供稿人:毛茅 贺健康 发布日期：2018-04-30
3D打印技术在术前疾病诊断和手术规划中已经逐渐得到广泛应用，但目前大多是没有功能特征的静态模型。明尼苏达大学科学与工程学院机械工程副教授Michael McAlpine团队打印出无论是从外观还是感觉上都类似人类前列腺器官的完美复制品，这项研究成果发表在《Advanced Materials Technologies》期刊上。通过3D打印技术，不仅可以实现人体器官外观结构以及力学性能，还可以根据需求包含柔软的传感器。这些传感器提供实时的反馈信息，定量评价医生在3D打印模型上进行手术操作时的力度。
图1. 3D打印复合传感器的前列腺模型及功能示意图
在这篇文章当中，研究人员通过以下六个步骤用于开发先进的3D打印前列腺模型：（1）收集和分析前列腺组织的器官解剖和性质，包括静态和动态机械性能，硬度和光学反射；（2）基于组织数据的定制聚合物油墨的设计和开发，以及具有组织物理性质的油墨保真度分析; （3）前列腺模型的3D打印和解剖学保真度分析; （4）研究将3D打印前列腺模型应用于器官物理行为定量预测的高级外科手术，并与相应的有限元方法（FEM）模拟进行比较; （5）3D打印软触觉传感器集成在模型表面和内部; （6）通过应用诊断和手术工具研究3D打印前列腺模型的实际和定量方面，作为高级外科手术辅助手段。
图2. 3D打印复合传感器的前列腺实物模型
3D打印的前列腺模型在解剖学，静态和动态力学，硬度和光学性质方面表现出对患者器官和组织的高保真度。因此，该前列腺模型可以帮助医疗专业人员更加有效地进行术前规划和排练，并更准确地预测器官的物理行为。仿人体组织的质感可以帮助学生更好地感知真实器官，学习如何提升手术技巧。另外，柔韧的尿道提供了在器官通道内用工具练习的可能性。这相对于过去的人造器官模型是非常大的进步，过去的模型通常是由坚硬的、不真实的塑料制造而成的。最后，3D打印前列腺模型内部和表面复合3D打印的柔软触觉传感器使手术操作的评价形成定量反馈。
在未来，研究人员想要开发出更复杂的器官，并开始考虑引入缺陷和畸形的问题。比如，他们能够基于过去的筛查结果向器官模型中加入患者特有的炎症或肿瘤，使得医生们可以更好地观察到干预措施的效果并进行准备。