快速成型技術(shù)在骨科中的應(yīng)用

王小龍 郁凱 張殿英

快速成型技術(shù)在骨科中的應(yīng)用

王小龍 郁凱 張殿英

快速成型(rapid prototyping,RP)技術(shù)是一項基于離散或堆積成型原理的新型數(shù)字化成型制造技術(shù),可根據(jù)零件特點,將設(shè)計構(gòu)思利用計算機輔助設(shè)計(computer aided design,CAD)電子模型,直接、快速、精確地轉(zhuǎn)變?yōu)閷嵨镌?。通過材料的精確堆積,快速生產(chǎn)原型,具有快速靈活、適合任何形狀的優(yōu)點[1],而這也正是個性化要求的相關(guān)臨床醫(yī)療領(lǐng)域所需要的。骨科是臨床應(yīng)用金屬植入物最多的學(xué)科,由于人骨骼的不規(guī)則性,常常遇到植入物與患區(qū)骨骼不匹配,須臨時對植入物進行塑型,這不但對植入物造成了磨損,而且難以獲得滿意的形狀,導(dǎo)致植入物與患區(qū)匹配不佳,既延長了手術(shù)時間,又影響手術(shù)效果[2]。若術(shù)前能針對性定制金屬植入物,不僅使植入物與患區(qū)獲得良好的匹配,而且縮短手術(shù)時間,提高手術(shù)的效率和安全性。

一、RP技術(shù)在骨科領(lǐng)域中的應(yīng)用

(一)骨模型制作

RP制作實體骨模型可以提供骨結(jié)構(gòu)的精確解剖數(shù)據(jù),展現(xiàn)骨骼直觀、細(xì)微的結(jié)構(gòu),可用于輔助診斷及術(shù)前分析制定手術(shù)方案。此外還可以模擬現(xiàn)場手術(shù),將實體模型消毒后置于手術(shù)臺上,提供空間位置導(dǎo)向,彌補術(shù)中骨骼的有限暴露。Bagaria等[3]利用RP技術(shù)制備了髖臼、跟骨和股骨內(nèi)側(cè)髁等復(fù)雜骨折的模型,在術(shù)中為術(shù)者提供三維空間位置,結(jié)果明顯減少了手術(shù)時間,從而減少了麻醉劑劑量和術(shù)中的出血量。Wu等[4]根據(jù)復(fù)雜重度先天性脊柱側(cè)彎畸形CT掃描數(shù)據(jù)通過RP技術(shù)制備模型,用于術(shù)前測量椎弓根形態(tài)和椎體旋轉(zhuǎn)角度,選擇合適的內(nèi)置物,術(shù)中對照模型確定螺釘進釘點、釘?shù)篮歪旈L,并將RP技術(shù)與傳統(tǒng)透視技術(shù)的手術(shù)結(jié)果進行對比,結(jié)果顯示應(yīng)用RP技術(shù)可以減少手術(shù)時間和螺釘誤置率。

(二)制作內(nèi)固定物及人工假體

RP技術(shù)可應(yīng)用于骨科內(nèi)置物的個體化制造,因其具有滿足復(fù)雜解剖部位假體制造的多樣性、復(fù)雜性和快速性要求的特點。RP技術(shù)目前可定制解剖型鋼板、人工骨盆、椎體及關(guān)節(jié)。骨吸收和假體無菌性松動是影響人工關(guān)節(jié)有效使用壽命的因素,人工關(guān)節(jié)不能確保長期穩(wěn)定的原因是標(biāo)準(zhǔn)人工假體與患者骨骼之間不能精確匹配,而個體化人工關(guān)節(jié)可以最大限度的實現(xiàn)匹配,防止骨吸收和無菌性松動的發(fā)生[5]。

(三)手術(shù)內(nèi)固定模板

目前的內(nèi)固定器械常有配套的通用瞄準(zhǔn)器械或模板系統(tǒng),以輔助內(nèi)固定物置入,缺點是術(shù)中需要X線透視確定內(nèi)固定物位置。而利用RP技術(shù)制造個體化內(nèi)固定模板則能夠與實體骨骼完全匹配,具有安全、準(zhǔn)確等優(yōu)點,減少醫(yī)務(wù)人員和患者術(shù)中放射線暴露時間[6]。在脊柱外科方面,RP個體化模板同樣為椎弓根釘或關(guān)節(jié)突螺釘?shù)闹萌胩峁┝诵碌闹冕敺椒?具有置釘準(zhǔn)確、操作簡單的優(yōu)點,縮短手術(shù)時間,減少醫(yī)務(wù)人員和患者術(shù)中放射線暴露時間[7]。

