3D打印技術(shù)在臨床骨科中的應(yīng)用

王宇辰 陳云豐

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3D打印技術(shù)在臨床骨科中的應(yīng)用

王宇辰 陳云豐

相對于傳統(tǒng)大規(guī)模量產(chǎn)物品的加工，3D打印技術(shù)無需生產(chǎn)流水線，僅需要計算機、打印機及相關(guān)打印材料即可完成打印，具有低成本、耗時少的優(yōu)點，在制造個性化物品如假肢、骨骼、牙齒、血管等領(lǐng)域有著獨特的優(yōu)勢。近些年，制造業(yè)先進技術(shù)的迅速發(fā)展加上組織工程技術(shù)的突破，使得3D打印技術(shù)越來越多地應(yīng)用于骨科手術(shù)中。該文就3D打印技術(shù)在臨床骨科中的應(yīng)用作一綜述。

3D打??；骨科；臨床應(yīng)用

3D打印技術(shù)是通過計算機輔助設(shè)計讀取影像數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后轉(zhuǎn)化為三維結(jié)構(gòu)的圖像，再連接打印機，運用金屬粉末、塑料等材料一層一層地將實物打印出來并粘合成型，在制造個性化物品如與患者匹配的假肢、骨骼、牙齒、血管等領(lǐng)域有著獨特的優(yōu)勢。本文就3D打印技術(shù)在臨床骨科中的應(yīng)用作一綜述。

1 3D打印技術(shù)工藝

1.1 光固化立體造型術(shù)

光固化立體造型術(shù)(SLA)是通過計算機軟件將3D數(shù)字模型按照一定的厚度分割成若干個平面，再由紫外線激光從底層開始向上照射平臺內(nèi)可被激光照射固化的液體，底層最先固化，之后平臺移動并逐層固化，直到完成所有層次的固化而成型。該技術(shù)分辨率高，成本適中，成型范圍大，但強度中等[1-4]。

1.2 熔融沉積制造技術(shù)

熔融沉積制造(FDM)技術(shù)通過高溫將熱熔性材料(ABS樹脂、尼龍、蠟等)加熱融化至半流狀態(tài)，在計算機控制下，通過噴嘴將半流狀材料擠壓出來，這些擠壓出的顆粒在噴出后立即固化，相互形成薄層，如此循環(huán)形成自上而下的整體實物。該技術(shù)分辨率中等，成本低，強度高，但成型速度較慢[1-4]。

1.3 選擇性激光燒結(jié)技術(shù)

選擇性激光燒結(jié)(SLS)技術(shù)在工作臺上放置待燒結(jié)材料的粉末，采用大功率二氧化碳激光從最底層開始燒結(jié)，在新層面鋪粉開始新的循環(huán)，直至各層均燒結(jié)完畢。該技術(shù)分辨率中等，成本高，成型范圍大，材料種類多，強度高，但成型表面質(zhì)量差[1-4]。

1.4 三維噴繪打印技術(shù)

三維噴繪打印(3DP)技術(shù)通過噴射粘合劑將粉末材料粘結(jié)，最終粘合成一個整體。3DP材料包括尼龍粉末、ABS粉末、金屬粉末、陶瓷粉末及干細胞溶液等。該技術(shù)分辨率低，成本低，成型速度快，材料種類多，但強度差[1-4]。

1.5 電子束熔融技術(shù)

電子束熔融(EBM)技術(shù)使用電子束將金屬粉末分層融化，再形成致密的整體。該技術(shù)精度略遜，但成型效率高，已獲得美國食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)認證，多家公司正在研發(fā)生產(chǎn)中[5]。

2 術(shù)前應(yīng)用

2.1 模擬手術(shù)

在創(chuàng)傷骨科的診斷治療中，復(fù)雜骨折一直是難點之一。利用傳統(tǒng)的2D平面影像對患者受傷程度進行評估，有時不能全面地觀察到骨折各個細節(jié)。3D打印技術(shù)可在術(shù)前打印出等比例的實體模型，在模型上進行模擬手術(shù)，能很大程度地減少術(shù)中出血，縮短手術(shù)時間，并提高手術(shù)精確度。

