从使用3D打印技术制造可重复使用的N95口罩，到我国新一代载人飞船试验船将进行首次太空3D打印实验，你知道的3D打印新闻可能真不少，但对于3D打印在心血管领域的应用，你知道多少？
2020年4月，《心血管3D打印技术》正式出版。从基础到应用，书中全面探讨了3D打印技术在心血管领域的临床应用。那么3D打印，这个人们眼中的神秘科技，将对同样神秘的心血管病治疗产生怎样的影响呢？近日，严道医声网采访了《心血管3D打印技术》的主编——空军军医大学西京医院心血管外科副主任杨剑教授，揭开两种神秘互相碰撞产生的火花。
3D打印技术在心血管领域发展迅猛
“可以说，几乎所有的心血管相关的疾病，甚至冠脉的疾病，3D打印技术都可以对它有所帮助。”杨剑教授首先做了这样一个判断。
他指出，历经20多年的发展，3D打印已在口腔、颌面、骨科及整形外科等多个医学学科取得了突出进展并得到广泛应用，但由于心脏是搏动性的柔性肌肉器官，3D打印技术相对应用发展较晚，应用范围相对于其他医学学科也受到一定限制。但由于患者人群广大，应用前景广阔，促进了3D打印技术在心血管领域的不断蓬勃发展。
▲3D打印的不同种群动物的心血管模型
“有了3D打印模型，不光能够加深医生对这个疾病的理解，便于团队对病情的讨论，促进医患的有效沟通，更大的意义还在于可以进行手术方案的演练，甚至进行球囊扩张和体外瓣膜的释放，对于培训年轻的术者具有非常重要的意义。”杨剑教授说，对于心血管结构的评价，在临床上主要是依靠超声等影像技术，但这些技术都是以平面影像为主，立体感不强，需要医生在自己的脑海里把这些平面影像再转成立体的构想，而随着技术的进步，通过3D软件的建模及打印，可以更加真实地还原出病患部位的真实面貌。
《心血管3D打印技术》一书，详细地介绍了3D打印技术在先天性心脏病、瓣膜病、左心耳封堵术、冠状动脉疾病、心脏肿瘤疾病、心肌病、大血管疾病领域的应用进展情况，以及心血管3D打印的方法、材料选择等。书中的病例资料，涵盖了西京医院、中国医学科学院阜外医院、首都医科大学北京安贞医院、华中科技大学同济医学院附属协和医院、上海胸科、郑州大学第一附属医院等十几家大型心脏中心的病例资料，某种意义上来说代表着我国3D打印在心血管领域的发展现状。
该书指出，目前3D打印技术在心血管领域的应用主要包括四个方面：
一是3D打印个体化模型，帮助确定复杂结构性心脏病的手术文字，增进医生与患者的沟通，提高手术疗效；
二是模拟血管内手术，通过计算机模拟、体外模拟以及动物实验等方式，进一步协助心脏病的个体化手术方案制定；
三是应用3D打印医学模型进行医务工作者及医学生的培训，提高心血管疾病教学的质量；
四是介绍3D打印血管植入物，如血管支架、人工瓣膜、导管等，进一步3D打印细胞与组织，如血管、组织工程心脏瓣膜、人工心脏等。
3D打印极大地提高了TAVR治疗的有效性和安全性
“尽管3D打印已经有很多年的发展，但在心血管领域，真正引起人们重视也就是最近两三年的时间，而且与TAVR、左心耳封堵术等新技术的开展具有密切关系。”杨剑教授说。
作为一名心血管外科医生，杨剑教授近年来重点关注的是复杂结构性心脏病的微创及介入治疗，并在国内较早开展了经导管肺动脉瓣置换、主动脉瓣置换、二尖瓣修复、三尖瓣置换以及瓣周漏封堵等创新技术。在他看来，随着心血管介入技术的发展，以及人口老龄化进程的加快，结构性心脏病的介入治疗将成为心血管领域的主战场之一，而在倡导精准医疗的大背景下，3D打印技术在对结构性心脏病的手术模拟及手术方案制定方面都具有非常大的优势。
“比如，TAVR是一个高风险同时高受益的手术，因此，如何进行更精确的术前评估，为患者制定更个性化的治疗方案，是每个做TAVR的医生都要考虑的一个重要问题。而3D打印利用计算机重建出患者个体化解剖模型，能够帮助医生在术前更直观地了解患者的心血管解剖学结构，如心脏缺损的形态、大小、位置、程度，以及周边组织等，对确定患者的治疗方案具有很大的参考价值。”
杨剑教授坦言，虽然早在进行先天性心脏病治疗时，自己就关注了3D打印技术，但真正促使自己去应用这一技术却是由于一次失败的TAVR。“应该是我们团队做的第8台TAVR，尽管术前的评估认为患者非常适合做TAVR，但在手术中，人工瓣膜把患者自己的瓣叶推到一边，把冠脉堵住了，抢救了差不多48小时，最后还是没有抢救回来。”
“病人家属握着我的手说，希望我们家老郭的命能够给你们以后开展这个工作提供一些经验和教训，当时我真的是没话可以回答，非常非常的受触动。”杨剑教授说，虽然患者家属通情达理，但自己更加感到有责任为患者进行更好的筛查，把死亡率再降低一些。于是，他就想起了3D打印。
从寻找合适的打印机，合适的技术，这些年杨剑教授团队不断在3D打印领域进行深耕。通过西安交通大学的合作，目前的3D打印已经从原来的单色、硬质打印，发展成为软硬结合、多种材料结合的打印，并将其成功地运用于TAVR建模上，在手术方案的规划及风险的评估方面发挥了重要的价值。“在排查到第300个左右病例的时候，我们又发现了一例与老郭类似的冠脉病例，及时改变了手术策略，避免了并发症的发生。”
