视化。

图1.5 3D打印模拟的心血管模型

通过影像技术的引入，3D打印出来的模型是三维立体的，真实的还原了患者的动脉、静脉、支气管，既可以立体旋转观察，又可以带到会诊室随时查看，就像战争中的实景地图一样，让奋战前线的医护人员知己知彼，百战百胜。

要实现影像技术对医学领域带来的突破性成果，精密的仪器设备也是必须的。

医用PEEK 3D打印机，具有ARM架构的32位微处理器，168MHz主频，更高的速度与稳定性，让治疗过程耗时更短，风险更低，为您带来安全又高效的治疗方案。内部LED照明系统与高清摄像头，便于随时监控打印情况，有利于远程监控，成为了3D模型与真实却不可见的人体结构之间的桥梁。

EKO S1010打印机，能实现数字化三轴动态对焦，CO2光功率可达120W，12~28mm/H的成型速度，大大提高了工作效率。

AM 400是在AM 250平台的基础上新开发的增材制造系统。它具有新的系统升级特性，包括配备更大的SafeChange™滤芯、改进的光学控制软件和经改良的气流和窗口保护系统，并提供激光束直径缩小为70微米的全新400 W光学系统。配有一个带阀联锁装置的外部料斗，以便在操作过程中向系统额外添加材料。可以使用通用升降机，拆下料斗进行清洁或换料时直接换上另一个料斗。这意味着能够比较轻松地更换AM 400平台上使用的多种类型的材料。粉末溢出收集器位于真空室外侧，具有隔离阀，可以在系统运行时，将没有使用的材料过滤，通过料斗重新送入系统。

2.PEEK材料

聚醚醚酮(PEEK)是2013年经美国食品药品监督管理局(Food and Drug Administration，FDA)批准上市的骨植入材料，为一种半结晶高性能聚合物高分子材料，在国际上被认为是未来最有希望取代钛合金材料成为骨植入物原材料的下一代生物材料之一。PEEK商业化于1980年，1998年英国Invibio公司将其用于医学应用，同一年，英国威格斯公司 (Victrex plc)推出了可以长期植入人体的PEEK-OPTIMA材料。近年来，这种材料可用3D打印技术进行加工，引起了科学界的兴趣，它未来的发展前景也愈加光明了。

由于PEEK材料的高强度和与人体具有很好的相融性，作为人骨材料和假牙材料已经成功地代替了传统的钛金属和陶瓷。PEEK被工程界称为“21世纪 最有前途的材料”。如今已经有超过200万件产品被植入人体。该材料以其优异的性能和质量得到了众 多医疗器械制造商和外科医生的认可，已经在脊柱、创伤和关节领域全面进入使用。

2.1材料性能

2.1.1物理性能

PEEK的熔点是334℃，结晶峰温度为343 ℃，玻璃化转变温度145 ℃，它的热特性使得它在人体内很稳定。能耐200℃以上高温，可反复高温消毒。PEEK在耐伽马射线和电子束辐射方面表现非常好，李等人发现由PEEK辐射（600 kGray）产生的自由基的生命周期少于20分钟，PEEK及其复合材料具有天然射线透射性和核磁共振兼容性。

2.1.2 化学性能

聚醚醚酮（PEEK）是一种聚芳半结晶热塑性聚合物，化学公式为(–C6H4–O–C6H4–O–C6H4–CO–)n，具有化学惰性，在室温下不能溶于所有传统的溶剂，除了98%的硫酸。水溶性(室温下)是0.5 w / w %。

2.1.3 力学性能

相较于金属材料，PEEK的密度与弹性模量更接近于原生骨骼本身，其弹性系数接近但不完全等于人的密质骨，降低了术后的不适感，并可以有效缓解应力遮蔽效应，且对 X 射线透射呈半透明且无磁性。

PEEK材料具有以下优点：

1）优异的生物相容性

2）弹性模量与骨骼更接近，可以有效缓解应力遮蔽效应，骨骼所受的应力并不完全由植入体承担，使骨骼更健康、更长久

3）刚柔相济，出众的韧性延展性、抗疲劳性

4）适合多种涂层技术，满足各种创新应用

5）医疗器械植入材料的多面手， 从上到下都可以见到它的身影

2.2PEEK复合材料与表面改性

为了改善骨诱导和抗菌能力，PEEK表面需要进行不同类型的功能化，内部结构也要加以改变。在描述PEEK-OPTIMA材料的属性时，我们应该将纯PEEK生物材料和PEEK复合材料区分开来。基于PEEK复合材料的植入物已经可以替代传统的金属和陶瓷植入物。改变PEEK材料的结构是为了加强它的生物力学性能和生物属性。

PEEK复合材料在生物医学领域的应用基于PEEK LT1材料，PEEK-LT1可以包含不同的活性材料，包括羟基磷灰石(HA)和磷酸三钙等。其中首个用于生物医学应用的是PEEK复合材料碳增强PEEK复合材料(CFR-PEEK)，用于骨折固定术。在PEEK matrix材料中加入了碳，对其进行了强化，随着碳纤维比例的提高，PEEK材料弹性系数和抗拉强度也得以增加。另一类PEEK复合材料是玻璃纤维增强PEEK复合材料(GFR-PEEKs)，一种聚醚醚酮的高分子复合材料，含有10%的随机的E玻璃纤维屑（GFR-PEEK），其弹性系数和骨密质相似。

