本篇报道围绕2018年上海市科技进步奖一等奖项目“骨盆肿瘤精准切除与个性化功能重建的关键技术创新与推广应用”展开，该奖项由上海交通大学医学院附属第九人民医院郝永强教授领衔的团队获得。
3D打印技术是国际前沿技术之一，从非金属到金属材料，从航空航天、国防军事到高端制造的金属部件，都可以看到3D打印的身影。与此同时，3D打印技术已经进军到医疗领域。
如果肿瘤不幸长在了骨盆上，该如何治疗呢？在几十年前，这属于医学绝症，仅有两条路供选择：第一是不进行手术，走向死亡；第二是选择手术，只能冒险进行四分之一半骨盆截肢，身体下半部的一半肢体被完全移除，术后能够幸存下来，但患者的生活苦不堪言——既无法好好坐着，也无法好好站立。当下，即便在发达国家，这种疾病的保肢治疗也属于高风险、高难度、高并发症的手术，且治疗费用高昂。
在中国上海，医学科学家巧妙利用3D打印技术攻克了骨盆肿瘤切除与保肢重建这一高难度的医学难题：他们通过3D打印技术快速打印出与骨盆肿瘤切除后缺损匹配的个性化重建假体，在手术切除肿瘤后精准安装，实现了骨科手术从传统的“削足适履”到个性化的“量体裁衣”治疗模式的重大突破，而假体费用相差无几。
术后，病人可以回归正常生活，生活质量也无太大变化。研发的相关技术也已经被推广应用到绝大多数的骨科疾病的治疗中。上海交通大学医学3D打印创新研究中心（依托上海交通大学医学院附属第九人民医院3D打印中心）已在全国绝大多数省、直辖市、自治区成立了分中心。
日前，《世界科学》特约记者来到上海交通大学医学院附属第九人民医院（下文简称上海九院），采访了上海九院骨科专家、国家重点研发计划首席科学家郝永强教授。
骨盆肿瘤治疗曾是世界难题
骨盆肿瘤手术曾被誉为骨科最高难度的手术，早期很多病人没能幸运地走下手术台。这是因为骨盆紧邻内含大小肠、膀胱及输尿管、子宫及卵巢输卵管（女性）的腹腔与盆腔，还有坐骨及股神经与腹主动静脉及髂总、髂外、髂内动静脉等神经血管。哪个器官都不允许损伤，否则就会危及生命。比如倘若肠子破了就会引起腹腔感染，有生命危险；如果腹主动脉破裂，在5～10分钟内，患者的血液就会流尽。
手术步骤也异常复杂：在不损伤腹腔消化、泌尿、生殖等系统器官与坐骨神经、股神经及大血管等的前提下，找到并准确分离出骨盆肿瘤的外科边界并完整切除，再把准备好的个性化定制重建假体精准放置并准确安装。
重建假体是第二大难关，因骨盆肿瘤切除后缺损形态各一、没有现成的假体可以提供，只能医工合作定制。过去这样的技术仅在少数发达国家能够实现，定制假体费用一般要在10万美元以上，定制周期一般需3个月左右。国内的骨肿瘤病人无法承受高昂的定制假体费用，时间上也等不起。
骨盆肿瘤也是一个误诊率很高的疾病，病人大多有被误诊、漏诊的经历。郝永强介绍说：一位病人痔疮看了很久都没有好转，结果是骨盆肿瘤压迫了肠子，导致了痔疮的发生；有病人因为骨盆肿瘤挤压了肠道，引起了肠疝气，差点开错了刀；也有病人因为肿瘤压迫血管，导致腿部长期水肿，医生却始终无法找到发病原因；还有一些病人因为肿瘤压迫神经，导致下肢剧烈疼痛、麻木，却被误诊为腰椎间盘突出症，甚至去做了腰部手术。所以，病人一经确诊就处于肿瘤中晚期的比例较高。此外，除原发性骨盆肿瘤外，大部分都是其他器官肿瘤转移到骨盆上的，比如70%左右的乳腺癌和前列腺癌患者都有可能发生骨骼转移。
