3D打印技術(shù)在骨外科學(xué)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

繆鋅，凌強(qiáng)，鄧高榮

(南昌大學(xué)第四附屬醫(yī)院，南昌330000)

3D打印技術(shù)在骨外科學(xué)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

繆鋅，凌強(qiáng)，鄧高榮

(南昌大學(xué)第四附屬醫(yī)院，南昌330000)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、新材料技術(shù)的蓬勃發(fā)展，3D打印技術(shù)不斷成熟，迅猛發(fā)展。目前該技術(shù)主要用于汽車行業(yè)、航空航天、醫(yī)療行業(yè)、建筑設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。醫(yī)療行業(yè)中，國(guó)際上已開始將3D打印技術(shù)應(yīng)用于器官模型制造、手術(shù)分析策劃、個(gè)性化組織工程支架材料、假體植入物制造以及細(xì)胞或組織打印等方面。在骨外科學(xué)中，3D打印技術(shù)可根據(jù)患者解剖結(jié)構(gòu)的個(gè)體化差異，制作立體的實(shí)物模型，從而實(shí)現(xiàn)個(gè)體化解剖測(cè)量，降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，提高手術(shù)成功率。

3D打印技術(shù)；創(chuàng)傷骨科；骨腫瘤科；關(guān)節(jié)外科；脊柱外科；個(gè)性化治療

3D打印技術(shù)根據(jù)其制造工藝又被稱為增材制造，屬于快速成型技術(shù)[1]的一種，起源于19世紀(jì)末期美國(guó)照相、雕塑和地貌成形技術(shù)，但由于價(jià)格昂貴、技術(shù)不成熟，早期并沒有得到推廣普及。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、新材料技術(shù)的蓬勃發(fā)展，3D打印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，主要應(yīng)用于汽車行業(yè)、航空航天、醫(yī)療行業(yè)、建筑設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。目前，國(guó)際上已開始將3D打印技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療行業(yè)中的器官模型制造、手術(shù)分析策劃、個(gè)性化組織工程支架材料、假體植入物制造以及細(xì)胞或組織打印等方面。骨外科學(xué)(簡(jiǎn)稱骨科)臨床所使用的內(nèi)置物材料都是按照尸體解剖數(shù)據(jù)，采用固定尺寸及外形進(jìn)行批量生產(chǎn)，難以與每位患者的需求部位完美匹配，無法獲得滿意的臨床效果[2]。而3D打印技術(shù)可以彌補(bǔ)這一不足。本文對(duì)3D打印技術(shù)在創(chuàng)傷骨科、骨腫瘤科、關(guān)節(jié)外科、脊柱外科中的應(yīng)用進(jìn)展作一綜述。