2.1.1 減少術(shù)中出血及縮短手術(shù)時間

骨盆具有復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)，骨盆骨折常伴有不同平面上的旋轉(zhuǎn)及短縮畸形。在診治伴有復(fù)雜畸形的骨盆骨折老年患者時，僅通過傳統(tǒng)的影像學(xué)檢查不能獲得足夠完善的信息。有學(xué)者[6]對需手術(shù)治療的Tile B、C型不穩(wěn)定性骨盆骨折患者進行分組，3D打印組采用SLS技術(shù)將CT掃描獲取的影像信息處理后打印出包含動、靜脈血管及骨盆骨折的個體化標(biāo)本，術(shù)前在個體化標(biāo)本上進行模擬骨折塊復(fù)位、鋼板放置及確定螺釘長度、進釘位置和角度等，結(jié)果表明與常規(guī)組相比，3D打印組可提高復(fù)雜骨盆骨折的手術(shù)效率(3D打印組、常規(guī)組手術(shù)時間分別為2.7 h和4.4 h，P<0.05)并減少術(shù)中出血量(3D技術(shù)組、常規(guī)組平均出血量分別為646 mL和827 mL，P<0.05)。這充分表明包含動、靜脈血管及骨盆骨折的3D模型在指導(dǎo)復(fù)雜骨盆骨折手術(shù)治療中具有優(yōu)勢。

以往在兒童前臂骨折骨連接不正的治療中，依靠2D圖像并不能可靠地顯示出骨折存在的旋轉(zhuǎn)畸形。Storelli等[7]對有癥狀的前臂骨連接不正并伴有活動受限或遠端尺橈關(guān)節(jié)不穩(wěn)定的兒童患者嘗試使用3D打印技術(shù)，術(shù)前打印出模型進行演練，結(jié)果7例患者術(shù)后均達到影像學(xué)和臨床上的骨連接，其中4例術(shù)前存在遠端尺橈關(guān)節(jié)不穩(wěn)定，術(shù)后均得到修復(fù)，且縮短了手術(shù)時間，止血帶平均使用時間僅為121 min。

Bagaria等[8]將CT信息轉(zhuǎn)換成STL文件后采用FDM技術(shù)打印出髖臼、跟骨骨折及Hoffa骨折模型，以助術(shù)前確定復(fù)位順序、選擇合適的內(nèi)植物、確定植入角度等，結(jié)果顯示該技術(shù)不僅縮短了純手術(shù)時間，而且簡化了術(shù)前大量冗雜的器械準(zhǔn)備等工作，同時減少了麻醉藥用量、術(shù)中出血量及術(shù)中射線暴露；因此推薦在關(guān)節(jié)周圍、髖臼及顱頜面骨折中應(yīng)用3D打印技術(shù)。

2.1.2 提高手術(shù)精確度

Wu等[9]先將16具尸體的骨盆進行CT掃描并打印，比較打印出的模型與實際尸體骨盆，發(fā)現(xiàn)兩者無統(tǒng)計學(xué)差異，表明打印出的模型精確度可信；在術(shù)前利用打印出的模型進行模擬手術(shù)，證實術(shù)前模擬所選擇的最佳手術(shù)入路、鋼板預(yù)彎及鋼板放置位置等均與術(shù)中實際情況良好匹配；打印1個骨盆模型平均需要7 h(6～9 h)，9例患者術(shù)后經(jīng)歷3～29個月(平均5個月)隨訪，骨盆骨折愈合時間為9～17周(平均10.7周)，均未發(fā)生切口延遲愈合、傷口感染及骨不連；在術(shù)前模擬手術(shù)過程中尋找一些有助于術(shù)中定位的解剖學(xué)標(biāo)記并對其進行測量，結(jié)果這些解剖學(xué)標(biāo)記對術(shù)中導(dǎo)航幫助很大。

