3D打印技術的出現，為制造業帶來巨大變革，該技術發展迅猛，并廣泛應用于醫療、生物組織工程、工業、軍事、航空航天等多種領域。2013年美國總統奧巴馬在一次國情咨文演講中肯定了3D打印技術的重要性。2015年8月21日盧秉恒院士在國務院的集體學習會議上作3D打印技術專題報告，引起國家的高度重視，并提出：“3D打印技術是制造業具有代表性的顛覆性技術，實現制造從等材、減材到增材的重大轉變，改變傳統制造的觀念和模式，具有重大價值”。
近年來，3D打印技術在神經外科掀起一股熱潮，先后應用于腦血管疾病、顱底腫瘤、脊柱脊髓等多個領域，輔助術前手術計劃制定、醫患溝通、臨床教學、技術培訓等。3D打印材料迅速開發，部分已用于臨床，如3D打印顱骨修補材料、3D打印人工修補硬腦膜等，其顯示出巨大優勢和極高的應用價值。本文就3D打印技術在神經外科領域的應用進行述評。
1.3D打印概念介紹
3D打印（3D Printing）技術，也稱為快速成型技術（rapid prototyping）或增材制造（additive manufacturing），是指一種與傳統材料去除加工方法相反的，基于三維CAD模型數據，通過逐層增加材料，逆向制造出與相應數學模型完全一致的三維物理實體模型的制造方法。該技術的思想起源于19世紀末美國一項分層構造地貌地形圖專利。1984年美國科學家CharlesHull發明了將數字資源打印成三維立體模型的技術；兩年后，ChuckHull發明了立體光刻工藝，通過利用紫外線照射將樹脂凝固成形的方式進行模型制造，并獲得專利，開發出第一臺商業3D印刷機，這是3D打印技術發展的里程碑。
自1995年美國ZCorp公司開發第一臺3D打印機，到2005年首個高清彩色3D打印機問世，經歷10年時間。2010年后3D打印進入快速發展階段，從手槍到衣服、從汽車到珠寶首飾均可應用3D打印技術制造。3D打印技術在醫學領域的應用始于牙科與頜面部手術，其后在各個醫學亞專業學科的應用均得到探索發展。外科應用的打印材料通常基于粉末，包括尼龍粉末、ABS粉末、金屬粉末、陶瓷粉末和干細胞溶液等，且可根據目標打印物的性質選擇不同材料，如陶瓷、塑料、樹脂、高溫合金、不銹鋼和鈦等。打印精確度主要依賴于使用的設備，3D打印的解剖結構對比原標本具有高度精確性，一項研究報道對結構＞10mm的標本平均誤差在（0.32±0.054）mm。最新的3D打印技術已實現不同質地的材料打印，即多彩多質（例如骨骼、肌腱等），從而更準確地復制原始標本。
2.3D打印在神經外科領域的應用
2.1 3D打印在神經外科教學及培訓中的應用
2017年國務院辦公廳印發《關于深化醫教協同進一步推進醫學教育改革與發展的意見》，對高素質醫學人才培養提出更高要求，其中重點強調要全面提升人才培養質量，強化醫學生的臨床能力培養。神經外科具有獨特性、復雜性、立體性、精準性等特點，需要良好的空間想象能力及不斷進行解剖結構的強化學習，才能達到良好的訓練效果。
目前醫學教育體系中，神經外科顱腦解剖與外科手術教學脫節，大批神經外科醫生從醫學院畢業后到熟練掌握各級手術前，存在嚴重的培訓斷層和學習需求。所需顱腦解剖標本匱乏，涉及到具體疾病的標本模型尤其稀缺，隨著3D打印開始應用于教學解決了這一問題。WANG等利用3D打印動脈瘤模型對青年神經外科醫師進行培訓，可提高青年醫師對動脈瘤解剖的理解；同時，可提高青年手術醫師的基本手術技能。國外臨床醫生采用3D打印腦室模型進行第三腦室底造瘺術的培訓，這些模擬器均由可重復使用的基礎部分以及一次性使用的可變壓力模擬腦室系統組成，神經外科醫師可在其中進行手術模擬操作。
