SLA采用紫外激光和树脂进行打印。使用材料包括环氧树脂、丙烯酸酯、光致聚合物等。打印层厚0.002 mm, X/Y分辨率0.004^[10], 是现在的标准方法。具有分辨率高、随着打印尺寸的增大打印效率逐渐提高、内部结构精细等优点。主要不足则包括> 1天的打印时间、需要大量的后期手工处理、材料及维护昂贵等^[5]。

FDM由Stratasys公司开发(Eden Prairie, MN, USA)。FDM通过加热的热塑性材料逐层生成模型。使用材料包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、蜡、聚碳酸酯、聚丙烯、各种聚酯等。打印层厚0.007 mm, X/Y分辨率0.002 8^[10]。维护费用在各方法中最低^[5], 优势是可使用多种不同材料以及不需要后固化处理。缺点则包括打印精度较低、材质耐热性差、对于软性材质打印效果不佳等。

SLS使用CO₂激光将热塑性粉末熔化或烧成形成模型。使用材料包括热塑性塑料、尼龙、聚苯乙烯、钢、钛和复合材料等。打印层厚0.004~0.006 mm, X/Y分辨率0.030~0.050^[10]。主要优点包括:可打印复杂的或具有功能的物体、不需要支撑结构、效率高^[4]、可使用金属作为材料^[5]等。缺点主要为费用昂贵且需要操作者有非常专业的后期处理能力^[5]。关于打印物品的表面光洁程度, 不同文献存在不同的说法, Chae等^[5]认为表面光洁程度好, Alali等^[4]则认为表面粗糙。

PolyJet是目前软性材料快速成型的主要方法之一, 与SLA 相似, 同样使用光敏树脂进行成型, 但PolyJet使用喷头将光敏树脂和支撑聚合物同时喷射到工作台, 再使用紫外线照射, 完全凝固后再喷涂下一层。打印层厚0.000 63 mm, X/Y分辨率0.001 7^[10], 由于支撑材料的存在, 光敏树脂可以在完全不受力的状态下凝固成型, 对于软性材料的支持较其他打印方式具有很大优势。

生物材料打印使用细胞或其他生物活性的材质进行打印, 并使用特殊的黏合剂进行粘连, 最终实现具有生物活性的组织、器官的快速成型。这种打印方式尚处于实验室研究阶段, 与临床应用尚有一段距离^{[6, 7, 8, 9]}。

魏晓松等^[15]通过成功打印15例患者的结石模型, 能清楚地显示结石的位置、大小以及与第12肋的关系, 手术医师可以在手术前结合患者的影像学资料设计出最佳的穿刺通道并确定穿刺肾盏。研究结果显示, 手术医师术前做出的手术预估方案与实际手术过程基本相符, 3D打印模型对PCNL手术有一定的帮助。15例患者手术均顺利完成, 术中穿刺定位准确、出血少, 术后无漏尿、高热、感染、大出血等并发症。

汤润等^[16]通过成功打印5例肾结石患者3D肾脏模型。3D模型与患者肾脏长径的平均差值为0.283 cm , 横径的平均差值为0.212 cm, 结石最长径的平均差值为0.244 cm 。肾脏3D模型大小与CT测定的肾脏基本吻合, 差异无统计学意义(P> 0.05), 模型清楚的反应肾外形、肾皮质、肾动静脉、集合系统、结石所在位置及大小, 进行术前手术规划及手术模拟操作, 术前进行结石定位, 选择最佳的穿刺通道及穿刺点, 精准的完成手术模拟。研究表明:3D打印技术可精准的模拟肾脏及结石的解剖细节, 对于手术规划和教学模拟穿刺有重要的临床意义。

Mertz等^[17]和Ursan等^[18]通过3D打印技术可直观的看到结石或肿瘤在肾的位置, 术者通过术前手术规划并在模型上进行手术模拟后, 在术中操作时能够精准的避开血管, 并能够迅速找到病变并进行精准处理, 避免了不必要的步骤, 缩短了手术时间并提高了手术成功率。