對于跟骨關(guān)節(jié)內(nèi)骨折患者，目前最常用的手術(shù)入路是擴大外側(cè)入路[10]。該入路可以很好地暴露骨折范圍，但它也常引起皮瓣壞死、切口感染等軟組織并發(fā)癥[10-12]。為了避免這些并發(fā)癥，一些微創(chuàng)入路如跗骨竇入路備受關(guān)注[13-14]。但由于骨折端可能暴露不全，采用微創(chuàng)入路可能會帶來鋼板塑形問題。Chung等[15]為了解決這一問題，術(shù)前打印出跟骨關(guān)節(jié)內(nèi)骨折患者健側(cè)跟骨等比例模型，并在模型上對鋼板進行預(yù)塑形使鋼板匹配受傷前的跟骨，實現(xiàn)了微創(chuàng)切口置入跟骨鋼板的操作。Kim等[16]利用類似方法在術(shù)前選擇最合適的鋼板治療鎖骨骨折，取得了精確的復(fù)位效果。Zeng等[17]打印出10例髖臼骨折模型并用計算機進行模擬復(fù)位，在模擬過程中對鋼板進行預(yù)彎，術(shù)中發(fā)現(xiàn)預(yù)彎的鋼板完美地貼合骨骼，不需要再進行塑形或其他調(diào)整，骨折復(fù)位情況得到極大改善；10例患者中有7例在復(fù)位后產(chǎn)生小于1 mm的移位，3例在復(fù)位后移位僅有1～2 mm，均未出現(xiàn)螺釘穿出、畸形愈合。

2.2 臨床教學(xué)

2.2.1 進一步認識骨折

Bizzotto等[18]使用3D打印技術(shù)打印出1∶1的骨折模型，術(shù)前兩組醫(yī)生(一組為專家，一組為住院醫(yī)生)對模型進行評估，兩組醫(yī)生均表示對骨折類型的認識程度有了很大的提高，模型可以精確地展示出骨折各個方面如關(guān)節(jié)脫位、骨折處附近的碎片等。Hurson等[19]利用SLS技術(shù)打印出20例1∶1大小的髖臼骨折模型，參與醫(yī)生認為這些模型有助于清晰認識骨折具體情況。有研究[20]報道，3位專家和3位高年級學(xué)生被要求分別采用傳統(tǒng)方法(前后位骨盆X線片、Judet位X線片、CT圖像)和模型對骨盆骨折進行分型，采用kappa值來評價觀察者間和觀察者內(nèi)的一致情況，專家通過傳統(tǒng)方法分型的kappa值為0.61，通過模型分型的kappa值為0.76(P<0.05)，學(xué)生通過傳統(tǒng)方法分型的kappa值為0.42，通過模型分型的kappa值為0.71(P<0.01)。這表明實體模型大大降低了骨折分型時觀察者間和觀察者內(nèi)的變異度。骨盆、髖臼等擁有復(fù)雜的三維解剖結(jié)構(gòu)，3D打印技術(shù)有助于對這些部位骨折進行準(zhǔn)確評估、分型及術(shù)前規(guī)劃，尤其對于年輕醫(yī)生的臨床教學(xué)訓(xùn)練幫助很大[21]。

2.2.2 為骨科臨床教學(xué)提供新思路

Li等[22]應(yīng)用打印出的脊柱骨折模型對醫(yī)學(xué)生進行教學(xué)，將學(xué)生隨機分為3組(CT組、3D圖像組和3D打印組)進行隨機對照研究，課程結(jié)束后每位學(xué)生回答10個關(guān)于脊柱骨折的解剖問題及4個關(guān)于教學(xué)模型的問題，發(fā)現(xiàn)3D圖像組和3D打印組對解剖知識的掌握好于CT組，3D打印組最早答完所有問題，且3D打印組大多數(shù)學(xué)生對這種教學(xué)方式給出的評價是“愉悅、有幫助、有效、自信”。由此可知，這些模型可給年輕醫(yī)生、醫(yī)學(xué)生和手術(shù)室人員的教學(xué)提供便利。

3 術(shù)中應(yīng)用

3.1 3D導(dǎo)板導(dǎo)航

使用傳統(tǒng)方法治療復(fù)雜骨折時，往往需要消耗大量的手術(shù)時間，手術(shù)效果也很難達到最佳。3D打印導(dǎo)板的應(yīng)用使得術(shù)者能在導(dǎo)板引導(dǎo)下精確置入內(nèi)植物，減少手術(shù)時長的同時，提高了手術(shù)精確度。穆衛(wèi)廬等[23]根據(jù)CT掃描數(shù)據(jù)打印個體化骨盆模型，通過軟件設(shè)計并打印出骶髂螺釘置入導(dǎo)板，術(shù)中在導(dǎo)板輔助下置入骶髂螺釘，與傳統(tǒng)透視下手術(shù)相比，該技術(shù)避免了釘?shù)佬拚胺磸?fù)透視操作過程，手術(shù)更加簡便；骶髂螺釘置入時間約為30 min，少于C形臂X射線機透視下及CT導(dǎo)航下置入時間(分別為116 min和97 min)；術(shù)中螺釘進釘點、進釘方向均與術(shù)前設(shè)計方案的最佳進釘點、方向一致，未見螺釘穿破骶骨側(cè)塊皮質(zhì)，表明骶髂螺釘置入導(dǎo)板與骨性標(biāo)志匹配良好，實現(xiàn)了骶髂螺釘?shù)木_置入。

