3D列印強化手術精準度 未來製造器官不是夢

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諮詢╱張志豪(臺大醫院骨科部手足外科主任、臺大醫學院骨科副教授)

撰稿╱邱俐穎

20歲的小康幼時不慎跌倒,當時手肘肱骨痛了好幾天,沒想到隨著年紀增加,手肘問題越發嚴重,以正常人來說,手肘可以不費吹灰之力就彎曲130度,但小康卻只能彎曲90度,不只日常洗頭、講電話都受到影響,連以碗就口吃飯都很困難。

由於小康手肘肱骨骨折屬陳年舊傷,即使透過X光等影像,醫師對於手術切骨的角度也很難有十足把握。如今透過最新的3D列印技術,在電腦輸入影像資料,就能列印出1:1人體骨頭模型,讓醫師透過模型精確掌握切骨的位置和矯正角度;透過3D列印儀器還可以先「印」出手術導板,輔助醫師掌握骨釘施打的正確位置。最後小康接受矯正切骨術,經2個月後休養,手已能正常彎曲130度,讓他大呼能好好洗頭、吃飯真幸福。

由於生物材料、幹細胞、組織培養等科技的突破,3D列印在醫學上已有相當廣泛的應用,全世界近年也出現了許多創舉,例如有科學家宣稱以3D列印技術印出人工腎臟、心臟、肝臟、血管等,讓各界引頸期盼3D列印的未來發展。

3D列印在醫學上的應用大致可分為兩類,第一類是製作手術模型、導板及植入物;第二類是製作組織及器官。已經在臨床使用的3D列印技術以第一類為主,也就是建立手術模型及導板,可作為醫師術前及手術中的定位輔助工具,能減少醫療的不確定性,讓醫療邁向客製化與精準化。少數國家如中國大陸,已經利用3D列印出金屬植入物如鋼板及人工關節,並植入人體內,但這部分台灣尚未核准。

3D列印可強化手術精準度

3D列印的製作流程,一般是先透過電腦斷層或核磁共振影像,取得人體需要「列印」部位的影像資訊,並透過電腦軟體模擬出3D影像。若需要「列印」,可透過「3D印表機」,將高分子聚合物(如同傳統印表機的墨水)以層層疊加的方式,來製造出所需的手術模型或導板;未來計畫加入生物因子甚至細胞,用來列印出人工的組織或器官。

利用3D列印製作手術模型,可運用在醫學教學、病例討論等,讓醫師在術前透過3D列印模型進行模擬,增加手術的精準度;並可運用模型向患者解釋手術方案和風險,為患者設計最周全的手術方案。由於手術模型可以無限製造,可以應用於手術練習操作,教學資源擴充,改善目前實體操作材料有限之缺點。

3D列印還能透過多色列印將不同組織以不同顏色表示,例如惡性腫瘤往往包著或被包著神經和血管,手術前很難對解剖位置充分了解,故偶爾聽到手術時血管破裂,出血過多死亡案例。但現在可以透過多色列印把神經和血管套入不同顏色,能協助醫師在手術前了解神經、血管和腫瘤的相對位置,避免手術中弄斷血管或切斷神經,增加手術的成功率。

目前衛福部食品藥物管理署已核准3D列印實物運用在製作手術模型及導板上,由於這些製作物不植入病人體內,目前隸屬於一級醫材,以骨科、整形外科、牙科、胸腔外科等科別較常用到此技術。

骨科或整形外科 利用3D列印手術導板

以骨科為例,若肢體骨折後沒有妥善處理,造成骨折處癒合不良,骨頭歪掉或偏斜,此時須進行切骨矯正手術。以往醫師只能透過X光片及電腦斷層掃描影像判斷骨頭不正的程度,由於這些影像都是2D成像,對醫師來說需要有很好的3D空間感才能拼湊出病人真實受傷的狀況。

透過3D列印,先蒐集正常肢體的相關數值,由於人體的手腳有兩側,故一般會有一邊是正常的,此時可以使用鏡射原理將正常與不正常的肢體影像互相套疊,透過電腦模擬精確算出切骨位置及矯正角度,在手術前沙盤推演,還可將骨折的骨頭以1:1比例實體印出,並製作出已經定位好的手術導板。將這塊導板放在變形的位置上,導板上的孔洞就是施打骨釘的正確位置,醫師只要照著導板的孔洞施打骨釘及切骨即可。

