根據西京醫院，3D列印結合計算機建模，加速了設備測試中對流體力學的研發和理解，3D列印、計算機建模和人工智慧的有效整合正在逐步改變醫生培訓模式和以患者為中心的醫療服務模式。
亮點包括：
1）結構性心臟病治療需要醫師深入理解心臟的病理生理學；
2）3D列印技術可以明顯縮短新技術新業務的學習曲線；
3）計算建模有助於模擬心臟病理生理狀態下的物理生理特性；
4）AI技術有助於構建患者特異性解剖結構，進而促進手術模擬培訓。
根據3D科學谷的市場研究，目前3D列印在心胸外科有廣泛的應用 ，包括幾個重要應用：先天性心臟缺陷 (CHD) 、二尖瓣疾病、三尖瓣介入治療、左心耳（LAA）封堵、心臟瓣膜人造器官、肺部介入治療、氣管支架、血管支架等。
3D列印心臟瓣膜
3D科學谷
/ 先天性心臟缺陷
先天性心臟缺陷 (CHD) 具有多種複雜而獨特的結構。CT、超聲和 MRI 等傳統成像方法對於評估與 CHD 相關的獨特且通常錯綜複雜的空間關係不是很有用，因為其二維投影與手術室現實有很大不同。因此，3D 列印模型在心臟手術的術前規劃和模擬方面具有顯著優勢。這些模型以高保真度顯示 CHD 患者的複雜解剖缺陷，並能夠全面評估其他方法無法獲得的獨特空間關係。
幾項研究表明 3D 列印模型在臨床決策、介入計劃、促進醫生與患者之間的溝通以及加強對醫學生和外科住院醫師的醫學教育方面的效用。最近一項評估 3D列印 在 CHD 中的應用和準確性的系統評價得出結論，以高精度複雜心臟解剖結構複製的患者特異性 3D 模型在術前計劃、手術模擬、決策制定和術中定位方面具有重要價值。
根據3D科學谷的市場觀察，2019年，3D列印解決方案提供商Materialise曾與上海兒童醫學中心、愛佑慈善基金會攜手建立了「Little Hearts of China」公益慈善項目。結合先進的醫療技術、頂尖的醫療團隊和慈善基金向中國貧困地區患有複雜性先天性心臟病的孩子提供免費的醫療救助。讓世界更美好、更健康是Materialise始終堅持的企業使命，讓高科技、讓3D列印的發展為這個世界的美好未來助力。Materialise在醫療領域的3D列印軟體解決方案，能夠為複雜先天性心臟病的孩子，提供術前3D建模、3D模型列印，為醫生更好地進行術前規劃，選擇手術方案，減少手術風險。
/ 二尖瓣
由於二尖瓣與左心室流出道 (LVOT) 的關係、其在心臟後部的位置以及心室、瓣下器官和 LVOT 之間的複雜關係，因此難以評估二尖瓣解剖結構。由於嚴重二尖瓣反流的治療沒有醫學選擇，其治療依賴於手術修復或置換，這面臨許多挑戰。
陡峭的學習曲線，手術的成功取決於外科醫生的專業知識，因為它挑戰了從 2D 或 3D 超聲心動圖投影對瓣膜解剖結構的解釋。通過 3D列印模擬不同的二尖瓣病理過程，，這些模型允許醫生在微創瓣膜手術模擬器上進行術前計劃和設備測試。
3D列印術前計劃對於經導管二尖瓣置換術 (TMVR) 很有用，TMVR 是一種替代治療方法，用於治療因術中風險增加而無法手術的嚴重症狀性二尖瓣疾病。TMVR 有一個非常普遍的併發症，TMVR瓣膜置入後易引起左室流出道（LVOT）梗阻，可導致心律失常、充血性心力衰竭甚至死亡，特別是二尖瓣瓣膜鈣化嚴重的老年患者，其發生率更高。通過使用 3D 解剖模型，外科醫生可以將經導管瓣膜插入模型中以模擬和界定新 LVOT。
西京醫院通過加工處理獲得患者特異性的3D列印模型，列印出重要解剖結構，包括二尖瓣復合體、左室流出道及心房面，通過計算機CAD模擬植入支架瓣膜假體，能動態地分析TMVR術後支架瓣膜對LVOT的影響，進一步通過調整植入假體的內徑和長短，觀測對LVOT的動態影響。也有助於反饋給介入瓣膜的研發團隊，從而不斷改進和完善介入瓣膜。由於二尖瓣病變造成患者左房、左室、室間隔厚度的變化，每個患者的左室流出道及繼環平面角度都不同，針對目前市面存在的介入二尖瓣，研究團隊通過建立患者特異性的左心3D模型，通過將介入瓣模型植入，能更加真實地反映出患者特性的LVOT梗阻風險。
西京醫院3D列印二尖瓣模型體外進行經導管二尖瓣修復
手術模擬