實施全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)時，如用傳統(tǒng)方式置入假體，利用現(xiàn)有的設(shè)備并不能保證足夠的準(zhǔn)確度，是否成功往往取決于術(shù)者操作經(jīng)驗[24]。能精確仿制股骨近端和髖關(guān)節(jié)的解剖結(jié)構(gòu)及精準(zhǔn)置入內(nèi)植物對于保證患者術(shù)后功能恢復(fù)最為重要，3D打印技術(shù)為全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)提供了新的思路。Zhang等[25]將20例單側(cè)髖關(guān)節(jié)病變并計劃實施全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)患者隨機分成常規(guī)組與導(dǎo)板組，對導(dǎo)板組患者進行CT掃描，根據(jù)髖臼輪廓和股骨頭解剖特征設(shè)計出特定的導(dǎo)航模板，結(jié)果導(dǎo)板組植入前傾角和外展角誤差均顯著優(yōu)于常規(guī)組，導(dǎo)板組平均手術(shù)時間明顯短于常規(guī)組(導(dǎo)板組118.6 min，常規(guī)組140.2 min，P<0.05)，且平均術(shù)中出血量明顯少于常規(guī)組(導(dǎo)板組410.9 mL，常規(guī)組480.6 mL，P<0.05)。Huang等[26]打印出個體化導(dǎo)航模板輔助復(fù)雜脛骨平臺骨折內(nèi)植物植入，比較理想與實際螺釘長度、進釘點和進釘方向，發(fā)現(xiàn)兩者無統(tǒng)計學(xué)意義，認為在個體化導(dǎo)板輔助下術(shù)前精確放置鋼板和螺釘?shù)睦硐牖O(shè)計成功實現(xiàn)。

由于膝關(guān)節(jié)骨腫瘤解剖復(fù)雜，且手術(shù)難度大，技術(shù)要求高，常規(guī)的膝關(guān)節(jié)置換術(shù)仍達不到滿意的效果。潘偉等[27]對16例脛骨近端惡性骨腫瘤患者采用旋轉(zhuǎn)鉸鏈型人工膝關(guān)節(jié)進行膝關(guān)節(jié)置換術(shù)，術(shù)前行CT及MRI掃描設(shè)計復(fù)位導(dǎo)板，應(yīng)用FDM技術(shù)制作實體導(dǎo)板以術(shù)中引導(dǎo)截骨，術(shù)后所有患者均獲隨訪，平均31個月，結(jié)果患者下肢功能評定總優(yōu)良率為88.1%，無感染、皮膚局部壞死、腓總神經(jīng)損傷及假體脫位等并發(fā)癥發(fā)生。3D 打印技術(shù)的應(yīng)用使得重建的膝關(guān)節(jié)更符合生理需求，達到精確切除腫瘤并盡可能恢復(fù)患膝功能的目的。

3.2 定制假體植入

Yang等[28]應(yīng)用EBM技術(shù)打印出人造椎體，經(jīng)動物實驗證實該人工椎體與周圍骨結(jié)構(gòu)能良好地聯(lián)系，具有良好的生物相容性和機械穩(wěn)定性，預(yù)示著未來在人類應(yīng)用的可能。Dai等[29]為10例需行內(nèi)半骨盆切除術(shù)的骨盆腫瘤及骨盆嚴(yán)重損傷患者打印出骨盆假體模型，并根據(jù)模型進行模擬手術(shù)切除和設(shè)計個性化假體，假體制作完成后再在模型上進行模擬安裝與調(diào)試，應(yīng)用計算機輔助設(shè)計技術(shù)完成最終設(shè)計，術(shù)中發(fā)現(xiàn)該假體可提高固定效果，且準(zhǔn)確性和可操作性更強，保證了手術(shù)的順利進行。