1 3D打印技術(shù)在創(chuàng)傷骨科中的應(yīng)用

創(chuàng)傷骨科是骨科中的基礎(chǔ)學(xué)科，由于骨折類型復(fù)雜多變，治療方式千差萬別，導(dǎo)致治療效果相差甚遠(yuǎn)。在復(fù)雜的骨折手術(shù)中，術(shù)者在經(jīng)驗(yàn)不足且無法直視的情況下難以做到良好地對(duì)位、 對(duì)線及精準(zhǔn)固定。粉碎性骨折復(fù)位是術(shù)中難點(diǎn)之一，涉及關(guān)節(jié)面的骨折要求達(dá)到解剖復(fù)位，具有創(chuàng)傷大、精確度差、耗時(shí)長(zhǎng)的特點(diǎn)。傳統(tǒng)醫(yī)生憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行操作，術(shù)中螺釘方向靠醫(yī)生的解剖知識(shí)及經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行確定，由于患者解剖結(jié)構(gòu)個(gè)體化差異，年輕醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)相對(duì)不足不足，螺釘進(jìn)入關(guān)節(jié)腔的情況時(shí)有發(fā)生。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，粉碎性骨折手術(shù)中可借助數(shù)字骨科技術(shù)設(shè)計(jì)手術(shù)導(dǎo)板，利用3D打印技術(shù)快速制作，為術(shù)中骨折精確復(fù)位、預(yù)測(cè)鋼板規(guī)格、確定釘?shù)婪较蚝吐葆旈L(zhǎng)度等提供幫助。Brown等[3]將快速制作的導(dǎo)向模板應(yīng)用于107例骨折患者手術(shù)中，結(jié)果表明導(dǎo)向模板應(yīng)用效果良好，精確度滿意；其中35例髖臼骨折患者術(shù)中共打入280枚固定螺釘，未出現(xiàn)螺釘進(jìn)入關(guān)節(jié)腔的情況。邢曉偉等[4]采用計(jì)算機(jī)輔助及3D打印技術(shù)建立股骨轉(zhuǎn)子間骨折1∶1實(shí)體模型及置釘導(dǎo)向模板，發(fā)現(xiàn)其具有提高手術(shù)操作準(zhǔn)確性、簡(jiǎn)化手術(shù)操作流程、提高手術(shù)安全性等特點(diǎn)，且術(shù)前采集圖像可術(shù)中反復(fù)使用，有助于減少術(shù)中透視對(duì)患者的放射性損傷。王懷斌等[5]利用3D打印技術(shù)制作與實(shí)物1∶1的跟骨模型，對(duì)跟骨骨折做出明確術(shù)前診斷及模擬操作以指導(dǎo)手術(shù)治療，能讓術(shù)者直觀觀察骨折形態(tài)，準(zhǔn)確評(píng)估骨折情況，降低致殘率，具有較高的手術(shù)指導(dǎo)意義。劉百偉等[6]根據(jù)患者髖臼后緣解剖數(shù)據(jù)，利用3D打印技術(shù)個(gè)性化定制髖臼后緣解剖型鋼板，并將其應(yīng)用于10例髖臼后緣骨折患者的定制鋼板手術(shù)治療，術(shù)后無血管神經(jīng)損傷，螺釘準(zhǔn)確置入，未出現(xiàn)螺釘進(jìn)入關(guān)節(jié)腔的情況，說明3D打印髖臼后緣個(gè)性化鋼板是治療髖臼后緣骨折的一種新型內(nèi)固定方法。

2 3D打印技術(shù)在骨腫瘤科中的應(yīng)用

骨腫瘤有良、惡性之分，惡性骨腫瘤好發(fā)于青少年，隨著近年來新輔助化療的發(fā)展，骨腫瘤患者一般采取保肢手術(shù)治療。骨腫瘤形狀多不規(guī)則，其體積與手術(shù)方案的選擇及治療效果等密切相關(guān)[7]，如何精確切除腫瘤組織一直是骨腫瘤科醫(yī)師所面臨的挑戰(zhàn)；切除大面積腫瘤組織后缺損骨組織的修補(bǔ)、功能重建等也是保肢手術(shù)治療所面臨的難點(diǎn)[8]。裴延軍等[9]采用金屬3D打印技術(shù)制備出與患者鎖骨和肩胛骨完全一致的鈦合金假體，并成功植入骨腫瘤患者體內(nèi)，成為世界上肩胛帶不定形骨重建的首次應(yīng)用。該研究采用3D打印技術(shù)制備的鎖骨、肩胛骨等不定形骨個(gè)體化鈦合金假體匹配性高，功能及外形滿意；多孔設(shè)計(jì)石骨及軟組織附著長(zhǎng)入率高；彈性模量降低，可減少應(yīng)力遮擋并發(fā)癥；產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，精確度高；制備周期短，費(fèi)用大幅降低。付軍等[10]根據(jù)31例骨腫瘤患者的CT掃描數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)手術(shù)導(dǎo)板后采用4種打印材料進(jìn)行制作，結(jié)果表明3D打印技術(shù)能滿足骨腫瘤手術(shù)的個(gè)體化要求，實(shí)現(xiàn)術(shù)前設(shè)計(jì)，而且不同3D打印材料制備的手術(shù)導(dǎo)板各有優(yōu)勢(shì)。