經皮二尖瓣修復術的迅猛發展不斷催生二尖瓣領域3D列印技術的應用創新。在國內外學者的不懈努力下，很多公司已經可以用3D列印技術列印出正常或病變二尖瓣的瓣環和瓣葉結構。
/ 三尖瓣
根據西京醫院，經導管三尖瓣介入治療是SHD介入領域的熱點方向之一。由於三尖瓣復合體結構複雜，瓣環、瓣葉、腱索、乳頭肌等結構因人而異，傳統影像學方法在評估右心解剖和三尖瓣復合體方面略顯不足，而3D列印能很好地解決這一難題。
此外，根據西京醫院心血管外科楊劍教授的《3D列印技術在TTVR手術中的應用初探》，基於多材料3D列印模型的術前評估方法同樣適用於LuX-Valve經導管三尖瓣置換系統。通過3D列印模型與瓣膜假體的體外模擬植入，可以進一步分析最佳植入角度、瓣周漏及其他術中併發症風險。
/ 左心耳（LAA）封堵
左心耳（LAA）封堵早期臨床試驗和可行性研究中，3D列印技術的作用並不突出；然而在LAA封堵器械在各大醫院推廣應用後，大家很快發現，未開展3D列印技術的醫院，初學者在確定器械尺寸和植入操作技巧方面存在明顯學習曲線。3D列印左心耳模型使得術者對左心耳的大小、成角、受力區域及其周邊組織的結構情況理解更透徹。此外，3D列印技術應用於LAA封堵術圍術期規劃能夠幫忙醫生確定各種型號器械在不同左心耳解剖結構中的錨定部位，選擇最佳的器械、尺寸以及導管。
/ 心臟瓣膜
目前的心臟瓣膜不會隨著患者的生長而生長，並且必須在多年的多次手術中進行更換。根據3D科學谷的市場觀察，慕尼黑工業大學和西澳大利亞大學設計了仿生心臟瓣膜，以支持患者新功能組織的形成。兒童將特別受益於這種解決方案，因為相比之下，3D列印的心臟瓣膜模仿天然心臟瓣膜的複雜性，旨在讓患者自己的細胞滲入支架。儘管還有很長的路要走，但該團隊相信這對於患有心臟瓣膜疾病的人來說將是一個很大的改善。
3D列印心臟瓣膜
3D科學谷白皮書
組織工程學擁有巨大的潛力，在醫療領域可以克服器官移植排斥和藥物篩選的問題，並且通過其研究生物功能油管的分子現象，比如傷口癒合以及炎症反應。雖然3D生物列印有著巨大的潛力，但目前生物墨水和列印技術依然存在缺陷。這些缺陷阻礙了列印列印彈性和高度血管化組織的能力。因此完全基於3D生物列印的製造生產依然有著很大的挑戰性。
/ 未來可能-心臟置換
根據美國加利福尼亞大學的研究團隊在《Advanced Materials》上發表的題為「基於重組人彈性蛋白的生物墨水用於血管化軟組織的3D生物列印技術」的文章，在研究項目中證明了使用重組人原彈性蛋白作為生物彈性墨水製造複雜軟組織的3D列印的可行性。文中提到對血管化的心臟構建體實現生物列印，列印結構顯示內皮細胞屏障功能和心肌細胞的自發搏動，這些是心臟組織的重要功能。另外列印後結構體引起的炎症反應很小，這證明了彈性生物墨水在3D列印生物組織的潛力。或許這項技術未來將應用於心髒置換技術。
/ 呼吸系統
3D列印 在複雜呼吸系統疾病的管理中起著至關重要的作用。氣管支氣管樹解剖結構的高度可變性使得標準化介入治療非常具有挑戰性，尤其是對於支架置入。根據3D科學谷，傳統支架由於不合適的安裝問題，可能需要經常更換或清潔，而由於與患者解剖結構相匹配，定製式氣管支架比標準化產品具有更強的耐受性。
氣管支氣管支架適用於通過內在和外在氣道壓縮治療複雜的中央氣道阻塞 ，以維持氣道通暢並為肺部提供通氣。由不同材料（矽膠和彈性熱塑性塑料）製成的患者專用 3D 支架可以產生非標準的幾何圖形，有助於預防與未安裝支氣管支架相關的後期併發症。藉助醫學影像技術和3D可視化軟體以及3D列印技術，開發完全適合患者解剖結構的定製式氣管支架。3D列印技術用於製造定製式氣管支架的模具，模具製造完成後，將被用於氣管支架成型，氣管支架材料為醫用級矽膠。
此外，一些團體正在測試可生物降解的支架。國內，唐都醫院在2018年1月通過3D列印可降解氣管外支架成功救治氣管軟化症患兒，發現患兒存在左肺動脈乾和胸主動脈的成角畸形，兩條動脈長期擠壓左主支氣管導致管壁發生軟化性狹窄。明確病因後，唐都醫院考慮到患兒多次內科治療效果不佳，於是先後討論了多種外科手術方案，包括軟化段氣管切除術、氣管成形術、主動脈懸吊術等，但都因手術複雜、風險大等原因放棄。結合胸外科前期在4D列印氣管外支架方面的工作，綜合分析患者病情決定為患兒施行4D列印氣管外支架懸吊手術，最後通過自主研發的3D印表機為患兒製作了1:1氣管模型，充分評估病情特點，然後為患兒量身定做了可降解的聚己內酯（PCL）外支架。
