供稿人:毛茅 賀健康 發(fā)布日期：2018-04-30
3D打印技術在術前疾病診斷和手術規(guī)劃中已經逐漸得到廣泛應用，但目前大多是沒有功能特征的靜態(tài)模型。明尼蘇達大學科學與工程學院機械工程副教授Michael McAlpine團隊打印出無論是從外觀還是感覺上都類似人類前列腺器官的完美復制品，這項研究成果發(fā)表在《Advanced Materials Technologies》期刊上。通過3D打印技術，不僅可以實現(xiàn)人體器官外觀結構以及力學性能，還可以根據(jù)需求包含柔軟的傳感器。這些傳感器提供實時的反饋信息，定量評價醫(yī)生在3D打印模型上進行手術操作時的力度。
圖1. 3D打印復合傳感器的前列腺模型及功能示意圖
在這篇文章當中，研究人員通過以下六個步驟用于開發(fā)先進的3D打印前列腺模型：（1）收集和分析前列腺組織的器官解剖和性質，包括靜態(tài)和動態(tài)機械性能，硬度和光學反射；（2）基于組織數(shù)據(jù)的定制聚合物油墨的設計和開發(fā)，以及具有組織物理性質的油墨保真度分析; （3）前列腺模型的3D打印和解剖學保真度分析; （4）研究將3D打印前列腺模型應用于器官物理行為定量預測的高級外科手術，并與相應的有限元方法（FEM）模擬進行比較; （5）3D打印軟觸覺傳感器集成在模型表面和內部; （6）通過應用診斷和手術工具研究3D打印前列腺模型的實際和定量方面，作為高級外科手術輔助手段。
圖2. 3D打印復合傳感器的前列腺實物模型
3D打印的前列腺模型在解剖學，靜態(tài)和動態(tài)力學，硬度和光學性質方面表現(xiàn)出對患者器官和組織的高保真度。因此，該前列腺模型可以幫助醫(yī)療專業(yè)人員更加有效地進行術前規(guī)劃和排練，并更準確地預測器官的物理行為。仿人體組織的質感可以幫助學生更好地感知真實器官，學習如何提升手術技巧。另外，柔韌的尿道提供了在器官通道內用工具練習的可能性。這相對于過去的人造器官模型是非常大的進步，過去的模型通常是由堅硬的、不真實的塑料制造而成的。最后，3D打印前列腺模型內部和表面復合3D打印的柔軟觸覺傳感器使手術操作的評價形成定量反饋。
在未來，研究人員想要開發(fā)出更復雜的器官，并開始考慮引入缺陷和畸形的問題。比如，他們能夠基于過去的篩查結果向器官模型中加入患者特有的炎癥或腫瘤，使得醫(yī)生們可以更好地觀察到干預措施的效果并進行準備。