为了增加PEEK材料的生物特性，让骨诱导更精确，需要在β-磷酸三钙（b-TCP）/羟基磷灰石（HA）和PEEK之间制造出无机复合材料，从生物力学的角度来看这些复合材料使得弹性系数显著增加。和添加碳纤维和玻璃纤维相比，HA可能稍逊于b-TCP，没有表现出PEEK 基体很强的机械亲和力。在PEEK中加入40%的HA减少了45%的极限抗拉强度，为44MPa，堪比骨密质，但是HA-PEEK的抗骨折能力没那么好。

还有一种制造PEEK复合材料的方法是在PEEK LT1材料中加入30%CaO–70%SiO的球状粒子，也就是硅酸钙PEEK复合材料（CS -PEEK）。作者改变了整个PEEK复合材料体系的无机粒子浓度，从0 和50 %，发现当CS为10%的时候，弯曲强度为116.6 MPa，增加到20 vol%的时候弯曲强度略有增加，然后随着CS含量增加强度急剧下降，CS增加到20 vol%时，杨氏弹性模量也增加了，随后再随着CS含量增加而降低。CS粒子从30 到 50 vol%时，复合材料的断裂表面有所强化，将 CS集合到一起主要是便于观察。

PEEK-optima LT1的表面被认为是生物惰性表面，植入物的生物相容性强烈地受到其表面特征的影响，包括表面粗糙度、湿润性和化学成分，PEEK的表面疏水性既不能让蛋白质吸收，也不能让细胞粘附。在PEEK表面加入n-TiO2，改善了PEEK复合材料的生物活性，它促进了细胞黏附力，提高了成骨细胞的扩散。在体内研究中，n-TiO2增强了植入物周围的骨再生能力。为了确定抗菌性和骨整合特性，研究人员用表面光滑和粗糙的纳米氟羟磷灰石(n-fha)/PEEK生物复合植入物做了体外和体内研究，表面粗糙的n-FHA/PEEK拥有细胞兼容性，具有良好的抗菌活性，并且遵循骨生成的时间规律在体外触发一系列的事件（(ALP活跃和细胞分化）。

2.3PEEK材料应用实例

颈椎间盘疾病的手术是神经外科手术中最常见的手术之一，但是使用自体骨移植的常规颈椎融合手术会存在一些并发症。为了减少沉降和骨吸收的发生，研究人员开发了新的材料。研究人员将PEEK生物材料引入脊柱笼的制作中，用于稳定腰椎或颈椎前柱，促进椎间融合，治疗退变性椎间盘疾病和/或脊柱稳定性引起的顽固性背痛。

由于更好的弹性、射线可透性以及MRI兼容性（通过正常的放射线照相技术显示愈合进展），使用PEEK材料制作的脊柱笼变得越来越流行。与此同时，它并不具备细胞毒性，只会引起很小的炎症反应。更重要的是，PEEK材质有很好的抗腐蚀性，其弹性和天然骨相似，可以保证负荷分配以及应力分布不受影响。PEEK材质的网笼可以填充储备骨、同种异体骨、骨髓+HAC薄片或重组的人骨形态发生蛋白-2（rhBMP-2）。PEEK材料的另一个优点是它可以减少种植体的硬度，可更适应于周围骨骼的硬度。

颈椎前路椎体间融合术（ACDF）和颈椎间盘切除融合术（ACDF）是用于治疗各种颈椎病的手术手段，例如治疗神经或脊髓压迫、颈椎病和颈椎管狭窄。在过去的十年中，许多临床研究报道都包含了植入PEEK材质脊柱笼的手术手段。Cho等人评估了40例患者颈椎间盘疾病使用的PEEK材质脊柱笼，他们表示，PEEK装置有助于保证颈椎融合过程中的稳定性以及间隙，增加颈椎前凸，增加椎间孔高度。Kasliwal和O'Tooole（2014）回顾性分析了35例随访6个月以上的患者，证实了PEEK椎间结构具有融合率高、临床效果好的特性。Kersten等人在一项系统性综述中共确定了223项研究，根据其中10项研究，研究人员得出了颈椎PEEK网笼融合率高、临床和影像学结果良好的报道。然而，与骨移植相比，能够证明PEEK网笼更好的证据仍旧很少，人们也尚未在PEEK、钛笼和碳纤维笼之间发现差异。与此同时，在临床上直接比较钛和PEEK网笼的文献很少见，比较其放射学结果的更是少之又少。Cabraja等人比较2002年至2007年的252例颈椎钛（TTN）网笼（CeSpaceÒTitan cage）和聚醚醚酮网笼（CeSpaceÒPEEK cage）前路颈椎间盘切除融合后，认为两种不同材质的网笼在临床结果上没有差异。然而，Niu等人的研究显示，PEEK植入物在维持间隙高度和实现放射学融合方面表现优越。Chen等人比较了钛和聚醚醚酮笼治疗脊髓型颈椎病（CSM）的结果后，发现具有良好临床结果的患者中，钛材质为55.2%，PEEK材质则为74.2%。此外，在没有前路颈椎板增强的情况下，单独的PEEK网笼在长期随访调查中都提供了良好的椎间高度和颈椎生理曲度的保持作用，并且提供了比钛网笼更好的临床结果，这些优势也将被加入到多层CSM的治疗中。Sahoo认为PEEK材料在某种程度上来说优于自体骨移植和钛笼，而Zhou等人的回顾性研究，比较了用自体移植填充的PEEK笼的使用情况，发现自体移植填充的独立式PEEK笼是治疗经椎间盘疾病的良好选择。然而，PEEK和钛有一些不良的成像特征，人们仍然需要不停地探索新的材料。