涵薏

3D打印技術(shù)是國(guó)際前沿技術(shù)之一，從非金屬到金屬材料，從航空航天、國(guó)防軍事到高端制造的金屬部件，都可以看到3D打印的身影。與此同時(shí)，3D打印技術(shù)已經(jīng)進(jìn)軍到醫(yī)療領(lǐng)域。

如果腫瘤不幸長(zhǎng)在了骨盆上，該如何治療呢？在幾十年前，這屬于醫(yī)學(xué)絕癥，僅有兩條路供選擇：第一是不進(jìn)行手術(shù)，走向死亡；第二是選擇手術(shù)，只能冒險(xiǎn)進(jìn)行四分之一半骨盆截肢，身體下半部的一半肢體被完全移除，術(shù)后能夠幸存下來(lái)，但患者的生活苦不堪言——既無(wú)法好好坐著，也無(wú)法好好站立。當(dāng)下，即便在發(fā)達(dá)國(guó)家，這種疾病的保肢治療也屬于高風(fēng)險(xiǎn)、高難度、高并發(fā)癥的手術(shù)，且治療費(fèi)用高昂。

在中國(guó)上海，醫(yī)學(xué)科學(xué)家巧妙利用3D打印技術(shù)攻克了骨盆腫瘤切除與保肢重建這一高難度的醫(yī)學(xué)難題：他們通過(guò)3D打印技術(shù)快速打印出與骨盆腫瘤切除后缺損匹配的個(gè)性化重建假體，在手術(shù)切除腫瘤后精準(zhǔn)安裝，實(shí)現(xiàn)了骨科手術(shù)從傳統(tǒng)的“削足適履”到個(gè)性化的“量體裁衣”治療模式的重大突破，而假體費(fèi)用相差無(wú)幾。

術(shù)后，病人可以回歸正常生活，生活質(zhì)量也無(wú)太大變化。研發(fā)的相關(guān)技術(shù)也已經(jīng)被推廣應(yīng)用到絕大多數(shù)的骨科疾病的治療中。上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)3D打印創(chuàng)新研究中心（依托上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院3D打印中心）已在全國(guó)絕大多數(shù)省、直轄市、自治區(qū)成立了分中心。

日前，《世界科學(xué)》特約記者來(lái)到上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院（下文簡(jiǎn)稱(chēng)上海九院），采訪了上海九院骨科專(zhuān)家、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃首席科學(xué)家郝永強(qiáng)教授。

骨盆腫瘤治療曾是世界難題

骨盆腫瘤手術(shù)曾被譽(yù)為骨科最高難度的手術(shù)，早期很多病人沒(méi)能幸運(yùn)地走下手術(shù)臺(tái)。這是因?yàn)楣桥杈o鄰內(nèi)含大小腸、膀胱及輸尿管、子宮及卵巢輸卵管（女性）的腹腔與盆腔，還有坐骨及股神經(jīng)與腹主動(dòng)靜脈及髂總、髂外、髂內(nèi)動(dòng)靜脈等神經(jīng)血管。哪個(gè)器官都不允許損傷，否則就會(huì)危及生命。比如倘若腸子破了就會(huì)引起腹腔感染，有生命危險(xiǎn)；如果腹主動(dòng)脈破裂，在5～10分鐘內(nèi)，患者的血液就會(huì)流盡。

手術(shù)步驟也異常復(fù)雜：在不損傷腹腔消化、泌尿、生殖等系統(tǒng)器官與坐骨神經(jīng)、股神經(jīng)及大血管等的前提下，找到并準(zhǔn)確分離出骨盆腫瘤的外科邊界并完整切除，再把準(zhǔn)備好的個(gè)性化定制重建假體精準(zhǔn)放置并準(zhǔn)確安裝。

重建假體是第二大難關(guān)，因骨盆腫瘤切除后缺損形態(tài)各一、沒(méi)有現(xiàn)成的假體可以提供，只能醫(yī)工合作定制。過(guò)去這樣的技術(shù)僅在少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家能夠?qū)崿F(xiàn)，定制假體費(fèi)用一般要在10萬(wàn)美元以上，定制周期一般需3個(gè)月左右。國(guó)內(nèi)的骨腫瘤病人無(wú)法承受高昂的定制假體費(fèi)用，時(shí)間上也等不起。