4 術(shù)后應(yīng)用

大部分骨科患者往往在相當(dāng)長的時間內(nèi)需采用各種外固定支具維持保護，目前臨床常用的石膏外固定方式雖然經(jīng)濟方便，但硬度大，缺乏舒適度，長時間的石膏固定導(dǎo)致患者體驗差，且后期康復(fù)鍛煉非常痛苦而難以配合。新材料外固定支具如泡沫夾板、高分子夾板的出現(xiàn)改善了上述情況。最佳的外固定支具應(yīng)具有維持穩(wěn)定但不過于堅硬、與患者肢體匹配度高且舒適性好、便于拆卸等特點[30]。利用3D打印技術(shù)可以設(shè)計出與患者肢體高度匹配的外固定支具，實現(xiàn)支具輕量化的同時提高強度。而應(yīng)用3D打印技術(shù)制作的矯形器可根據(jù)患者情況自由定制，突破了解剖結(jié)構(gòu)上的限制，同時能節(jié)約制造時間和成本[30-32]。Mavroidis等[33]通過3D激光掃描收集患者體表解剖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，使用計算機輔助設(shè)計，利用3D打印技術(shù)制作出踝足矯形器，隨后讓患者佩戴踝足矯形器進行步態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)采用3D打印技術(shù)打印出的踝足矯形器與患者貼合度高，佩戴更加舒適，且更符合實際步態(tài)生物力學(xué)曲線。Qiao等[34-35]應(yīng)用3D打印技術(shù)為3例脛骨骨折患者制作個體化外固定架，獲得了良好復(fù)位，平均旋轉(zhuǎn)1.21°，成角1.84°，橫向移位2.22 mm。該個體化外固定架具有提供恰當(dāng)固定、幫助獲得高度精確復(fù)位、縮短手術(shù)時間、減少損傷、避免射線暴露過多等優(yōu)點，且有助于患者自身體驗及康復(fù)鍛煉，支架足夠的強度也減少了二次創(chuàng)傷的可能。

5 結(jié)語

材料學(xué)和打印工藝的發(fā)展加快了3D打印技術(shù)應(yīng)用的步伐。Wauthle等[36]首次應(yīng)用激光選區(qū)熔化(SLM)技術(shù)制造多孔純鉭內(nèi)植物。這種多孔結(jié)構(gòu)與金屬鉭的結(jié)合使得內(nèi)植物的力學(xué)特性與人類骨骼相近，適于骨生長。新材料的出現(xiàn)拓展了3D打印技術(shù)在臨床中的應(yīng)用范圍[37]。

3D模型用于術(shù)前準(zhǔn)備可減少手術(shù)時間，但術(shù)前打印時間和規(guī)劃時間也應(yīng)考慮在內(nèi)，這依賴于技術(shù)本身的改善。目前3D打印耗時長，難以應(yīng)用于急診手術(shù)[38]。3D打印技術(shù)為骨組織修復(fù)提供了新思路。利用3D打印技術(shù)制備骨組織支架，能保證支架個性化及力學(xué)強度，可通過計算機精細調(diào)節(jié)支架孔隙大小[39]。Kang等[40]利用生物3D打印機打印出骨、肌肉、耳等組織，隨后將這些組織移植到小鼠體內(nèi)，結(jié)果2個月后耳的外形得到保持的同時，形成了軟骨組織，5個月后骨組織周圍血管形成。然而，該技術(shù)尚有許多困難如材料、細胞類型、生長因子如何進行選擇等需要進一步研究[41-42]。

3D打印作為一種跨學(xué)科的技術(shù)，需要多方合作，并制定合理規(guī)劃和相關(guān)法規(guī)，以幫助這一技術(shù)在臨床工作中發(fā)揮更多作用。

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(收稿：2016-03-24; 修回：2016-08-30)

(本文編輯：盧千語)

上海市科學(xué)技術(shù)委員會醫(yī)學(xué)引導(dǎo)類科技項目(134119a2201)

200233， 上海交通大學(xué)附屬第六人民醫(yī)院骨科

陳云豐 E-mail： drchenyf@qq.com

10.3969/j.issn.1673-7083.2016.06.005