郝永强（左）、戴尅戎（中）、姜闻博（右）
骨骼疾病治疗跃上新台阶
20世纪70年代后期，戴尅戎院士就开始了骨关节个性化人工假体的设计、应用与转化研究。
在一次国内人工关节学术会议上，戴尅戎与上海交通大学机械工程系的王成焘教授相识，从此开始了两人长达30多年的紧密合作，将计算机辅助设计引入个体化假体制造领域，初步建成了直接面向临床的个体化植入假体数字制造体系。
20世纪80年代，他们就设计出包括人工半骨盆、踝关节、肩关节、髋及膝关节等第一代个性化假体，并逐步建立起个性化人工假体设计及制备的技术体系。2003年获得了国内首张定制型人工假体的生产注册许可证，为众多的复杂疑难病例重建肢体功能提供了拥有自主知识产权的定制型人工假体。
如今，通过上海九院创建的3D打印模型、3D打印手术辅助导板、3D打印定制金属假体“三位一体”的治疗模式的应用与推广，骨盆肿瘤的切除与保肢重建难题终于完成了“破冰”。
肿瘤有多大？长在什么位置？与周围重要脏器、血管神经等之间是什么关系？有了3D打印模型，医生与工程师可以一目了然地知晓，讨论并确定手术方案，设计3D打印个性化手术辅助导板及重建假体。
在手术中，医生应用3D打印手术辅助导板精准切除肿瘤后，就可以植入为患者“量身定做”的个性化金属重建假体。
郝永强告诉记者，上海九院进行的骨盆肿瘤切除个性化假体保肢重建手术无一失败，手术时间从过去的十多个小时，下降到3～5个小时，5年存活率超过了50%。定制假体费用也仅仅几万元左右，与国外动辄几十万相比，大大减轻了病人的经济负担。2014年完成的第一例3D打印个性化骨盆重建假体治疗的骨盆肿瘤患者恢复非常理想，术后不久就可以自如地开车去全国各地旅游。
中国的3D打印技术应用不仅完全涵盖了骨科临床领域，还应用到了口腔颌面外科、整形外科等学科领域；不仅解剖形态个性化，力学性能也实现了个性化。
人体共有206块骨骼，每块骨骼都有被癌细胞侵扰的风险，但是借助3D打印技术，现在所有骨骼肿瘤都不再是谈之色变的绝症，而是可以完整切除重建，甚至可以治愈的疾病。
近年来，在3D打印骨骼重建技术上，上海九院又取得新一轮的重大突破，3D打印最常用的金属材料钛合金是惰性金属，与骨骼之间无法整合，永远存在金属假体-骨骼界面，进入人体长时间使用后，金属假体-骨骼界面会出现松动、断裂、脱落等现象，导致假体失效。科研团队通过反复研究，在与骨接触的假体表面打印了能够让骨细胞长入的金属骨小梁，钛合金就能与骨骼长在一起。3D打印的个性化关节假体真正成为患者身体的一部分，可以长时间使用，规避再次或多次手术。
令人振奋的是，上海九院3D打印中心研发打印的具有生物活性的股骨头和半月板在动物实验中已经获得了成功，中心还在不久前拿到了国内首张个性化骨盆重建假体的备案许可证。
除了连根拔起，还能继续进行抗癌治疗
郝永强展示骨盆3D打印器件
1995年，郝永强考入上海交通大学医学院攻读骨科学博士学位，正式拜在戴尅戎院士门下。在此之前，他曾在上海中医药大学师从全国著名中医骨伤大家施杞教授攻读中医骨伤科学硕士学位。