骨盆腫瘤也是一個(gè)誤診率很高的疾病，病人大多有被誤診、漏診的經(jīng)歷。郝永強(qiáng)介紹說(shuō)：一位病人痔瘡看了很久都沒(méi)有好轉(zhuǎn)，結(jié)果是骨盆腫瘤壓迫了腸子，導(dǎo)致了痔瘡的發(fā)生；有病人因?yàn)楣桥枘[瘤擠壓了腸道，引起了腸疝氣，差點(diǎn)開(kāi)錯(cuò)了刀；也有病人因?yàn)槟[瘤壓迫血管，導(dǎo)致腿部長(zhǎng)期水腫，醫(yī)生卻始終無(wú)法找到發(fā)病原因；還有一些病人因?yàn)槟[瘤壓迫神經(jīng)，導(dǎo)致下肢劇烈疼痛、麻木，卻被誤診為腰椎間盤(pán)突出癥，甚至去做了腰部手術(shù)。所以，病人一經(jīng)確診就處于腫瘤中晚期的比例較高。此外，除原發(fā)性骨盆腫瘤外，大部分都是其他器官腫瘤轉(zhuǎn)移到骨盆上的，比如70%左右的乳腺癌和前列腺癌患者都有可能發(fā)生骨骼轉(zhuǎn)移。

郝永強(qiáng)（左）、戴尅戎（中）、姜聞博（右）

骨骼疾病治療躍上新臺(tái)階

20世紀(jì)70年代后期，戴尅戎院士就開(kāi)始了骨關(guān)節(jié)個(gè)性化人工假體的設(shè)計(jì)、應(yīng)用與轉(zhuǎn)化研究。

在一次國(guó)內(nèi)人工關(guān)節(jié)學(xué)術(shù)會(huì)議上，戴尅戎與上海交通大學(xué)機(jī)械工程系的王成燾教授相識(shí)，從此開(kāi)始了兩人長(zhǎng)達(dá)30多年的緊密合作，將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)引入個(gè)體化假體制造領(lǐng)域，初步建成了直接面向臨床的個(gè)體化植入假體數(shù)字制造體系。

20世紀(jì)80年代，他們就設(shè)計(jì)出包括人工半骨盆、踝關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、髖及膝關(guān)節(jié)等第一代個(gè)性化假體，并逐步建立起個(gè)性化人工假體設(shè)計(jì)及制備的技術(shù)體系。2003年獲得了國(guó)內(nèi)首張定制型人工假體的生產(chǎn)注冊(cè)許可證，為眾多的復(fù)雜疑難病例重建肢體功能提供了擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的定制型人工假體。

如今，通過(guò)上海九院創(chuàng)建的3D打印模型、3D打印手術(shù)輔助導(dǎo)板、3D打印定制金屬假體“三位一體”的治療模式的應(yīng)用與推廣，骨盆腫瘤的切除與保肢重建難題終于完成了“破冰”。

腫瘤有多大？長(zhǎng)在什么位置？與周?chē)匾K器、血管神經(jīng)等之間是什么關(guān)系？有了3D打印模型，醫(yī)生與工程師可以一目了然地知曉，討論并確定手術(shù)方案，設(shè)計(jì)3D打印個(gè)性化手術(shù)輔助導(dǎo)板及重建假體。

在手術(shù)中，醫(yī)生應(yīng)用3D打印手術(shù)輔助導(dǎo)板精準(zhǔn)切除腫瘤后，就可以植入為患者“量身定做”的個(gè)性化金屬重建假體。

郝永強(qiáng)告訴記者，上海九院進(jìn)行的骨盆腫瘤切除個(gè)性化假體保肢重建手術(shù)無(wú)一失敗，手術(shù)時(shí)間從過(guò)去的十多個(gè)小時(shí)，下降到3～5個(gè)小時(shí)，5年存活率超過(guò)了50%。定制假體費(fèi)用也僅僅幾萬(wàn)元左右，與國(guó)外動(dòng)輒幾十萬(wàn)相比，大大減輕了病人的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。2014年完成的第一例3D打印個(gè)性化骨盆重建假體治療的骨盆腫瘤患者恢復(fù)非常理想，術(shù)后不久就可以自如地開(kāi)車(chē)去全國(guó)各地旅游。

