在医疗领域用于模拟人体器官结构的医用器官模型在心血管等许多疾病的手术治疗中发挥着重要的作用。这些器官模型往往需要模拟真实器官的形貌、内部复杂结构和柔软特性，导致传统制造方法面临诸多困难。随着计算机技术和增材制造技术的快速发展，3D打印作为一种多功能技术，可直接通过计算机CAD数据产生实体模型，使用多种材料实现复杂功能性结构，已成为制造医用器官模型的理想选择。

3D打印技术制造的器官模型可以应用于医疗领域的许多方面。在疾病的诊断和评估上，常用的计算机断层扫描（CT）和磁共振成像（MRI）等技术得到的二维诊断图像或三维虚拟模型仍存在一定局限性，例如二维图像需要医生凭借想象来理解三维结构，虚拟模型则存在相互遮挡且缺乏真实的体感。3D打印器官模型不仅可以更加全面地帮助人们理解结构复杂性和病理复杂性，且能提供实际的触感、清晰的可视化并允许在现实中直接操作，在临床手术、医患沟通和医学教学等方面都有着越来越多的应用。

1. 主流3D打印技术概述
在现有的诸多3D打印技术中，考虑到医用器官模型的应用及材料的特殊要求，当前主要可以应用于医用器官模型的3D打印技术为喷墨打印，挤出式打印，光固化打印和激光熔融烧结打印。

喷墨打印是通过小直径喷嘴喷射液滴来选择性沉积，形成所需实体。基本材料为光固化树脂，通过紫外光照射固化。打印装置通常包括X-Y-Z三轴运动平台，若干喷嘴和辅助固化装置（例如紫外光源和加热平台）。喷墨打印可同时使用多种材料，并控制每种材料的颜色和透明性等性质。

挤出式打印是通过机械力将打印材料从喷嘴挤出形成连续长丝来选择性沉积，形成所需实体。打印装置与喷墨打印类似，喷嘴挤出的长丝在平台上逐层构建图案，完成一个单层后喷头或平台移动一层的距离来构建下一层，直到得到完整实体。常见的挤出式打印技术为熔融沉积成型（FDM），基本材料为热塑性塑料。

光固化打印使用特定光源（例如紫外光）逐层照射容器中的液体光敏聚合物材料使材料选择性固化，形成所需实体。在光照过程中，光源或容器的移动可形成图案化的固体薄层完成一层打印，随后支撑板移动一层厚度，新的液体光敏聚合物材料流入打印区域，即可打印下一层，直到得到完整实体。常见的光固化技术包括立体光刻（SLA）和数字投影光刻（DLP）等。

激光熔融烧结打印使用激光或电子束作为能量源来烧结或融化粉末状的材料，使粉末熔化并结合在一起形成固体结构。根据粉末的不同，这一技术常被称为选择性激光烧结（SLS）或选择性激光熔化（SLM）。

表1. 用于器官模型制造的主流3D打印技术 2. 医用器官模型3D打印进展概述
2.1 制造流程
制造医用器官模型的基本流程可以划分为以下步骤：①数据采集；②数据处理；③3D打印；④后处理。
图1 3D打印器官模型基本流程[1] 三维数字图像是3D打印的信息来源，主要通过CT和MRI技术进行数据采集得到所需部位的图像，其他一些技术例如CT血管造影（CTA）、3D超声心动图、3D激光扫描等也有被用于图像采集。

采集的图像需进行专门的处理。图像处理的复杂程度根据最终模型的具体应用需求来决定，一般需要通过专用软件对原始图像进行分割、组合等处理，也可以去除不必要的结构、对表面进行优化，或设计相应的模具等，创建出最终的CAD模型。