Goolab等^[19]在2016年首次应用3D打印导航模板导航技术治疗马蹄肾畸形肾结石, 整个治疗过程应用CT数据处理、模板打印、指导手术。3 min精确肾造瘘, 术中无并发症发生。3D打印个性化模板治疗复杂肾结石的应用, 成为复杂肾结石治疗的新方向。但尚无其他类似报道, 3D打印模板导航经皮肾穿刺是否有利, 效果如何, 有待未来大样本研究证实。

临床工作中, 临床教学也是重要的组成部分。现在轮转住院医师、规培医师、进修医师、医学生之间的水平参差不齐, X线及CT等传统影像学资料的阅片难度较高, 对低年资医生而言很难做到全面。三维实体的模具会使病变部位的解剖变化变得简单明了。同时, 3D打印的模具也可以用做术前操作练习。3D打印技术可针对不同病例进行个体化打印, 打印出的3D模型可清晰的反应病变部位及邻近解剖关系, 可完全模拟真正手术视野, 在教学中使用这种个体化模型能够使学生对该疾病的认识更加直观、深刻。Atalay等^[20]成功地建立了5例人体肾脏集合系统的解剖学模型。在确定前、后肾盏的数量分别提高了52%(P=0.018)和76%(P=0.009), 了解结石的位置上提高了28%(P=0.035), 确定最佳穿刺肾盏位置的能力提高了64%(P=0.020)。所有住院医师都认同 , 这些模型可以使手术计划受益。

现代疾病的治疗越来越强调在遵循循证医学原则的基础上, 根据患者自身的特点和需求, 同时结合医生个人临床经验, 制定出最合理的医疗方案^[21]。针对同一疾病, 在治疗过程中, 必须考虑到患者的个人特点(包括遗传特征、个性心理、价值观等), 从而做出最适合的个体化方案^[22]。3D打印可以在短期内获得手术区域的实体模型, 使得医生对于该患者的病情有直观、真实的认识, 根据患者独特的术区情况, 确定手术方案、模拟手术过程、熟练手术操作、评估手术风险^[23]。同时, 个体化模型应用于术前谈话, 有助于患者及家属对于手术过程、手术意义及风险的理解, 利于医患交流^[24]。有学者认为, 对于每一例肾结石患者来说, 他们的肾脏血管分布情况、肾周围脏器的毗邻关系、肾集合系统的解剖学形态都有很大的差异, 这就决定了对于每例肾结石患者来说, PCNL的手术路径及方法都有很大差异^[25]。如何针对每例肾结石患者选择其最佳的个体化PCNL手术方式尤为重要。

①通过计算机将肾结石的影像学资料转换成相应的数据, 并模拟建立出不同患者肾结石的3D模型, 患者的数据将得到量化和长久保存; ②利用相应的计算机软件处理影像学数字化资料, 以3D模型和动画显示出肾脏集合系统与结石的空间位置关系, 结石患者肾脏内部血管的分布情况, 肾脏周围脏器的解剖毗邻关系。通过3D打印技术, 利用数字化数据等比例打印出患者肾脏及周边脏器全仿真模型, 并在模型上进行细致的手术预演, 明确手术方案, 从而使手术更安全、高效及可靠; ③通过3D打印技术, 将不同患者肾结石的3D模型打印出来, 用作术前病例讨论和教学, 使进修生、轮科生及实习生更加直观地了解肾脏、肾周的解剖结构和熟悉PCNL手术的要点, 缩短PCNL术的学习曲线, 从而提高教学效率; ④计算机可将数据还原, 将不同患者肾结石的数据进行比对, 将同一患者术前术后的数据进行比对, 从而总结出应对不同类型肾结石的PCNL手术方案, 为最终形成单病种标准化作铺垫。此方案有利于提高手术疗效, 降低手术风险, 降低患者的经济负担。