2.1   3D打印数字医疗的应用    2.1.1   术前模型   术前根据患者的医学数据三维重构，通过3D打印获得实体医疗模型，可用于医生进行手术规划和模拟、直观患处的三维组织结构，如图3，有助于医生实施精准的手术方案，以降低复杂手术的风险，提高手术的成功率[5-6]。临床应用包括骨碎片复位、脊柱侧弯、骨质疏松、颈椎肿瘤、脊柱肿瘤、枢椎椎体置换术、骨折手术等[6]。KNOEDLER等[7]通过3D打印肾损伤实体模型，验证了3D打印术前模型能够准确地还原患者的病情，极大帮助医生进行术前的诊断和规划。利用3D打印出来的实物模型辅助医生设计钢板固定的位置、方向、角度，实现精准固位，缩短手术时间，减少副损伤。有研究者利用DIOCM 数据构建三维数字模型并结合3D打印技术来设计用于骨缺损的垫块[8]。通过3D模型明确骨折碎片大小、形态、位置，明确骨折与周围解剖组织关系，模拟手术路径，指导选择手术器械型号，辅助医生在手术过程中实现精准定位，减少患者损伤[9]。"

2.1.2   3D打印手术导板   传统外科手术主要依靠医生经验，容易在术中受到患者解剖结构、病变等影响[10]，出现定位不准确、操作难度大等问题[9，11]。随着计算机仿真技术发展，可以在术前进行手术规划和导板设计[12-14]。3D打印手术导板通过患者CT、MRI等影像数据重构设计，依据手术方案设计用于定位的圆管或横槽，通过3D打印制造，消毒后可用于经皮穿刺、截骨等手术操作的导引[14]。在国内，中山大学XU等[15-16]通过计算机断层扫描患者骨盆三维模型，并运用3D打印技术构建3D物理模型，为继发于髋关节发育不良患者实施全髋关节置换术，手术导板模型的使用让手术有更好的计划和精确的定位，简化了外科手术过程，缩短了手术的时间并提高了手术的成功率。 2.1.3   3D打印植入物   目前，3D打印植入物多应用于骨科及口腔科领域[17]。对于骨缺损患者，传统假体存在局限性，传统假体包括骨水泥、金属球、硅橡胶、钛合金、陶瓷等，多为减材制造、切削加工等工艺制作[18]，存在人工假体的大小、形状不匹配，植入后固定不牢固等问题。JARDINI等[19]使用直接金属激光烧结(DMLS)技术制作的颅骨重建植入物，可以较完美地匹配患者的颅骨缺损，形成对称的颅骨结构且患者术后恢复状况良好。以月骨缺血性坏死为例，月骨属于不规则骨，形态多变，传统假体由于其规格化可能导致手术效果不佳，3D打印月骨则能有效解决以上问题[20]。 3D打印植入物具有以下优点(见图4)：①个性化：定制的植入物可贴合患者实际尺寸，降低手术操作难度，减少手术时间，有利于患者的术后疗效[21-22]。②可仿生复杂结构：这类结构无法通过如铣削、车削或铸造等传统方式制造，而3D打印可以制造出如蜂窝状、镂空晶格等构造，从而促进植入物后期在体内的稳固性[23]。③功能集成：3D打印能满足多种功能植入物的制造并减少制作步骤，可通过设计粗糙表面而无须进一步的喷涂或表面纹理化后期处理[23-24]。④降低手术费用：更快的植入物生产速度，更贴合的尺寸加快手术和恢复期，更好的人体环境相容性降低后续治疗需求，显著减少患者住院和后续治疗的费用[22，25]。 "

2.1.4   3D打印康复辅具   3D打印固定支具较传统康复支具有个性化设计、佩戴舒适、轻便透气等特点和优势，解决了传统石膏不能碰水洗澡、闷热过敏、容易压迫磨损皮肤等问题[26]。目前用于固定支具制造的3D打印材料可选用新型高分子材料，具有良好的生物相容性、物理机械性能等，而在矫形器设计制造方面，3D打印则发挥了巨大优势，3D打印定制式矫形器的制作过程包括了病情检查与诊断、开具定制式矫形器处方、采集患者影像学数据、矫形器个性化设计、3D打印加工、加工后处理、患者适配、效果监测与反馈[27-28]。 常见的3D打印矫形器包括(图5)：①3D打印个性化颈椎枕(图5C)，通过对颈部进行光学扫描与颈椎侧位X射线检查，测量颈椎曲度，由专业矫形器师结合患者的情况设计个性化颈椎枕，并进行网格拓扑设计通过3D打印工艺制作完成，进行颈椎曲度与颈椎周围肌腱、韧带等软组织弹性的个性化矫正。