中國(guó)的3D打印技術(shù)應(yīng)用不僅完全涵蓋了骨科臨床領(lǐng)域，還應(yīng)用到了口腔頜面外科、整形外科等學(xué)科領(lǐng)域；不僅解剖形態(tài)個(gè)性化，力學(xué)性能也實(shí)現(xiàn)了個(gè)性化。

人體共有206塊骨骼，每塊骨骼都有被癌細(xì)胞侵?jǐn)_的風(fēng)險(xiǎn)，但是借助3D打印技術(shù)，現(xiàn)在所有骨骼腫瘤都不再是談之色變的絕癥，而是可以完整切除重建，甚至可以治愈的疾病。

近年來(lái)，在3D打印骨骼重建技術(shù)上，上海九院又取得新一輪的重大突破，3D打印最常用的金屬材料鈦合金是惰性金屬，與骨骼之間無(wú)法整合，永遠(yuǎn)存在金屬假體-骨骼界面，進(jìn)入人體長(zhǎng)時(shí)間使用后，金屬假體-骨骼界面會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)、斷裂、脫落等現(xiàn)象，導(dǎo)致假體失效。科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)反復(fù)研究，在與骨接觸的假體表面打印了能夠讓骨細(xì)胞長(zhǎng)入的金屬骨小梁，鈦合金就能與骨骼長(zhǎng)在一起。3D打印的個(gè)性化關(guān)節(jié)假體真正成為患者身體的一部分，可以長(zhǎng)時(shí)間使用，規(guī)避再次或多次手術(shù)。

令人振奮的是，上海九院3D打印中心研發(fā)打印的具有生物活性的股骨頭和半月板在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)獲得了成功，中心還在不久前拿到了國(guó)內(nèi)首張個(gè)性化骨盆重建假體的備案許可證。

除了連根拔起，還能繼續(xù)進(jìn)行抗癌治療

郝永強(qiáng)展示骨盆3D打印器件

1995年，郝永強(qiáng)考入上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院攻讀骨科學(xué)博士學(xué)位，正式拜在戴尅戎院士門(mén)下。在此之前，他曾在上海中醫(yī)藥大學(xué)師從全國(guó)著名中醫(yī)骨傷大家施杞教授攻讀中醫(yī)骨傷科學(xué)碩士學(xué)位。

在骨腫瘤的診治過(guò)程中，同時(shí)有著中醫(yī)、西醫(yī)學(xué)習(xí)經(jīng)歷的郝永強(qiáng)對(duì)于醫(yī)學(xué)的認(rèn)知有了更深的感受。他告訴記者，之所以會(huì)出現(xiàn)大量誤診、漏診耽誤病情的案例，是因?yàn)槲鞣结t(yī)學(xué)與技術(shù)結(jié)合越來(lái)越緊密，分科也越來(lái)越細(xì)化，培養(yǎng)的醫(yī)生往往缺乏疾病整體觀，“只看人生的病，而忽視了生病的人”，美國(guó)有些醫(yī)院的手外科醫(yī)生甚至荒謬到只看某個(gè)手指的疾病。而事實(shí)上，人體是一個(gè)整體，我們需要用系統(tǒng)醫(yī)學(xué)的思維來(lái)判斷病情，而中醫(yī)整體觀的思維自始至終貫穿疾病診療的全過(guò)程。戴先生那一代的骨科醫(yī)生過(guò)去是沒(méi)有細(xì)分科的，從頭到腳的疾病他們都要診治，積累了大量臨床經(jīng)驗(yàn)后再去攻克某一學(xué)科的疑難疾病。所以，真正科學(xué)的醫(yī)療教育不能過(guò)早進(jìn)行分科教育，學(xué)生先要對(duì)器官、系統(tǒng)整體醫(yī)學(xué)有了深入的認(rèn)識(shí)，然后再去尋找自己感興趣的疾病進(jìn)行深耕。

惡性骨腫瘤是全身性疾病，就診時(shí)往往已有現(xiàn)代影像學(xué)檢查無(wú)法發(fā)現(xiàn)的微轉(zhuǎn)移，由此，絕不能僅僅關(guān)注骨骼，手術(shù)治療前后還要進(jìn)行包括藥物化療、放療、免疫治療在內(nèi)的綜合治療。在后續(xù)治療的研究中，秉承戴院士衣缽的郝永強(qiáng)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)延續(xù)系統(tǒng)醫(yī)學(xué)的思維，他們把目光聚焦到了骨骼腫瘤切除后的治療中。