(四)制備骨組織工程支架

用RP技術(shù)構(gòu)建骨組織工程支架材料有著其他傳統(tǒng)成型工藝不可比擬的優(yōu)勢,能夠制造出類似天然骨組織內(nèi)部的三維孔腔結(jié)構(gòu)[8]。支架材料骨架結(jié)構(gòu)孔隙率及孔徑大小影響纖維血管組織向內(nèi)生長。植骨材料孔徑在100～800μm,孔隙率在50%體積具有更好的骨細(xì)胞長入[1]。

二、不同的RP技術(shù)

(一)選擇性激光燒結(jié)

選擇性激光燒結(jié)是一種生產(chǎn)制造技術(shù),利用激光發(fā)熱將聚合物顆粒熔融燒結(jié)為所需的形狀[9]。此技術(shù)適用于骨組織工程支架生產(chǎn)。該技術(shù)的局限性在于其分辨率受到激光束直徑的限制。改進選擇性激光燒結(jié)加工工藝主要包括:使用更小的激光束直徑,更細(xì)的粉末,更薄的燒結(jié)層,從而生產(chǎn)出分辨率更高的支架,擴大支架的表面積,有利于細(xì)胞的生長[10]。

(二)熔融沉積成型

熔融沉積成型是將熱熔性材料加熱熔化,通過噴頭擠噴出來,隨即與前一個層面熔結(jié)在一起,逐層沉積直至形成三維支架[11]。該項技術(shù)適合于生產(chǎn)骨模型和制造內(nèi)固定模板,局限性在于其Z軸方向的運動有限,不利于三維構(gòu)建。此外,用于熔融沉積成型的材料對其熔點和加工條件有較嚴(yán)格的限制[12]。

(三)立體光刻技術(shù)

立體光刻技術(shù)是以光敏樹脂為原料,紫外激光器發(fā)射激光,在光樹脂表面進行逐點掃描,使被掃描區(qū)域的樹脂薄層發(fā)生光聚合反應(yīng)而固化,形成一個薄層。一層固化完畢后,工作臺下降一個凝固層的厚度,在原先固化好的樹脂表面再敷上一層新的液態(tài)樹脂,然后進行下一層的掃描加工。新固化的一層牢固地黏在前一層上,如此反復(fù)直到三維構(gòu)建完成[13]。此類技術(shù)適用于生產(chǎn)人工假體及骨骼支架,其局限性在于樹脂類材料不具有生物可降解性[14]。

(四)3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)采用離散堆積的方法,可以制造任意復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu),成型過程與工件的復(fù)雜程度沒有直接的關(guān)系。根據(jù)孔隙率、微孔的大小和調(diào)節(jié)支架材料粉末顆粒的大小[15],制造出適應(yīng)細(xì)胞生長的活性骨骼,非常適合制造人體骨骼[10]。3D打印技術(shù)制造人體骨骼與傳統(tǒng)的人體骨骼制造技術(shù)相比,不需要制造人體骨骼的模具,具有生產(chǎn)周期短和成本低等優(yōu)點。與其他RP技術(shù)相比,3D打印成形技術(shù)由于其設(shè)備和材料相對便宜,運行成本較低,打印速度快,可制作精細(xì)、復(fù)雜的實體,已成為近年來RP行業(yè)研究和應(yīng)用的熱點[16]。

三、3D打印技術(shù)的難題

(一)三維建模的難度

目前CT機的接口為DICOM格式,由CT機得到的骨骼斷層圖像,經(jīng)過MIMICS軟件導(dǎo)入DICOM格式文件,軟件自動設(shè)定CT原始掃描參數(shù),每層原始圖像灰度值以內(nèi)插值處理,達到亞體素的精度。調(diào)整窗位及窗寬,使對比度達到最佳可視度,調(diào)整方向和閾值[14],轉(zhuǎn)化為3D打印機所用的STL文件,用MAGICS軟件對STL格式文件進行處理得到SLC格式的加工文件。骨骼數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化的困難是當(dāng)前CT機最小每層掃描厚度是0.3 mm,而3D打印的每層掃描厚度減小到0.02 mm,在0.3 mm內(nèi)的變化無法在三維重構(gòu)中體現(xiàn),這會造成關(guān)節(jié)曲面沒有實物光整[17]。

