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Advanced Science长篇综述:器官模型的3D打印-进展与挑战

已有 1323 次阅读 2021-7-10 12:19 |个人分类:论文|系统分类:论文交流

Advanced Science长篇综述:器官模型的3D打印-进展与挑战

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在临床上许多疾病的治疗中,更好地对疾病进行模拟和重构需求很大。近年来,器官模型作为一种可以复现人体各个器官复杂解剖结构的物理模型,在现代医学诊断和疾病治疗中发挥了越来越重要的辅助作用,可用于帮助术前规划、模拟手术训练、术中导航、医学教育和医患沟通等。3D打印则是一种新兴且快速发展的多功能制造技术,可以有效解决传统方法难以制造复杂结构的局限性,是制造个性化器官模型的理想方法。然而,3D打印的器官模型在当今临床上的应用仍处于小规模的阶段,主要面临制造成本高、3D打印材料的性能不佳,以及模型的准确度不能满足使用需求等挑战。

 

针对3D打印器官模型的上述挑战和进展,EFL(Engineering for Life)团队在Advanced Science期刊发表题为“3D Printing of Physical Organ Models: Recent Developments and Challenges”这一主题综述,硕士生金钟博宇为第一作者,无锡儿童医院的张爱国医生和贺永教授为共同通讯作者。

 

本综述主要聚焦于三点:

1)在不同的应用场景中器官模型有哪些特点和要求?

2)如何针对不同应用来选择合适的3D打印方法和材料?

3)如何降低器官模型的成本,使器官模型可以更简单方便地制造?

 

此外还回顾了用于打印器官模型的主流3D打印技术,分类梳理并详细介绍了当今用于制造器官模型的“直接3D打印方法”和“间接3D打印方法”,重点立足于每种方法中对打印技术和材料的选择。针对人体不同部位的主要器官,系统总结了3D打印器官模型在临床领域的应用进展,并讨论了3D打印器官模型的当前瓶颈和未来发展趋势。

 

图1.器官模型的特点、用途及其与组织模型的区别

 

1.制造器官模型的主流3D打印技术简介

3D打印技术是一种将计算机中的模型数据通过逐层叠加的方式制造成三维实物的快速制造方法。考虑到不同3D技术的原理、材料、性能和成本等影响因素,在器官模型制造中最常用的技术有五种:光固化打印(SLA、DLP)、挤出打印(FDM、DIW)、喷墨打印(InkjetPrinting)、激光熔融烧结打印(SLS)、粘合剂喷射打印(BJ)。每种技术都有其不同的原理和可用于打印的材料。本综述详细介绍了上述打印方法的原理和材料、打印速度和精度、成本和优缺点等特点,为选择合适的打印方法提供指南。

 

图2.制造器官模型使用的主流3D打印技术

 

2.器官模型的3D打印制造流程及方法分类

2.1.器官模型3D打印制造流程

3D打印是一种功能强大的制造技术,但它不能凭空制造,而是要依赖于计算机中合适的CAD数据。器官模型的CAD数据首先通过医学成像得到原始数据(DICOM图像),常用的医学成像方式为CT(电子计算机断层扫描)和MRI(磁共振成像)。原始数据通过一系列图像处理和建模过程可转化为三维数字模型,然后可用于3D打印。3D打印得到的模型往往还需要后处理才能使用。

因此,3D打印器官模型的流程可以总结四步:医学成像——图像处理——3D打印——后处理。

 

图3. 3D打印器官模型的制造流程及主要方法

 

2.2器官模型制造方法

通过3D打印直接打印出完整的器官模型是最理想的方式,但往往面临两个问题:(1)一些器官模型本身的复杂结构难以直接被3D打印;(2)一些用于制造模型的材料的物理特性不足以直接用于3D打印。因此,“让3D打印在制造器官模型的一部分流程中发挥作用”成为了另一种重要的解决手段。本综述将上述方法分别定义为“直接3D打印方法”和“间接3D打印方法”,并对两种方法进行了详细归纳和介绍。

 

直接3D打印方法使用3D打印机直接打印出器官模型本身。受限于3D打印机的打印空间,当模型体积较大时应分为几个部分打印并组装在一起。

直接方法种最常用的技术是喷墨打印、挤出打印和光固化打印,目前已有许多商业打印设备和材料可实现多材料、多色彩和多硬度打印复杂结构,但往往价格较昂贵。挤出打印的成本较低,但FDM技术主要用于制造精度要求较低的模型,DIW技术拥有强大的打印软材料的能力,但依赖于对材料体系的人为改进。

直接3D打印方法的特点是简单方便,工作流程少,几乎适合于制造任意结构的器官模型,相对来说打印具有复杂分支的各类管状和流道结构是其主要优势,在未来更广泛的应用中仍需不断寻找降低成本的办法。

 

间接3D打印方法使用3D打印来制造相关零件,但不直接打印器官模型本身。主要分为“3D打印模具方法”和“3D打印牺牲结构方法”。前者通过3D打印模具来浇注液态软材料并固化,脱模得到器官模型;后者通过3D打印复杂的牺牲结构,涂覆液态软材料并固化,再除去牺牲材料得到中空结构。