挖掉被腫瘤細(xì)胞侵襲、破壞的骨骼僅是第一步，重建骨關(guān)節(jié)的假體，不僅僅是承擔(dān)起骨骼原有的支撐及運(yùn)動(dòng)功能，還成為預(yù)防腫瘤的“陣前士兵”，擔(dān)負(fù)起預(yù)防及殺滅腫瘤的角色。

郝永強(qiáng)說(shuō)，腫瘤細(xì)胞在42℃左右就會(huì)快速死亡，今天我們將自主研發(fā)的納米光熱材料涂在假體表面（功能性假體），將抗癌“戰(zhàn)場(chǎng)”“搬”到疑似微轉(zhuǎn)移部位的附近，醫(yī)生可以在人體外對(duì)功能性假體進(jìn)行操控，進(jìn)行局部光熱治療，殺滅假體附近可能殘存的腫瘤細(xì)胞的同時(shí)，人體健康細(xì)胞又不會(huì)受到傷害，熱量可以通過(guò)血液循環(huán)帶出“戰(zhàn)場(chǎng)”。

打印器官，未來(lái)可延長(zhǎng)人類(lèi)壽命

雖然中國(guó)大部分的醫(yī)療技術(shù)仍然處于跟跑階段，但令人自豪的是，中國(guó)在骨骼打印領(lǐng)域的技術(shù)及應(yīng)用已經(jīng)處于世界領(lǐng)先水平。美國(guó)著名的梅奧醫(yī)療中心的骨科團(tuán)隊(duì)在參觀完上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院3D打印中心后，也是連連贊嘆，自愧不如。

郝永強(qiáng)告訴記者，3D打印骨骼看似簡(jiǎn)單，但涉及大量交叉學(xué)科，需要材料、軟件設(shè)計(jì)、機(jī)械制造、打印裝備、臨床醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域?qū)＜彝膮f(xié)力創(chuàng)新，才能完成一個(gè)又一個(gè)個(gè)性化的定制骨骼假體，有著醫(yī)工合作傳統(tǒng)及先天優(yōu)勢(shì)的上海九院骨科無(wú)疑在醫(yī)學(xué)3D打印研發(fā)與應(yīng)用、推廣領(lǐng)域走在了世界的前列。

打印骨骼并不是3D打印研究的終點(diǎn)。今天，上海九院3D打印中心的研究人員還在進(jìn)行打印器官的實(shí)踐。這是一個(gè)充滿夢(mèng)幻色彩的實(shí)踐，大多數(shù)人走向死亡都是因?yàn)槠鞴俚乃ソ?，如果用人體自己的細(xì)胞打印出健康的目標(biāo)器官，置換掉已經(jīng)衰老的器官，就能大大延長(zhǎng)人類(lèi)的壽命。

全球的科學(xué)家都在為此努力，以色列科學(xué)家已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室打印出能夠跳動(dòng)的心肌單元，美國(guó)科學(xué)家也打印出了人體腎臟原型。

郝永強(qiáng)介紹說(shuō)，生物打印機(jī)與目前的3D打印機(jī)原理不同，目前最先進(jìn)的生物打印機(jī)有7個(gè)打印頭，可以同時(shí)打印7種細(xì)胞或生物材料，這些細(xì)胞包括各種器官細(xì)胞，如骨細(xì)胞、血管細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞等。生物打印機(jī)的生物墨水就是細(xì)胞和細(xì)胞因子，打印機(jī)的“紙”就是各種生物材料。在打印過(guò)程中，一般是打印一層生物紙，再加一層細(xì)胞和（或）細(xì)胞因子，然后把打印好的組織或器官放到培養(yǎng)液里，培養(yǎng)存活后，就可以放到動(dòng)物體內(nèi)研究，未來(lái)技術(shù)成熟后就可以放入人體用于治療。

郝永強(qiáng)說(shuō)：“我們不僅可以打印骨骼金屬重建假體，在未來(lái)，還可以用生物材料和自體細(xì)胞打印出具有活性的人體骨頭等器官，這將是顛覆當(dāng)今醫(yī)學(xué)的重大突破！”