患者适配后拍摄X射线片，做到精准矫正与治疗，避免使用不适和矫枉过正[29]。②3D打印脊柱侧弯矫形器(图5D)，是根据患者不同需求，通过三维扫描仪获取体表数据、结合生物力学分析和计算机电脑辅助设计，制定出个体化、舒适的矫形器[30-31]。镂空设计使矫形器轻便、透气性能良好，增加穿着的舒适性与隐蔽性[32-33]。③3D打印膝关节矫形器(图5A)，在传统“三(四)点力式”和“整体免荷式”的基础上提出改进的单侧减荷式矫形原理[34]，在矫正患侧下肢力线的同时可针对性减轻患侧负荷，从而缓解患者疼痛、治疗膝骨关节炎[35]。④3D打印矫形鞋垫(图5B)，通过生物力学分析、计算机设计等对足部压力进行生物力学改变，矫正下肢力线[36-37]。 "

2.1.5   紧急公共卫生制品   在新冠疫情期间，3D打印被用来制作呼吸机阀门[38]、面罩连接器[39]、鼻咽拭子[40]、过滤器[41]、临时紧急隔离住所。美国国防部使用3D打印来制造N95呼吸面罩[38，42]，根据医疗保健3D打印市场研究报告，2019-2026年间，全球医疗3D打印市场预计复合年均增长率为19.217 3%[43]。这项技术在危机中快速解决问题的能力再次成为支持其广泛采用的契机。 贝斯以色列女执事医疗中心(Beth Israel Deaconess Medical Center，BIDMC)在疫情期间联合Formlabs, Carbon, Origin、EnvisionTEC等企业和医疗机构成立PrintedSwabs.org联盟，为供应短缺的机构提供3D打印鼻拭子，在对230名成年人进行3D打印拭子测试后，有4种设计可达到良好效果[44]。上海交通大学医学院附属第九人民医院则在疫情期间进行了3D打印咽拭子机器人的设计与制造，如图6。 "

2.1.6   生物3D打印   生物3D打印是以用户自由设计或由医学影像重建的计算机三维模型为基础，定位装配生物材料或活细胞，制造生物支架/组织器官和医疗辅具等生物医学产品的3D打印技术[45]。在植入材料上通过打印覆盖细胞，可以诱导组织生长。 生物3D打印技术在组织工程、再生医学得到越来越多的应用[46]。上海九院王金武教授团队开发了Fe-CaSiO3复合支架，该支架具有多功能、高效、抗压强度高的优点，与传统支架相比，成骨性能优越[47]；另一项在《Advanced Functional Materials》上发表的研究则复合聚酰胺(PNIPAM)、水凝胶和甲基丙烯酸明胶(GelMA)制造热响应支架，小鼠实验研究证明了该系统在人体温度下的体积收缩有效地触发了微血管的产生，最小直径达到50 μm，确保氧气和营养物质的输送[48]。近年来，生物3D打印在打印技术上取得了高通量、微重力悬浮和动物体内无创原位打印等技术突破。 2.2   3D打印数字医疗技术的优势   医学3D打印技术的应用可以有效应对当前的医疗行业面临的挑战，为医院、医生和患者提供新的价值，减轻医疗资源压力，医院收获口碑和收益，治疗费用也会随着有针对性的治疗方案而减少[49]。 2.2.1   直观的医患交流   通过3D打印，患者可以直观看到病灶模型，清晰地知道病灶位置，医生通过演示手术规划和专家会诊增强患者信心，得到患者及其家属的支持和理解，减轻心理障碍。医患之间通过基于3D打印技术的直观交流，双方可以更明确手术方案[50]。 2.2.2   个性化的精准医疗方案   医生根据患者的影像数据打印出患者的病理模型，可以进行多次的术前规划和模拟演练，熟悉不同患者之间的差异化如何操作，手术变得更精准，实习医生也可以跟着老师在术前模拟演练，术中观察，术后复盘训练，成长速度变快，适应能力变强[51]。 医疗3D打印技术可应用于大量成功且精准的复杂案例，缩短患者诊疗时间，减小手术风险，大幅度降低死亡率，提高患者康复率，将实践错误从手术室移至培训室。同时可提高医疗资源使用效率，通过有效的术前模拟训练，单个手术的医疗时间显著缩短，患者的康复时间缩短，手术室和病房的占用周期也将大幅减少，从而减轻资源压力，医院实现效率的提升[52]。 