(二)高成本、高費用、高耗材

目前,國內(nèi)3D打印技術(shù)并不成熟,原材料都由國外廠家直接提供,尚未實現(xiàn)第三方供應(yīng)原材料的模式,直接推高了原材料的價格[8]。

(三)工藝難度高

國外進口設(shè)備廠通常將最優(yōu)化的方案提供給用戶,并將設(shè)備與工藝參數(shù)綁定,任何一個工藝參數(shù)的更改都需要廠家專業(yè)人士的參與,并通過嚴(yán)格實驗的驗證。此舉雖保障了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定,卻提高了技術(shù)封鎖,也增加了使用者的成本[18]。

四、骨骼3D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢

3D打印技術(shù)因無需模具,制造快捷、準(zhǔn)確、獨特的優(yōu)勢,在制造個性化骨科植入物方面推動技術(shù)的全面革新[19]。

(一)人工骨骼預(yù)培養(yǎng)

該技術(shù)可與醫(yī)院儲存的患者CT數(shù)據(jù)相結(jié)合,在患者住院治療之前做好需要替換的人工骨骼,以便減少患者等待的時間,減少住院日,節(jié)約寶貴的醫(yī)療資源。為保證人工骨骼植入后能夠迅速活化,將人工骨骼在無菌環(huán)境中進行體外培養(yǎng)[20],選用利于成骨細(xì)胞附著、增殖和分化的培養(yǎng)液和環(huán)境條件,使人體骨骼在體外初步活化,增加人體骨骼替換的成功率。

(二)材料

3D打印技術(shù)首要解決的問題就是材料問題,相對于其他RP技術(shù),3D打印技術(shù)可供選擇的材料范圍很小。Poldervaart等[21]使用含骨形成蛋白2(BMP-2)的硅酸鹽顆粒打印出的硅酸鈣骨骼植入大鼠和小鼠的體內(nèi),結(jié)果顯示利用3D打印技術(shù)打印出的骨骼在BMP-2刺激下很快長入血管纖維組織。羥基磷灰石作為活性骨骼的材料,不屬于光敏材料和黏結(jié)性材料,需加入光敏劑或黏結(jié)劑,但這樣會影響骨骼活性,造成組織排異反應(yīng),增加植入失敗的風(fēng)險,進一步限制使用光敏材料黏接材料打印人體骨骼的臨床應(yīng)用。因此,需要RP技術(shù)材料工程學(xué)進一步研究開發(fā)具有良好綜合性能的人體骨骼成形材料,以滿足醫(yī)用骨骼的需要。

RP技術(shù)正朝著精密化、高精度、標(biāo)準(zhǔn)化、低成本等方向發(fā)展,采用新型材料直接3D打印出個性化金屬植入物將是RP技術(shù)在骨科應(yīng)用的發(fā)展方向。

[1] Palmquist A,Snis A,Emanuelsson L,et al.Long-term biocompatibility and osseointegration of electron beam melted,free-form-fabricated solid and porous Titanium alloy:experimental studies in sheep[J].J Biomater Appl,2013,27(8):1003-1016.

[2] Izatt MT,Thorpe PL,Thompson RG,et al.The use of physical biomodelling in complex spinal surgery[J].Eur Spine J,2007,16(9):1507-1518.

[3] Bagaria V,Deshpande S,Rasalkar DD,et al.Use of rapid prototyping and three-dimensional Reconstruction modeling in the management of complex fractures[J].Eur J Radiol,2011,80(3):814-820.

[4] Wu ZX,Hung LY,Sang HX,et al.Accuracy and safety assessment of pedicle screw placement using the rapid prototyping technique in severe congenital scoliosis[J].J Spinal Disord Tech,2011,24(7):444-450.

[5] De Long WJ,Einhorn T,Koval K,et al.Bone grafts and bone graft substitutes in orthopaedic trauma surgery.A criticalanalysis[J].J Bone Joint Surg Am,2007,89(3):649-658.