最后使用3D打印根据CAD模型制造出实物模型，并根据情况对实物进行后处理。

2.2 方法分类
在上述流程中，除了可以对不同3D打印技术进行选择，还可根据最终得到器官模型方式的不同划分为“直接3D打印”与“间接3D打印”方式。

直接3D打印就是通过3D打印直接打印出最终的器官模型，可在打印时直接使用多种颜色的多种材料来生成不同的结构，也可以用单材料或单色打印完成后，通过后处理进行上色等操作。

间接3D打印则是通过3D打印制造出各类模具，然后使用各类弹性高、可变形的“软材料”（例如硅胶、聚氨酯等）浇铸在模具中得到最终的器官模型。这些软材料本身往往难以直接用于3D打印，因为需要特定的固化条件，且自身的硬度导致无法直接形成立体结构。制造模具的材料选择则相对多样，例如塑料、树脂、石蜡、石膏等，在满足浇铸时所需力学性能的条件下，往往根据制造工艺难度、后续处理难度等来进行选择。

图2 3D打印器官模型方法及材料分类 在部分应用中也将直接与间接3D打印方式相结合，将器官模型按结构分为多个部分，不同的部分分别使用直接或间接方式制造，然后对各部分进行拼接组合最终形成完整的模型。

在现有手段中，喷墨打印是最主流的直接3D打印技术，使用光敏树脂为原料，其色彩表现力强，能够打印真彩的立体结构，其缺点是价格过于昂贵，通常打印一个彩色的疾病模型，报价都上万。喷墨打印的材料可选范围较窄，通常很硬，适合观看，很难模拟出组织的不同的软硬特性。

图3 使用多色树脂喷墨打印的带肿瘤肾模型[2]
图4 使用多色树脂喷墨打印的肝模型[3]
图5 简化为框架结构的肝模型[4]
EFL团队经过系列探索，采用3D打印技术及部分自主研制设备相结合的方式，有效降低了制造成本，可实现不同物理特性软组织的制造，可实现医用级别的假体、手术模拟器等制造。

（1）个性化肢体模型
仿生假体越来越广泛地应用于人体颌面部损伤的修复中。对于先天性的耳、鼻等畸形、外伤、肿瘤手术后和感染导致组织缺损等症状，患者自身组织无法自我恢复。耳、鼻、眼等假体的应用，能够重塑患者的形象。传统假体的制造主要依赖于医院修复医师的个人经验及手工刻模的水平，对个人技术、耐心和体力有较大考验，导致手工假体造价高昂。
图6. 耳[1]、鼻[8]假体
（2）皮肤骨骼类手术模型
用于手术模拟的器官模型，可以使医生全方面观察人体结构，并动手操作，体验手术过程中的真实场景，不论对医生的学习和训练还是术前手术模拟规划都有重要作用。目前个性化定制的手术模拟模型同样面临造价高昂的问题，逼真度上也有不少提升空间。

我们制造的头部等模型，可完全复原真实人体结构，模型形象逼真。基于人体相应部位的三维数据，通过3D打印完全复现骨骼、皮肉、血管等组织之间的关系，加上抛光技术，皮肉组织下面的结构清晰可见。

图7 人体头部、手掌、脚掌手术模拟模型[1]
3）心血管类手术模型
动脉瘤是动脉壁发生病变导致局部充血的脉动性球状隆起，常见发病于主动脉。动脉瘤模拟器中硅胶血管外形和尺寸大小是按照真实动脉血管制造而成，可直观演示心室泵血施加在主动脉上的脉动载荷，体外再现真实动脉瘤状况。用于手术模拟，可模拟训练对脉动球状隆起的夹闭操作。

图8 动脉瘤血管模型及其手术模拟训练[9]
（4）内脏类手术模型
对于内部结构往往较为复杂的内脏器官模型，如肝、肾模型，除了模拟手术外，还作为医用导航系统的一部分，在手术中通过内窥镜等设备来检测操作，与超声、磁共振等检测图像相配合，对手术所需操作的细微结构进行导航和精准定位。
图9 用于内窥镜术中导航的肾模型（硅胶）

文章及图片来源：EngineeringForLife公众号