/ 血管
自3D列印首次應用於血管手術以來，在血管內手術之前製作了真人大小的動脈瘤複製品以進行手術計劃，在過去的 20 年中發表了許多研究。血管外科中的 3D列印 主要應用於 (a) 腎下和腎旁腹主動脈瘤，(b) 胸主動脈瘤，以及 (c) 大血管的其他入路，如腹腔干、脾動脈、頸動脈、鎖骨下動脈和股動脈， 以及門靜脈。
大多數血管外科醫生使用 CT 和磁共振成像來計劃他們的手術，在某些情況下，還使用都卜勒超聲來獲得互補的血流動力學細節。在3D列印血管模型中，FDM熔融擠出是最被廣泛應用和最便宜的技術之一。隨著血管手術的不斷發展，通過3D列印提供從大血管到最小血管的圖像，從而可以完全控制規劃手術的區域。3D列印的用途之一是在複雜的胸腹主動脈瘤病例中減少手術時間並改善結果，減少人為錯誤 。
金屬血管支架方面，基於粉末床雷射熔化工藝（L-PBF）的3D列印-增材製造技術，不僅可以製造複雜的幾何形狀，而且可以調整3D列印金屬零件的性能，列印工藝參數和掃描策略顯示出對製成零件的微觀結構、性能和尺寸精度的顯著影響。國內，鉑力特3D列印鎳鈦合金血管支架技術探索取得進展，鉑力特依據鎳鈦血管支架應用特點開發出形狀記憶合金工藝，可實現0.1~0.2mm的精細結構成形，材料具有超彈性，經變形訓練後具有良好的形狀記憶效應。
水凝膠支架方面，三維支架中的大孔和相互連接的微通道是支持新組織生長和血管化的重要架構療法。具有設計的大孔和完全互連的微通道（FIM）網絡的水凝膠支架的製造仍然是一個挑戰。深圳大學報告了一種通過3D列印和表面交聯有效製造包含設計的大孔和FIM網絡的水凝膠支架的簡便方法。相關論文以題為3D printed hydrogel scaffolds with macro pores and interconnected microchannel networks for tissue engineering vascularization發表在《Chemical Engineering Journal》上。通訊作者是深圳大學羅永祥副教授。
可吸收血管支架方面，重慶大學生物工程學院王貴學教授和尹鐵英副教授期刊Bioactive Materials上發表研究性文章：3D列印生物可吸收血管支架的兩段式降解及促進功能性新生內膜的特性。該研究針對生物可吸收血管支架在體降解特徵與血管生物力學微環境動態變化和血管組織之間的相互作用問題，研究其促進功能性新生內膜修復的機制。發現的支架兩段式降解特性，有力地證明了生物可吸收血管支架的優勢，也提示針對該特性設計的組合藥物塗層可造福更多的心腦血管疾病患者。
參考資料：
1. Combined use of 3D printing and computer-assisted navigation in the clinical treatment of multiple maxillofacial fractures
2. An overview of 3D printing and the orthopaedic application of patient-specific models in malunion surgery
3. Starting a medical 3D printing lab for otolaryngology-head and neck surgery collaboration
4. Anatomical Engineering and 3D Printing for Surgery and Medical Devices: International Review and Future Exponential Innovations
5. 西京醫院：3D列印、計算機建模和人工智慧在結構性心臟病中的應用展望
6. 3D列印生物可吸收血管支架的兩段式降解及促進功能性新生內膜的特性