在教學培訓中，3D打印能夠滿足較大的標本需求量，彌補人體組織標本短缺，并可對不同病變進行高度針對性模擬教學，同時較人體標本更加清潔衛生，具有獨到優勢及廣泛前景。
2.2 3D打印在顱骨修補材料的應用
3D打印顱骨修補材料在臨床取得良好應用效果。KIM等利用3D打印技術，采用聚甲基異丁烯酸（PMMA）作為修補材料，在術前將頭顱CT掃描數據進行建模，打印出顱骨模型，植入顱骨缺損部位，達到非常完美的修補效果。同時，即使簡易3D打印機也能出色打印修補材料，且具有成本較低的優點。
目前國內廣泛應用的3D打印修補材料主要為聚醚醚酮（PEEK），尤其是對顱面復雜外傷后顱骨缺損病人，3D打印較傳統鈦網修補材料具有精準度更高、組織相容性更好的特點。
2.3 3D打印技術在腦血管病手術中的應用
腦血管病手術是神經外科手術中風險較大、難度較高的手術，具有很高的致殘率與致死率。術前，醫師需要充分解讀影像資料，以便對術中解剖達到深刻的理解和認識，傳統上依賴于醫師自身較好的空間想象能力。在過去幾十年中，腦血管疾病的影像診斷已經從2D血管造影發展到3D、甚至4D血管造影，盡管現在3D影像重建技術在一定程度上可以幫助外科醫生理解疾病的解剖學細節，但難以提供更加實際的手術體驗。
3D打印腦血管病模型可完美解決這一問題，疾病模型不僅可以從任何角度查看，模擬手術中的解剖方位，同時可以觸摸、可以操作，能夠逼真模擬實際手術過程，是一種更有利的可視化方法。對動脈瘤夾閉手術，透徹理解動脈瘤的形狀、朝向、瘤頸及動脈瘤與鄰近動脈及其分支、腦組織、腦神經、顱骨的關系至關重要；對復雜動脈瘤手術，術中挑選及調試動脈瘤夾也是手術的難點之一。
自D'URSO等第1次報道3D打印技術在顱內動脈瘤和動靜脈畸形中的應用，目前已有數十篇關于3D打印動脈瘤模型應用的文章發表于國內外雜志。除外科手術之外，3D打印還應用于動脈瘤的介入治療，NAMBA等報道利用該技術輔助微導管塑形，成功為10例病人施行動脈瘤栓塞術。3D打印動脈瘤模型不僅可以幫助手術醫師更好理解動脈瘤細節，做到術前模擬夾閉、挑選動脈瘤夾，而且可以用于術前醫患溝通，幫助病人理解動脈瘤疾病，使病情交流更加順暢。在動靜脈畸形方面，使用精準的3D模型，可以明顯改善手術計劃，提高良好預后的概率。
相關研究報道指出：術前應用3D打印的動靜脈畸形病例中，手術時間明顯縮短，再次表明打印模型有助于手術計劃及實施。3D打印動靜脈畸形報道較動脈瘤要少，主要原因是動靜脈畸形的血管解剖更加復雜，多變的供血動脈、引流靜脈，畸形本身與腦組織混雜，畸形血管散在等都是造成3D打印困難的原因。目前仍在發展的高精準度3D建模技術及打印技術可能能夠改善其在腦血管畸形中的應用。
2.4 3D打印在顱底腫瘤的應用
顱底腫瘤位置深在、解剖復雜、功能重要，對術者的解剖知識及手術技巧要求極高。在經鼻蝶內鏡鞍區腫瘤切除術領域，開創將3D打印應用到模擬手術開發中的先河。在相關研究中，目前已創建3D打印顱骨模型用以對內鏡鞍區手術進行術前評估；該模型可以注冊到手術導航系統中，能更準確反映手術過程，并且模型可與相應的神經影像實時配對，提供更加直觀的模擬體驗，是其重要優勢之一。
MULLER等研究表明：對復雜顱底病變，相對于使用3D打印技術進行術前評估，僅使用常規影像的術前評估效果較差。3D打印模型能夠準確模擬復雜顱底腫瘤的解剖，能夠在術前模擬顱骨磨除，幫助了解神經血管與病變的關系，適用于高度個體化的復雜顱底手術的計劃制定。
2.5 3D打印在脊柱脊髓手術中的應用