间接方法的使用,使得制造器官模型的可选材料类型大大增加,让器官模型的物理特性更加接近真实的器官组织。

间接方法中常用的3D打印技术包括挤出打印、光固化打印、激光熔融烧结打印和粘合剂喷射打印,对打印材料没有额外要求,而常用的浇注材料包括硅胶、PDMS、聚氨酯、琼脂糖凝胶、PVA和PHY水凝胶等许多柔软材料。

间接3D打印方法的特点是3D打印机和材料成本较低,但是工作流程更复杂,有大量的人工操作步骤。间接方法适合用于制造柔性的块状结构,例如肾脏和肝脏的实质。

 

图4. 制造器官模型的直接3D打印方法和间接3D打印方法

 

除了对直接和间接方法的分别使用外,两种方法组合使用也是提高效率和成本效益的有效有段。但对不同模型、不同流程选用的方法是非常个性化的,总的来说应综合考虑以下因素:不同3D打印技术的精度、打印材料(材料颜色、质感、硬度、可打印性、可铸造性等)、打印时间、打印费用。最终决定“让3D打印在器官模型制造的哪些方面发挥作用”。

 

最后,后处理的操作则主要包括表面处理(打磨、抛光)、上色(用不同颜色突出不同的结构)、组装,此外,一些材料对储存有特别的要求,而若器官模型需要被带入手术室使用,则应进行严格的消毒。

 

图5. 器官模型的分类和要求

 

器官模型可以实现许多功能,但不同功能的模型在3D打印流程上也有很大的差别,只有明确不同的要求才能选择合适的制造方法。为此,本综述将器官模型分为三类:

(1)仅供视觉交互的模型,主要复制特定器官的外形和解剖结构,而不模拟组织的物理性能。人们通过观看这些模型来提高对器官结构的理解。

(2)模拟操作的模型,主要用于供外科医生模拟手术操作和训练,或者用于术前规划、术中导航,不仅需要还原解剖结构,而且需要接近真实组织给人的“感觉”。

(3)用于实验的模型:主要用于进行重复性实验或测试设备和器械,例如血流动力学实验。模型往往会被接入其他设备,输入电能、流体或植入特定植入物,来进行那些难以直接在人体内实施的实验,模拟真实器官在实验条件下的情况。

 

3.3D打印器官模型的应用

3D打印使得人们越来越容易地将各种器官的医学图像变成实物模型。器官模型不仅在各类外科手术过程中发挥作用,而且在手术之外的医患沟通和医学教育中也提供了重要的帮助。本综述介绍了3D打印器官模型在神经外科、心血管、胸腔和气管、腹部和泌尿、颅颌面和骨骼肌肉方面的临床应用,并指出了器官模型在这些应用中的重要性。

 

图6. 3D打印器官模型的应用

 

图7.在神经外科的应用

 

图8.在心血管方面的应用

 

图9.在胸腔和气管方面的应用

 

图10.在泌尿方面的应用

 

图11.在腹部器官方面的应用

 

图12.在颅颌面和骨骼肌肉方面的应用

 

4.讨论和展望

把器官模型做的越来越“像”真实的器官组织是一个重要的发展方向,但器官模型的发展远不局限于此。并不是越像真实器官的模型就是越好的模型,而应立足于应用,对于更大规模的临床应用来说,低成本、快速、方便地制造器官模型将是同等重要的。在器官模型的功能上则可以不断拓展,实现百花齐放。

此外,器官模型的未来发展还将体现在以下三个方面:

(1)功能拓展——从“静态”到“动态”。目前的大多数器官模型是静态的,一些动态的模型往往出现在以流动生理学研究为例的相关实验中。让器官模型从“不可动”到“可动”将是一个值得研究的方向。与之相关的有许多值得关注的概念,包括3D打印软材料、柔性电子、软机器人,以及4D打印。这些技术应用于器官模型将从结构变化的维度对模型的动态功能进一步拓展。

(2)应用拓展——从“小规模”到“大规模”。如何使器官模型更便于在医疗环境中制造和应用,这需要解决两方面的问题,一是器官模型在哪制造,二是如何使器官模型的制造成本更低。直接在医院中建立器官模型制造的一个由医生和工程师小型工作室是很有帮助的,而未来3D打印技术的进步也将不断降低使用门槛和成本。此外,目前还缺乏大量的随机对照实验来验证器官模型的效果,若更多的器官模型在医疗环境下被方便地制造,就可以促进对器官模型应用效果的进一步验证,完善器官模型从图像到3D打印到应用效果的全周期研究。

(3)概念拓展——从“形似”到“神似”。人类经过数万年的进化,发展成了如今具有各种巧夺天工的结构的器官,而人们为了“模仿”这些器官所作的努力,形成了如今的许多研究领域,包括生物3D打印、组织工程和器官芯片,还有仿生材料和结构的3D打印,而这些都是与器官模型3D打相近的领域,只是区别在于是否使用了细胞。这些领域可以相互促进、共同发展。在更长远的未来中,3D打印技术的创新将不断为生物3D打印拓展可能性,而物理器官模型和体外组织模型的相互促进作用将更显著。具有完整器官功能的生物制造人工器官将是这些领域融合发展的终极体现,虽然还任重道远,但这就是器官模型从形似(与真实器官具有一样的物理上的形状)到神似(与真实器官具有一样的生物学功能)的必经之路。

图13.3D打印器官模型未来发展趋势

 

 

论文链接:https://doi.org/10.1002/advs.202101394

 




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