浙江省肿瘤医院-浙大：《nature communications》打造全新3D打印肝脏模型

时间：2023-12-27 10:40 来源：浙江省肿瘤医院新闻中心作者：admin 阅读：次

近日，浙江省肿瘤医院肝胆胰外科张宇华教授课题组携手浙江大学赵骞/吴晶军教授团队共同研发了一种高度个性化的新型软性3D打印肝脏模型，有助于进一步提升手术的精准性和安全性。该研究获国际3D打印专家的支持，研究成果发表于国际学术期刊nature communications。

现有的术前评估和规划主要依赖二维影像（CT/MRI）及三维可视化技术，但存在一定的局限性。例如，三维重建模型仅能在二维屏幕上展示，只具备整体旋转功能，无法模拟真实手术过程中肝脏由于游离、牵拉等操作引起的局部形变。相比之下，3D打印实物模型不但可以直观展示肝脏内部的脉管结构和病灶，外科医生还可以通过触摸、旋转、挤压、牵拉等方式全面了解不同形态下各个结构的空间位置关系，为解决实时场景中的问题提供了有力支持。
然而，目前的肝脏3D打印模型模量远高于真实肝脏，相差1~2个数量级，质地与真实肝脏相去甚远。此外，这些模型只能进行一次性切割，成本高昂，消耗巨大，大大限制了它们在实际临床实践中的应用。近日，浙江省肿瘤医院肝胆胰外科张宇华教授团队携手浙江大学赵骞/吴晶军教授团队在Nature Communications（综合性期刊一区TOP，IF=16.6）杂志在线发表了题为“3D printing of self-healing personalized liver models for surgical training and pre- operative planning”的研究成果。通过改良3D打印材料及方法，研究团队共同研发了一种高度个性化的新型软性3D打印肝脏模型，其模量接近真实肝脏。该模型在进行切割后能够在室温下迅速修复，支持反复多次切除，有望解决目前存在的痛点问题，推动3D打印实物模型在肝脏外科实践中的应用，进一步提升手术的精准性和安全性。

张宇华教授与赵骞/吴晶军教授团队合作基础深厚，长期致力于医工交叉领域的研究，先后合作发表多篇SCI文章。在双方日常沟通讨论中，张宇华教授指出目前3D打印肝脏模型存在的一些问题，而赵骞/吴晶军教授则从化学材料的角度出发，提出了相应的解决办法。赵骞/吴晶军教授团队提出高仿真肝脏模型的弹性体树脂的材料设计需同时满足以下特点：模量/粘弹性等力学性能可调、高效的室温自修复性能、快速光固化、无需复杂化学及成本低。

他们选择两种常见的丙烯酸酯单体作为打印前驱液，发现固化后的弹性体能较好地模拟肝脏的生物力学特征。结合CT三维成像技术和数字光投影3D打印，实现了3D打印肝脏模型的快速个性化定制。由于不含有化学交联剂，线性的高分子拓扑结构更有利于链段的自由运动及相应的自修复行为，适合用于制作自修复肝脏模型。

（自修复弹性体设计及力学性能）

自修复肝脏模型的制作包括CT扫描、三维数字模型构建以及3D实物模型打印，在不断优化的流程下，现在成功制作一个模型仅需1-2天的时间。普通外科手术刀和超声刀均可在模型上进行切割，修复后的模型能够迅速恢复至初始状态，具备耐受牵拉、扭曲等操作的能力，而这些操作引起的内部管道形变也与真实肝脏的形变相近。

（自修复肝脏模型制作过程及自修复性能）

局部切除和解剖性肝切除是临床实践中最常用的两种手术方式，张宇华医生团队在自修复肝脏模型上进行了相应的测试。结果显示，通过切割-修复-再切割的方法，医生在模型上可以进行反复试错，不断探索最佳的手术路径。在两种场景下，最终均能够实现肿瘤的完整切除，并保护关键解剖结构免受损伤。

（肝脏两种常见手术方式模拟）

为了初步探索自修复肝脏模型在临床实践中的应用价值，张宇华医生团队展开了一项探索性的临床研究。借助前述的流程优化，赵骞/吴晶军教授团队能够在患者完成术前CT检查后快速制作自修复肝脏模型。在获得模型后，张宇华医生团队首先在模型上进行模拟手术，通过切割-修复-再切割的不断试错，探索最佳手术路径，并结合常规的术前评估（CT/MRI影像和三维重建模型），制定最佳手术方案。初步结果表明，自修复肝脏模型的引入降低了术中意外情况的发生，进一步提升了手术的安全性。

（自修复模型模拟手术和真实手术）

在本研究的发表过程中，受益于多位审稿人提供的宝贵意见和建议。值得一提的是，其中一位审稿人是来自希腊亚里士多德大学的Georgios Tsoulfas教授，他是《3D Printing: Applications in Medicine and Surgery》一书的编辑。本研究结果得到了国际3D打印专家同行的支持，标志着我们的研究达到了国际前沿水平。同时，研究团队基于该项研究成功获批了2024年度浙江省“尖兵”“领雁”研发攻关计划项目，相关专利也正在申请过程中。我们希望将这些成果进一步推进，促使3D打印实物模型在外科手术中得到更广泛的应用。

(责任编辑：admin)

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