脊柱脊髓是神經外科一個重要的分支，但我國神經外科所開展的脊柱脊髓疾病治療，大部分限于脊髓腫瘤手術，其中一個主要的原因就是對相關解剖結構不熟悉。3D打印模型更好地解決這個問題，通過對脊柱解剖的模擬，使脊柱復雜骨折、椎弓根螺釘固定等復雜的脊柱手術過程變得更加容易。SUGAWARA等設計一種個體化的多步驟螺絲導向器，其可鎖定在椎板上，以防止錯誤移動，其對10例病人進行手術及評估，結果發現固定平均偏差＜1mm。
此外，3D打印技術同樣解決脊柱外科的手術技巧問題。目前，國內外科學家開始探索將3D打印技術應用于椎間盤退變的組織工程解決方案，期望以3D打印技術實現再生椎間盤，從而替代脊柱融合術和人工椎間盤置換術，然而生產臨床可用的植入物仍需要進一步研究。
2.6生物3D打印在神經外科的應用
生物打印技術的應用場景包括組織工程和再生醫學、藥劑學及藥物篩選、癌癥研究等，目前已能夠對多種組織類型進行生物打印，但打印的組織大多僅限于薄、空心或無血管組織，仍具有較大的局限性。近期，隨著在血管網絡生物打印方面的成熟，使打印更大的、具有生物活性的組織器官成為可能。盡管生物打印研究方面取得巨大進展，但臨床適用性仍然落后，依然任重道遠。
美國食品藥品管理局批準幾種組織工程皮膚替代品，可用于大面積創口的愈合治療。能夠應用于在神經外科的3D打印生物移植物尚且遙遠。未來，可期待應用于神經外科的生物打印組織有頭皮移植和血管打印，例如對大型復雜動脈瘤，血管置換是惟一可徹底解決問題的方法，3D生物血管打印可以提供相容性更好、管徑更加匹配、分支更加符合生理條件的血管，來替代目前應用最多的橈動脈。在臨床中，目前可以使用樹脂材料實現大血管或中空血管的置換，但具有生物活性的血管置換材料目前仍在探索中。
3.挑戰與展望
目前，3D打印技術在神經外科中應用的局限性主要體現于以下幾個方面：
①打印時間及成本較高，完成一件成品模型常需要花費數小時到數天；因此，3D打印目前難以應用于急診病例。相信隨著工業的進步，能夠進一步提升打印速度、降低打印成本，從而進一步增加3D打印的應用。
②3D打印的精度有限，對一些細小的穿支動脈、散在的動靜脈畸形的打印較為困難，但隨著高精度建模軟件以及打印機的開發，該問題應該能夠得到良好解決。
③目前可應用于打印的材料以及材料的逼真度仍然局限。以打印顱腦腫瘤為例，不同腫瘤的質地相異，即使同一種腫瘤，在不同個體間其腫瘤軟硬、質地、壞死、鈣化、血供也是不同的，目前很難通過影像學數據打印出完全與實際標本質地高度吻合的腫瘤。然而人體組織器官材質物理性能數據庫的建立及完善，實現多種質地的模擬打印應當并不遙遠。
④多種材料復合打印技術目前尚未成熟，3D打印模型尚不能展示動脈內血栓、動脈鈣化、血泡樣動脈瘤等，動脈瘤夾閉手術中動脈瘤破裂大出血也難以在模型上實現。
⑤盡管生物打印研究已取得一定進展，但在血管化和生物相容性等方面仍存在較大技術挑戰，且存在經濟實用性和倫理上的障礙，其臨床應用目前受到較大限制。然而，隨著臨床需求增加以及科技進步，生物打印轉化為臨床應用是指日可待的。
3D打印技術在神經外科打開了嶄新的領域，廣泛應用于解剖教學、手術模擬、技術培訓、醫患交流、生物材料等方面。如今，醫工交叉日益緊密，技術及材料的飛速發展，將進一步推動3D打印技術在臨床的應用。未來，3D打印技術將不僅局限于改變解剖學、外科學的常規教學模式，隨著3D打印在再生領域的研究不斷深入，有望在腦重塑、顱內生物血管、神經元修復等領域發揮革命性的作用。
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