2.2.3   提高患者满意度   3D打印数字医疗技术因其可进行复杂手术规划、指导术中操作等优点，可提高手术治疗效果，提高患者对手术的满意度，降低医疗费用和医疗事故诉讼 / 复杂性，同时实现国家医疗战略要求，达到精准医疗[53]。 2.2.4   医技传承，培训更多年轻的医生    3D打印数字医疗技术可以训练医生针对复杂案例的分析规划，更快地培养新生力量，给实习医生更有效的训练，例如指导医学生设计和应用手术导板，以实现对手术的精准定位，从而提高年轻医生的信心，缩短训练周期，培养更多富有经验的医生。 2.3   3D打印数字医疗中心的建设现状    2.3.1   国外现状   近年来，随着国内外数字医学与3D打印技术的迅速发展，其在医院的临床集成应用日益普及，3D打印数字医疗中心应运而生。2001年，美国Health South医学中心开始全数字化建设，包括使用全尺寸的模型手术间和高科技病房，并通过可穿戴设备实现随时随地监护患者[54]；2006年，梅奥诊所3D解剖建模实验室生产第一个术前模型，以帮助手术团队分离连体双胞胎，现已生产超过6 000个模型并建立了相关标准，服务包括小儿耳鼻喉科、骨科、肿瘤外和心血管外科等科室；2012年，美国克利夫兰医院首次将3D打印肝脏模型用于医疗实践，现依托Lerner研究所医疗器械部门，已开发20多个肝脏模型用于提高手术规划和培训；2016年，纽约市特殊外科医院(HSS)和植入物制造商LimaCorporate推出了首个基于供应商的3D设计和打印设施，成立ProMade POC护理点中心，用于定制复杂的关节置换解决方案并受FDA监管；2017年，GE医疗在瑞典乌普萨拉开设其首家欧洲医疗3D打印中心，专注于医疗3D打印技术的创新设计与先进制造。 匹兹堡大学医学中心于2016年启动了3D打印服务，其中90%的业务用于3D打印解剖模型，主要服务骨科、耳鼻喉、整形、神经、心脏病学泌尿器学等外科。临床实践证明使用的3D 打印解剖模型可以帮助改善患者手术结果，并降低整体护理成本，另外匹兹堡大学医学中心还将3D打印用于手术导板、培训工具、患者教育和创新研究，目前，美国医保系统可卫生系统支付3D打印费用，患者无需增加费用。 2.3.2   国内现状   2015-06-24，Materialise和阜外医院签订合作协议，双方将共同合作在阜外医院创立中国心血管3D打印中心，Materialise的3D打印心血管HeartPrint?模型是美国和欧洲市场的1类医疗器械，HeartPrint心脏打印由Materialise公司提供服务，双方合作致力于为中国心血管专家提供3D打印规划工具解决方案；2015年 8月，上海交通大学医学院附属上海儿童医学中心与比利时Materialise公司联合共建国内首个“儿科3D数字医学研究中心”，致力于智能化数据分析、定量化生物结构重建与个体化临床治疗为，以加快精准医学在儿科的应用[55]。 2013年，上海交通大学医学院附属第九人民医院在全国发起成立了第一家医院的3D打印技术临床转化中心，由3D打印接诊中心、3D打印创新研发中心、3D打印后处理中心组成，2015年成立了上海交通大学医学院打印中心，2016年成立了上海交通大学医学3D打印创新研究中心，并在全国20多个省、直辖市成立分中心，通过技术交流辐射进一步推动了国内医学3D打印的发展[56]。 2020年以来，宁夏医科大学总医院、新疆医科大学附属中医医院(自治区中医医院)、烟台山医院、德阳市人民医院、吉林大学基础医学院等高校院所成立了3D打印医学中心，开展3D打印与数字医学的技术理论与应用研究，并进行了转化探索。 2.4   3D打印数字医疗中心面临的问题    2.4.1   3D打印医疗器械注册   3D打印医疗器械相较于常规器械存在配套标准少[57-58]、质量监管要考虑个性化原因等差异，对产品的安全性、有效性等技术评审带来很大障碍，导致了3D打印医疗器械的注册监管存在一定难度。针对低风险3D打印定制式医用康复辅具生产环节特性，技术审评应关注生产工艺参数等固化后的可追溯性、可复制性和重现性[27]。 生物3D打印技术可对细胞、蛋白质、细胞因子等生物材料和水凝胶等支撑材料进行整合，以制造出具有生物功能的医疗器械，常用于植入物或体表辅料。