[6] Owen BD,Christensen GE,Reinhardt JM,et al.Rapid prototype patient-specific drill template for cervical pedicle screw placement[J].Comput Aided Surg,2007,12(5):303-308.

[7] Mao K,Wang Y,Xiao SH,et al.Clinical application of computer-designed polystyrene models in complex severe spinal deformities:a pilot study[J].Eur Spine J,2010,19(5):797-802.

[8] Thomsen P,Malmstr?m J,Emanuelsson L,et al.Electron beam-melted,free-form-fabricated Titanium alloy implants:Material surface characterization and early bone response in rabbits[J].J Biomed Mater Res B Appl Biomater,2009,90(1):35-44.

[9] Murr LE,Gaytan SM,Ramirez DA,et al.Metal fabrication by additive manufacturing using laser and electron beam melting technologies[J].J Mater Sci Technol,2012,28(1):1-14.

[10] Svehla M,Morberg P,Zicat B,et al.Morphometric andmechanical evaluation of Titanium implant integration:comparison of five surface structures[J].J Biomed Mater Res,2000,51(1):15-22.

[11] Lu S,Xu YQ,Lu WW,et al.A novel patient-specific navigational template for cervical pedicle screw placement[J].Spine,2009,34(26):E959-E966.

[12] Bistolfi A.Lon levels in trabecular and conventional Titanium cups[Z],2011.

[13] Schumacher M,Deisinger U,Detsch R,et al.Indirect rapid prototyping of biphasic Calcium phosphate scaffolds as bone substitutes:influence of phase composition,macroporosity and pore geometry on mechanical properties[J].J Mater Sci Mater Med,2010,21(12):3119-3127.

[14] Harrysson O,Cansizoglu OD,Marcellin-Little DJ,et al.Direct metal fabrication of titanium implants with tailored mteriaIsand mechanical properties using electron beam melting technology[J].Mater Sci Eng,2008,28(3):366-373.

[15] Wilson CE,De Bruijn JD,Van Blitterswijk CA,et al.Design and fabrication of standardized hydroxyapatite scaffolds with a defined macro-architecture by rapid prototyping for bone-tissue-engineering research[J].J Biomed Mater Res A,2004,68(1):123-132.

[16] Murr LE,Gaytan SM,Medina F,et al.Next-generation biomedical implants using additive manufacturing of complex,cellular and functional mesh arrays[J].Philos Trans A Math Phys Eng Sci,2010,368(1917):1999-2032.

[17] Habibovic P,LI Jiaping,Van Der Valk CM,et al.Biological performance of uncoated and octacalcium phosphate-coated Ti6Al4V[J].Biomaterials,2005,26(1):23-36.

[18] Parthasarathy J,Starly B,Raman S,et al.Mechanical evaluation of porous titanium(Ti6Al4V)structures with electron beam melting(EBM)[J].J Mech Behav Biomed Mater,2010,3(3):249-259.

[19] Matz JE,Eagar TW.Carbide formation in alloy 718 during electron-beam solid freeform fabrication[J].Metall Mater Trans A,2002,33(8):2559-2567.

[20] Murr LE,Quinones SA,Gaytan SM,et al.Microstructure and mechanical behavior of Ti-6Al-4V produced by rapidlayer manufacturing,for biomedical applications[J].J Mech Behav Biomed Mater,2009,2(1):20-32.

[21] Poldervaart MT,Wang HN,Van Der Stok J,et al.Sustained release of BMP-2 in bioprinted alginate for osteogenicity in mice and rats[J].PLoS One,2013,8(8):e72610.

2014-08-28)

(本文編輯:劉揚)

10.3877/cma.j.issn.2095-5790.2014.04.012

天津市濱海新區(qū)衛(wèi)生局科技項目(2011BHKY008,2012BWKZ002)衛(wèi)生公益性行業(yè)科研專項(201002014,201302007);教育部創(chuàng)新團隊(IRT1201);北京市科委重大專項(Z101107052210001)

300450 天津市第五中心醫(yī)院骨科

張殿英,Email:zdy8016@163.com

王小龍,郁凱,張殿英.快速成型技術(shù)在骨科中的應(yīng)用[J/CD].中華肩肘外科電子雜志,2014,2(4):260-262.