3 3D打印技術(shù)在關(guān)節(jié)外科中的應(yīng)用

隨著數(shù)字骨科學(xué)的飛速發(fā)展，3D打印技術(shù)因其可為患者“私人定制”高精度的個(gè)體化植入體、提高關(guān)節(jié)外科復(fù)雜、高難度手術(shù)的成功率而得到快速發(fā)展[11]。Minns等[12]利用1例60歲女性患者術(shù)前CT數(shù)據(jù)，通過3D打印設(shè)備制備膝關(guān)節(jié)塑料模型，并對(duì)其進(jìn)行膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)，通過術(shù)前手術(shù)設(shè)計(jì)、模擬規(guī)劃，對(duì)比術(shù)后結(jié)果發(fā)現(xiàn)該方法精確度高，尤其適用于變形的脛骨平臺(tái)，可提前預(yù)測(cè)支撐骨塊的形狀。劉峰等[13]研究顯示，定制3D打印切模輔助膝關(guān)節(jié)置換術(shù)具有個(gè)體化、精準(zhǔn)化、數(shù)字化、手術(shù)時(shí)間短、創(chuàng)傷小等優(yōu)點(diǎn)。張偉等[14]對(duì)6例行全膝關(guān)節(jié)表面置換術(shù)的患者術(shù)前行膝關(guān)節(jié)3D打印，定制個(gè)性化膝關(guān)節(jié)假體，結(jié)果發(fā)現(xiàn)患者手術(shù)中假體應(yīng)用與術(shù)前制定相符合，手術(shù)時(shí)間及出血量明顯減少，術(shù)后膝關(guān)節(jié)功能改善，未出現(xiàn)感染、假體下沉等。王臻等[15]利用3D打印技術(shù)制造了一種用于復(fù)合異體半關(guān)節(jié)移植的個(gè)體化人工半膝關(guān)節(jié)，并將其應(yīng)用于1例因右股骨下段骨肉瘤保肢術(shù)后復(fù)發(fā)的患者，結(jié)果顯示患者術(shù)后膝關(guān)節(jié)功能得到明顯改善；該研究較好地解決了異體-自體關(guān)節(jié)形狀不匹配的問題。

4 3D打印技術(shù)在脊柱外科中的應(yīng)用

由于椎弓根螺釘具有明顯的生物力學(xué)優(yōu)勢(shì)[16]，椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)逐漸成為脊柱后路內(nèi)固定手術(shù)的常規(guī)術(shù)式，但對(duì)復(fù)雜脊柱畸形患者進(jìn)行手術(shù)治療時(shí)，椎弓根螺釘?shù)闹冕旊y度和風(fēng)險(xiǎn)均會(huì)增加[17～19]。肖進(jìn)等[20]對(duì)6例脊柱側(cè)凸患者行PET-CT掃描，應(yīng)用Mimics軟件進(jìn)行脊柱三維重建，通過3D打印技術(shù)得到與病變完全一致的脊柱實(shí)體模型，并用于術(shù)前模擬和內(nèi)固定植入設(shè)計(jì)，結(jié)果顯示患者術(shù)后畸形矯正滿意，認(rèn)為3D打印技術(shù)有助于脊柱側(cè)凸的診斷、手術(shù)設(shè)計(jì)及內(nèi)固定選擇等。張強(qiáng)等[21]研究顯示，3D打印技術(shù)制作椎弓根導(dǎo)向模板是一種新的技術(shù)方法，不需要特殊的手術(shù)經(jīng)驗(yàn)，可以縮短手術(shù)時(shí)間，減少術(shù)中出血，減少或避免手術(shù)中透視，可為嚴(yán)重腰椎疾病患者提供手術(shù)指導(dǎo)。李洋等[22]對(duì)52例經(jīng)椎弓根內(nèi)固定的胸腰椎手術(shù)患者通過3D打印模型輔助置釘156枚，僅3枚穿破皮質(zhì)，成功率達(dá)98.08%，明顯高于傳統(tǒng)手法置釘?shù)某晒β?90.91%)，認(rèn)為3D打印技術(shù)輔助胸腰椎椎弓根置釘可提高置釘準(zhǔn)確率和手術(shù)安全性，符合個(gè)體化置釘，可作為胸腰椎椎弓根螺釘置入的一種新方法。戎帥等[23]以1例腰椎多節(jié)段峽部裂患者為研究對(duì)象，利用逆向工程與3D打印技術(shù)對(duì)患者的脊椎進(jìn)行三維重建并制作出1∶1大小的脊柱模型，術(shù)中所見與術(shù)前模型異常及測(cè)量結(jié)果完全一致，認(rèn)為3D打印技術(shù)能夠使骨科醫(yī)生在術(shù)前精確直觀地了解脊柱畸形情況，從而提高診斷率，指導(dǎo)制定手術(shù)計(jì)劃，模擬手術(shù)操作，增加手術(shù)精確性及安全性。