此外,整形外科也較常運用3D列印技術,例如病人有下巴「戽斗」問題想整形,要執行手術前,可先取得下巴的電腦斷層影像,再透過3D列印製作手術導板,計算出最適切的削切骨頭弧度,以達到最理想的效果。

所以,利用3D列印技術,醫師能進行手術事前模擬,大幅減少醫療的不確定性,亦可說是精準醫療的一環。此外,3D列印也能使手術時間縮短,減少感染及併發症機率。

生醫材料客製化的最高境界

除了手術模型及導板,3D列印也可望運用於製作人體組織甚至器官。例如,病人頭部手術導致缺了一塊頭蓋骨,此時可以透過電腦斷層掃描,匯集左右兩邊頭蓋骨的資料,運用正常邊的頭蓋骨,透過鏡射、對稱性的取得另一邊頭蓋骨的資料,進而列印出完全符合這位病人頭型的頭蓋骨,組織工程製造人工骨。

3D列印的好處是能提供「客製化服務」,例如每個人的骨骼多有其特殊性,3D列印能精準符合每個人的需求;另一方面,3D列印可用不同材質、製程去製作,可說是生醫材料客製化的最高境界;不過,正因3D列印包含儀器、製程及使用的生醫材料,這些客製化的3D列印產品一旦植入人體內,是否對人體無害?需要連同機器、製程及原料一併審核,也因此3D列印植入物在多數國家,包括台灣,均尚未核准臨床使用。

2013年《新英格蘭醫學期刊(NEJM)》曾刊登一篇論文,一名嬰兒出生時就因為先天氣管發育不良,命在旦夕。先天氣管發育不良就像是水管前端被塞住,氣體完全送不過去,過往臨床上幾乎沒有可以解決的辦法,病人只能等死。此時,該醫療團隊向美國FDA(食品藥物管理局)專案申請,以3D列印製作出一條新的支氣管,為病人進行了氣管置換手術,成功挽救小朋友生命。但此案為特例,目前3D列印組織和器官的適應症在許多國家都尚未核准。

利用3D列印出手術模型進行切骨矯正術 (圖/張志豪醫師提供)

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1、患者術前X光,手肘只能彎曲90度。

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2、左紅圈處為骨畸形的肱骨,圖右為正常的肱骨。

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3、患者透過3D列印出手術模型,左為正常肱骨,右為病肢。

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4、利用電腦模擬手術規劃,將正常肱骨(紅色影像)重疊至畸形骨(藍色影像),以取得切骨的角度。

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5、術後X光片(21天)。

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6、術後X光片(70天)。

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7、術後恢復情形。

 

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圖說:利用3D列印出骨科矯形定位切骨導板(圖/張志豪醫師提供)

 3D列印可將骨頭以1:1比例實體印出,並製作出已經定位好的手術導板。將這塊導板放在骨頭變形的位置上,導板上的孔洞就是施打骨釘的正確位置,醫師只要照著導板的孔洞施打骨釘及切骨即可。

 

3D列印器官 要發揮功能仍有待突破

以3D列印組織,如人工骨和人工皮幾乎已經可行,未來是否連「器官」都可以3D列印?

目前確實已有諸多研究進行中。2011年,一位外科醫師安東尼阿塔拉(Anthony Atala)在一場Ted年度大會上,手捧著一顆當場「列印」好的腎臟,告訴觀眾3D列印將是再生醫學新趨勢,可望解決器官短缺問題。不過這顆腎臟只有形狀,還不具備腎臟的功能。

媒體近日也曾報導,2017年,瑞士聯邦理工學院的尼古拉斯‧科爾斯(Nicholas Cohrs)領導的團隊,運用?3D?列印技術製造出世界第一個人工心臟。不過這顆人造心臟也是一款概念產品,還無法真的用在病人身上。因為製造這款心臟的材料不夠堅韌,大約只能支撐半小時,具體使用時間取決於心率的快慢。

也就是說,光是能列印出器官還不夠,還需要這個人造器官能發揮功能才有意義,所以3D列印器官目前還在發展中,仍有待進一步的突破。

 

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張志豪

(臺大醫院骨科部手足外科主任、臺大醫學院骨科副教授)