生物打印通过使用从患者身上收集的细胞或生物活性成分，增加现有的植入器械的组织重建功能[59]；或者直接通过生物打印的方式制作新的定制式医疗器械，比如生物打印软骨、颅骨、韧带等修复产品。目前广泛应用于医疗器械的灭菌方法、留样方法等通常不适合于生物材料，这对医疗器械的监管和注册法规带来了挑战。由于生物打印的灵活性与特殊性，BSI提出生物打印应先将使用到的细胞等生物成分作为药物应用于临床，再与其他植入器械结合。在欧盟，药品受欧盟2001/83/EC 指令和欧盟726/2004/EC指令监管，对于涉及基因、组织或细胞的先进治疗方法，应通过欧盟726/2004/EC指令进行监管。如果生物打印器械对患者的主要治疗效果是通过活性成分等药品，则作为药物进行监管；如果药物仅具有辅助作用的，则作为药械组合归类到Class III进行注册与监管。从可行性上说，欧盟对于生物打印器械的注册路径指导意见，也同样适用于中国医疗器械注册法规体系，且中国也出台了药械组合的相关注册指南。但目前还未有生物打印医疗器械获得NMPA审批，针对生物打印医疗器械具体的注册与监管要求还有待探索。 FDA的设备和放射健康中心(CDRH)对在美国销售的制造、重新包装和/或进口医疗设备的公司进行监管，与其他制造工艺制造的设备一样，使用3D打印技术制造的设备也受监管要求的约束。医疗器械根据监管力度分为从Ⅰ类增加到Ⅲ类，大多数Ⅰ类设备均不受上市前通知510(k)的约束，大多数Ⅱ类设备需要上市前通知510(k)，大多数Ⅲ类设备都需要售前批准。2016年，FDA 发布了《增材制造设备技术考虑指南》草案，为制造商在开发3D打印设备时提供设备设计、制造和测试方面的建议。设备所需的上市前提交类型仍由其监管分类决定，指南内容主要包括：①设计和制造要求：3D打印医疗器械应满足设备质量系统(QS)要求如适用，则由其受监管分类或监管决定；②设备测试要求：描述了在市场前通知提交、上市前批准(PMA)申请、人道主义设备豁免(HDE)申请、de novo请求和3D打印设备调查设备豁免(IDE)申请中应提供的信息类型。 2.4.2   医保支付   3D打印医疗器械发展机遇包括人口老龄化和可支配收入的提高增加了对个性化医疗的的需求，也包括了多国政府正在增加其医保预算和计划，例如，韩国食品和药物安全部正在探索3D打印医疗设备的快速审批方案。此外，日本厚生劳动省下属的中央社会保险医疗理事会已经于2016-01-20开始将用于辅助手术或治疗的3D打印医疗模型的制造费用纳入标准医疗保险的支付范围。2019-07-01，美国医学协会(AMA)发布的用于3D打印医疗模型和手术导板“通用医疗程序编码”Ⅲ类代码正式使用，推动3D打印医疗模型、导板的应用普及，也为其他国家推动3D打印模型、导板的费用支付与医疗审查工作提供了一定的参考。 国内3D打印技术可以通过申报技术服务进行院内收费，目前广东、安徽、新疆等省市已经出台了相关指导文件，但在医保方面还未有报销内容与相关指导。 2.4.3   医工交叉团队建设   据统计，北美在2020年拥有最大的3D打印医疗器械市场份额，归因于医疗基础设施的改善、医疗保健设施中3D打印医疗设备的高采用率，此外，北美地区从业人员的激增推动3D打印医疗器械市场增长，行业前景巨大。可见，相关从业人员的培养与增加对3D打印的数字医疗应用至关重要。 国内外许多医院通过3D打印数字医疗中心对外提供服务同时，培训年轻医生和医工交互人才。如梅奥诊所的临床实践证明3D打印技术有助于医学教育，年轻医生会从3D解剖模型的专业知识中获益，而同行评审医学期刊的研究表明，医工交互使用3D打印可以改善手术结果。 当代社会发展需要具备多元整合能力的复合型人才，国内外各高校均不同程度开展交叉人才课程与实践基地。3D打印数字医疗中心的技术服务具有医工交互的显著特点，上海交通大学数字医学教育部工程研究中心是国内第一家以数字医学相关高新技术的创新研究为特色的国家部级工程研究中心，此外上海交通大学也开设了国家双创示范基地3D打印服务中心，面向创新能力培养制定线上线下结合、产学研协同、资源共享的服务机制，为包括医学院在内的学生实践提供培训、打印与双创辅导[59-60]。 "