3D打印作為一項(xiàng)革命性的新技術(shù)，雖然可以制作立體的實(shí)物模型，降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，提高手術(shù)成功率，但也存在如下缺點(diǎn)：①費(fèi)用較高。3D打印技術(shù)制作出來的產(chǎn)物都是個(gè)性化的，不能批量生產(chǎn)，目前僅停留在科研階段。②材料學(xué)發(fā)展不能滿足臨床醫(yī)學(xué)的需求。臨床醫(yī)學(xué)中應(yīng)用的材料必須具有生物相容性和適宜的彈性模量，而目前很多3D打印材料不能滿足這些要求。③產(chǎn)物機(jī)械強(qiáng)度不足。3D打印技術(shù)的核心原理是材料堆積、高溫黏合，所以打印出來的大部分實(shí)物模型機(jī)械強(qiáng)度差、脆性大，無法滿足骨科內(nèi)置物高強(qiáng)度的需求，因而其主要用于術(shù)前準(zhǔn)備、虛擬手術(shù)操作或制作手術(shù)導(dǎo)向模板，而不是作為實(shí)體安放于體內(nèi)。④不適用于急診手術(shù)。骨科急診手術(shù)較多，雖然3D打印技術(shù)可快速成型，但模型為個(gè)體化，制作整個(gè)模型的過程耗時(shí)較長(zhǎng)，因而在復(fù)雜急診手術(shù)中的應(yīng)用受限。

綜上所述， 3D打印技術(shù)具有自由成型的特點(diǎn)，特別適合復(fù)雜產(chǎn)品的成型；在多孔內(nèi)植物及有復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)內(nèi)植物的制造等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)；不僅可以減少患者的等待時(shí)間，提高手術(shù)成功率，還可彌補(bǔ)傳統(tǒng)通用型內(nèi)植物修復(fù)時(shí)形狀不匹配和力學(xué)性能差的缺點(diǎn)；加上3D打印技術(shù)和商業(yè)應(yīng)用的發(fā)展，大批量個(gè)性化定制將成為重要的生產(chǎn)模式[24]。今后3D打印技術(shù)在臨床中的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛。

[1] Rengier F, Mehndiratta A, von Tengg-Kobligk H, et al. 3D printing based on imaging data: review of medical applications[J]. Int J Comput Assist Radiol Surg, 2010,5(4):335-341.

[2] 秦勉,劉亞雄,賀健康,等.數(shù)字化設(shè)計(jì)與3-D打印技術(shù)在個(gè)性化醫(yī)療中的應(yīng)用[J].中國(guó)修復(fù)重建外科雜志,2014,28(3):286-291.

[3] Brown GA, Firoozbakhsh K, DeCoster TA, et al. Rapid prototyping: the future of trauma surgery[J]. J Bone Joint Surg Am, 2003(85):49-55.

[4] 邢曉偉,尹慶水,黃山東,等.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)-快速成型在股骨轉(zhuǎn)子間骨折修復(fù)中的應(yīng)用:與常規(guī)手術(shù)修復(fù)效果比較[J].中國(guó)組織工程研究,2010,14(13):2319-2323.

[5] 王懷斌,袁志,畢龍,等.快速成型技術(shù)在手術(shù)治療跟骨關(guān)節(jié)內(nèi)骨折中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)進(jìn)展,2014,26(14):5084-5087.

[6] 劉百偉,李云峰,陸堅(jiān),等.快速成型髖臼后緣鎖定鋼板治療髖臼后緣骨折的初步應(yīng)用[J].臨床骨科雜志,2014,17(2):155-157.

[7] Shin KH, Moon SH, Suh JS, et al. Tumor volume change as a predictor of chemotherapeutic response in osteosarcoma[J]. Clin Orthop Relat Res, 2000(376):200-208.