在骨肿瘤的诊治过程中，同时有着中医、西医学习经历的郝永强对于医学的认知有了更深的感受。他告诉记者，之所以会出现大量误诊、漏诊耽误病情的案例，是因为西方医学与技术结合越来越紧密，分科也越来越细化，培养的医生往往缺乏疾病整体观，“只看人生的病，而忽视了生病的人”，美国有些医院的手外科医生甚至荒谬到只看某个手指的疾病。而事实上，人体是一个整体，我们需要用系统医学的思维来判断病情，而中医整体观的思维自始至终贯穿疾病诊疗的全过程。戴先生那一代的骨科医生过去是没有细分科的，从头到脚的疾病他们都要诊治，积累了大量临床经验后再去攻克某一学科的疑难疾病。所以，真正科学的医疗教育不能过早进行分科教育，学生先要对器官、系统整体医学有了深入的认识，然后再去寻找自己感兴趣的疾病进行深耕。
恶性骨肿瘤是全身性疾病，就诊时往往已有现代影像学检查无法发现的微转移，由此，绝不能仅仅关注骨骼，手术治疗前后还要进行包括药物化疗、放疗、免疫治疗在内的综合治疗。在后续治疗的研究中，秉承戴院士衣钵的郝永强带领团队延续系统医学的思维，他们把目光聚焦到了骨骼肿瘤切除后的治疗中。
挖掉被肿瘤细胞侵袭、破坏的骨骼仅是第一步，重建骨关节的假体，不仅仅是承担起骨骼原有的支撑及运动功能，还成为预防肿瘤的“阵前士兵”，担负起预防及杀灭肿瘤的角色。
郝永强说，肿瘤细胞在42℃左右就会快速死亡，今天我们将自主研发的纳米光热材料涂在假体表面（功能性假体），将抗癌“战场”“搬”到疑似微转移部位的附近，医生可以在人体外对功能性假体进行操控，进行局部光热治疗，杀灭假体附近可能残存的肿瘤细胞的同时，人体健康细胞又不会受到伤害，热量可以通过血液循环带出“战场”。
打印器官，未来可延长人类寿命
虽然中国大部分的医疗技术仍然处于跟跑阶段，但令人自豪的是，中国在骨骼打印领域的技术及应用已经处于世界领先水平。美国著名的梅奥医疗中心的骨科团队在参观完上海交通大学医学院附属第九人民医院3D打印中心后，也是连连赞叹，自愧不如。
郝永强告诉记者，3D打印骨骼看似简单，但涉及大量交叉学科，需要材料、软件设计、机械制造、打印装备、临床医学等领域专家同心协力创新，才能完成一个又一个个性化的定制骨骼假体，有着医工合作传统及先天优势的上海九院骨科无疑在医学3D打印研发与应用、推广领域走在了世界的前列。
打印骨骼并不是3D打印研究的终点。今天，上海九院3D打印中心的研究人员还在进行打印器官的实践。这是一个充满梦幻色彩的实践，大多数人走向死亡都是因为器官的衰竭，如果用人体自己的细胞打印出健康的目标器官，置换掉已经衰老的器官，就能大大延长人类的寿命。
全球的科学家都在为此努力，以色列科学家已经在实验室打印出能够跳动的心肌单元，美国科学家也打印出了人体肾脏原型。
郝永强介绍说，生物打印机与目前的3D打印机原理不同，目前最先进的生物打印机有7个打印头，可以同时打印7种细胞或生物材料，这些细胞包括各种器官细胞，如骨细胞、血管细胞、神经细胞等。生物打印机的生物墨水就是细胞和细胞因子，打印机的“纸”就是各种生物材料。在打印过程中，一般是打印一层生物纸，再加一层细胞和（或）细胞因子，然后把打印好的组织或器官放到培养液里，培养存活后，就可以放到动物体内研究，未来技术成熟后就可以放入人体用于治疗。
郝永强说：“我们不仅可以打印骨骼金属重建假体，在未来，还可以用生物材料和自体细胞打印出具有活性的人体骨头等器官，这将是颠覆当今医学的重大突破！”
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本文由上海市“科技创新行动计划”科普项目 （19DZ2332500）资助