杨剑教授指出，从效果看，3D打印极大地提高了TAVR治疗的有效性和安全性；是一个实实在在意义上的引领性技术。“对冠脉风险的评估只是3D打印的一个优势，它还可以评估瓣环的破裂，包括三度传导阻滞的风险等等。”
3D打印促进了创新技术的加快应用
我们的心脏只有拳头那么大，但其中的结构极其复杂，患者的个体差异也极大，因此，在心脏里面做手术是一项对精确性要求极高的艺术。
“瓣膜在释放时多放少放一个毫米都会有差别。”杨剑教授说，在提高手术的精度方面，3D打印技术具有非常重要的指导意义。
他告诉我们，在西京医院，刘丽文教授针对梗阻性肥厚型心肌病研发了一种全新的Liwen术式。即超声引导下经皮心肌内室间隔射频消融术治疗阻性肥厚型心肌病。
“它是在超声引导下经皮通过心外膜穿刺将射频电极针经心尖送至室间隔肥厚部位，高频电波可使局部肥大心肌凝固坏死，从而达到拓宽左室流出道的目的。”杨剑教授说，在Liwen术式的探索中，3D打印技术由于可以更明确地观察心脏解剖结构，尤其是冠状动脉分布位置，对手术方案规划和风险评估都起到了一定的指导作用。
据介绍，通过术前获得的患者CTA或磁共振影像数据，构建真实的心脏三维模型，通过计算机3D模型或3D打印模型中展示的冠脉，术者可全面了解患者的心脏解剖结构，并确定最佳穿刺点位置，设定合理的电极针路径，从而更好地保证手术的安全性。
杨剑教授说，3D打印技术在Liwen术式中的应用取得了优异的早期临床疗效，得到了TCT主席Martin B Leon和CSI会议主席Horst Silvert的高度评价，并多次在国际大会上进行交流。
在《心血管3D打印技术》一书中，像Liwen术式这样的案例还有很多。杨剑教授认为，除了为临床提供更精确的指引，心血管3D打印模型能够提高学生的学习能力和患者的安全性，作为介入和外科的强有力工具，未来将在复杂心血管介入手术培训中发挥越来越重要的作用。
“小荷才露尖尖角，但是趋势不可阻挡”
“医学3D打印作为第三次工业革命的重要组成部分，近年来已在骨科、整形科、口腔科有广泛的应用并展示出广阔的前景，然而由于种种原因，在心血管领域的应用相对局限和滞后。”作为长期的合作伙伴，美国科学院及美国工程院院士锁志刚教授为《心血管3D打印技术》撰写了序言，并表达了对心血管3D打印未来的殷切希望。
在《心血管3D打印技术》一书中，指出目前3D打印心血管领域主要应用高分子材料和生物材料。高分子材料目前主要用于心血管演示模型、术前规划模型和训练工作等，其组织物理还原度（机械性能仿真度）等因素是评估3D打印技术的关键。生物打印材料主要用于制造耗材，如支架、瓣膜、组织工程支架和其他可以模仿心脏生理功能的耗材。
杨剑教授坦言，对于心血管而言，虽然3D打印技术发展很快，影像学的进展也能够提供更准确的支持，但从目前的打印材料选择看，与真实的心血管器官相比还存在着较大的差距。
“以瓣膜为例，本来是很柔软的，而且像纸一样薄，但钙化后甚至硬得连外科医生用钳子都不太好处理，这样对比，材料的硬度比真实的钙化血管要差10的6次方的数量级。尽管各个中心进行了很多的努力，希望把影像学数据还原，让数量级不要差太多，但要想完全达到真实的程度，还是非常非常困难的。”杨剑教授说。
同时，3D打印的投入和成本也是制约这一技术广泛应用的一个原因。杨剑教授告诉我们，多颜色混合的打印机价位都是在上百万元人民币左右，甚至高达数百万元以上。这样的价格，即使在大的心脏中心也是一笔不小的投入。因此，3D打印在目前还无法成为心血管病治疗的标配，但对于高端、特定人群的治疗完全可以率先进行尝试。目前，在西京医院，经过几年来的不懈努力，心血管3D打印的费用已经大幅度降低，单次成本可控制在2000元左右，在TAVR手术中已经可以接受。
杨剑教授认为，受影像学精度、计算机后期处理能力、原材料以及打印成本的制约，目前心血管3D打印还面临着一些发展的瓶颈，但随着生物工程技术的发展，材料学、生物学、计算机科学等多学科的交叉合作，必将创造越来越多的奇迹。医学3D打印完全可能成为一个新的学科，有关专家应着手制定相应的指南和建议，讨论心血管打印短期和长远目标，并着手建立优秀的打印实验室和技术中心、培养杰出的3D打印技术人员。
“小荷才露尖尖角，但是趋势不可阻挡。”杨剑教授最后说，自己非常看好这个技术，相信它未来一定会有非常大的发展。《心血管3D打印技术》作为目前国内中文的第一本心血管3D打印专著，他希望能够起到一个抛砖引玉的作用，唤起更多的人，包括心内科，心外科，以及专门从事3D打印工作的人对这一技术的兴趣和热情，提高心血管基础医疗水平，从而进一步降低患者并发症发生率和死亡率，并把这一技术做得更加极致化，为患者谋求更大的福祉。