[8] 丁煥文,易燦,涂強(qiáng),等.計(jì)算機(jī)輔助骨盆腫瘤精確切除和功能重建[J].中國(guó)修復(fù)重建外科雜志,2011,25(10):1218-1223.

[9] 裴延軍,吳智鋼.世界首例3D打印金屬鎖骨和肩胛骨植入手術(shù)在西京醫(yī)院成功實(shí)施[J].中華創(chuàng)傷骨科雜志,2014,16(5):34.

[10] 付軍,郭征,王臻,等.多種3-D打印手術(shù)導(dǎo)板在骨腫瘤切除重建手術(shù)中的應(yīng)用[J].中國(guó)修復(fù)重建外科雜志,2014,28(3):304-308.

[11] 王富友,任翔,楊柳.3-D打印技術(shù)在關(guān)節(jié)外科的應(yīng)用[J].中國(guó)修復(fù)重建外科雜志,2014,28(3):272-275.

[12] Minns RJ, Bibb R, Banks R, et al. The use of a reconstructed three-dimensional solid model from CT to aid the surgical management of a total knee arthroplasty: a case study[J]. Med Eng Phys, 2003,25(6):523-526.

[13] 劉峰,張勇,任靜,等.定制3D打印切模輔助膝關(guān)節(jié)置換術(shù)臨床分析[J].中國(guó)實(shí)用醫(yī)藥,2014,20(9):21-22.

[14] 張偉,金玉林.3-D打印技術(shù)在全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中臨床應(yīng)用[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)創(chuàng)新,2014,11(24):130-134.

[15] 王臻,滕勇,李滌塵,等.基于快速成型的個(gè)體化人工半膝關(guān)節(jié)的研制——計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造[J].中國(guó)修復(fù)重建外科雜志,2004,18(5):347-351.

[16] Kothe R, Rüther W, Schneider E, et al. Biomechanical analysis of transpedicular screw fixation in the subaxial cervical spine[J]. Spine (Phila Pa 1976), 2004,29(17):1869-1875.

[17] Sarlak AY, Tosun B, Atmaca H, et al. Evaluation of thoracic pedicle screw placement in adolescent idiopathic scoliosis[J]. Eur Spine J, 2009,18(12):1892-1897.

[18] Upendra BN, Meena D, Chowdhury B, et al. Outcome-based classification for assessment of thoracic pedicular screw placement[J]. Spine (Phila Pa 1976), 2008,33(4):384-390.

[19] 殷瀟凡,夏江霓,李劍勇,等.胸腰椎骨折椎弓根內(nèi)固定及并發(fā)癥[J].臨床骨科雜志,2007,10(5):442-443.

[20] 肖進(jìn),尹慶水,張美超,等.Mimics軟件重建脊柱三維骨骼數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上快速成型的脊柱畸形模型[J].中國(guó)組織工程研究與臨床康復(fù),2008,12(35):6835-6838.

[21] 張強(qiáng),趙昌松,袁征,等.導(dǎo)板導(dǎo)航在復(fù)雜腰椎椎弓根螺釘置入手術(shù)中的初步應(yīng)用[J].中華臨床醫(yī)師雜志(電子版),2013,7(24):11574-11577.

[22] 李洋,毛廣平,劉金龍,等.快速成型模型佐助胸腰椎椎弓根置釘?shù)难芯縖J].頸腰痛雜志,2012,33(5):325-330.

[23] 戎帥,滕勇,烏日開西·艾依提,等.基于3D打印技術(shù)的腰椎多節(jié)段峽部裂個(gè)性化手術(shù)治療[J].中國(guó)矯形外科雜志,2013,21(21):2222-2226.

[24] 李小麗,馬劍雄,李萍,等.3D打印技術(shù)及應(yīng)用趨勢(shì)[J].自動(dòng)化儀表,2014,35(1):1-5.

江西省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BBG70072)。

凌強(qiáng)(E-mail： linq@163.com)

10.3969/j.issn.1002-266X.2016.48.035

R318.08

A

1002-266X(2016)48-0100-03

2015-11-05)