3D打印技術(shù)在骨科臨床應(yīng)用中的研究現(xiàn)狀

劉澤 趙建勇

·綜述與講座·

3D打印技術(shù)在骨科臨床應(yīng)用中的研究現(xiàn)狀

劉澤 趙建勇

3D打印技術(shù)是近年來新興的一種高科技制造業(yè)技術(shù)在骨科中應(yīng)用主要在以下幾個(gè)方面：模型制造、定制骨科植入物、骨科手術(shù)輔助器等方面，有效整合于骨科的術(shù)前診斷、手術(shù)規(guī)劃、個(gè)性化內(nèi)植物定制及術(shù)中植入內(nèi)植物的指導(dǎo)等多個(gè)環(huán)節(jié)，解決了骨科許多疑難問題，如術(shù)前診斷、醫(yī)患溝通、手術(shù)方案選擇、術(shù)中內(nèi)固定物置入及輻射暴漏、術(shù)后并發(fā)癥及功能恢復(fù)等，與傳統(tǒng)方法相比，具有直觀、個(gè)體化、可操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。該文就我國(guó)3D打印技術(shù)在骨科的應(yīng)用作一綜述。

骨科；3D打印技術(shù)；應(yīng)用

三維(three dimension，3D)打印是近年來新興的一種高科技制造業(yè)技術(shù)，是快速成型技術(shù)的一種，是一種以三維模型為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)，越來越為人們所關(guān)注[1]。廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑、汽車、航空航天、醫(yī)療、教育等領(lǐng)域。尤其是在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，通過各國(guó)專家和學(xué)者的努力和研究，3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育、疾病診斷、臨床治療方案設(shè)計(jì)、術(shù)前評(píng)估、定制個(gè)性化醫(yī)療器械等方面均取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，凸顯了無可比擬的優(yōu)勢(shì)[2]。隨著醫(yī)療技術(shù)的進(jìn)步，外科疾病的治療目標(biāo)逐漸向“數(shù)字化微創(chuàng)技術(shù)”、“精準(zhǔn)化醫(yī)療”、“個(gè)體化醫(yī)療”方向發(fā)展，3D打印技術(shù)的應(yīng)用為這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了可靠的技術(shù)支撐。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，3D打印技術(shù)分辨率高，能進(jìn)行個(gè)體化定制，構(gòu)建模型保真度高，在外科領(lǐng)域，特別是硬組織外科領(lǐng)域，如骨科、牙科、整形外科等，受到了高度重視,并已應(yīng)用于臨床[3-5],并實(shí)現(xiàn)了從材料、設(shè)備、軟件、應(yīng)用等全產(chǎn)業(yè)鏈的覆蓋。其中在骨科領(lǐng)域，采用3D打印技術(shù)制造的骨科三類植入物已獲得中華人民共和國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局(SFDA)的注冊(cè)批準(zhǔn)，并開始批量投入臨床使用，基于 3D 打印技術(shù)的骨科植入物研發(fā)的法制化體系也在建設(shè)中，國(guó)內(nèi)外不斷涌現(xiàn)出3D打印技術(shù)成功制作骨科實(shí)物模型和反向模板、定制化骨科植入物在臨床成功應(yīng)用的報(bào)道。3D打印技術(shù)在骨科中應(yīng)用主要在以下幾個(gè)方面：模型制造、定制骨科植入物、骨科手術(shù)輔助器械[6]。茲將我國(guó)近兩年相關(guān)研究綜述如下。

1 實(shí)物模型制作中的應(yīng)用

在傳統(tǒng)骨科手術(shù)中，醫(yī)生主要依據(jù)患者X線、CT或MRI等影像學(xué)檢查獲取手術(shù)部位信息，了解骨折程度、類型及移位情況，從而做出診斷，然后參考權(quán)威骨科教材、依據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)在大腦中形成三維印象進(jìn)行手術(shù)設(shè)計(jì)。這種方法需要醫(yī)生對(duì)解剖學(xué)知識(shí)、手術(shù)方式等非常熟悉，且擁有豐富的想象力。但對(duì)于一些解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜部位，如髖臼、脊柱、關(guān)節(jié)部位的骨折，這種方法就顯得捉襟見肘，容易出現(xiàn)漏診、誤診或明確診斷后的分型診斷錯(cuò)誤，也不利于年輕醫(yī)生的培養(yǎng)。此外，平面的三維圖像不能給人以直觀、立體的感覺，醫(yī)生不易向患者解釋病情，影響醫(yī)患溝通。而3D打印技術(shù)可制作出骨折部位的數(shù)字化實(shí)體模型，可清晰、直觀地顯現(xiàn)患者創(chuàng)傷狀況，特別是復(fù)雜骨折及畸形。醫(yī)生可直接在此模型上模擬手術(shù)操作，嘗試不同的手術(shù)方法，比較各種方案的優(yōu)劣勢(shì)，從而制定出個(gè)性化的、最佳的手術(shù)方案，并可通過模擬手術(shù)預(yù)知術(shù)中可能遇到的問題，采取預(yù)防措施[7,8]。相比傳統(tǒng)的影像學(xué)資料，3D 打印為骨科臨床提供了更加詳細(xì)的解剖學(xué)信息，實(shí)現(xiàn)了由二維→三維、平面→立體、虛擬→現(xiàn)實(shí)的轉(zhuǎn)變，為術(shù)前診斷、手術(shù)方案的選擇提供了基礎(chǔ)[9]，同時(shí)1∶1的仿真模型真實(shí)還原了患者骨折的具體情況，也有利于醫(yī)患之間的溝通。

1.1 術(shù)前診斷 骨盆髖臼解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，國(guó)外研究顯示，與傳統(tǒng)影像學(xué)資料相比，3D三維模型更有助于幫助經(jīng)驗(yàn)不足的住院醫(yī)師對(duì)髖臼骨折進(jìn)行骨折分型，而對(duì)經(jīng)驗(yàn)豐富的醫(yī)生則無明顯區(qū)別[10]。Kacl等[11]以30例跟骨關(guān)節(jié)內(nèi)骨折為研究對(duì)象，比較分析3D打印模型與普通影像學(xué)的優(yōu)劣勢(shì)。結(jié)果顯示，二者在跟骨關(guān)節(jié)內(nèi)骨折診斷方面并無明顯差異，但在用于教學(xué)目的和手術(shù)計(jì)劃非常方面具有更高的實(shí)用性。我國(guó)學(xué)者何俊杰等[12]對(duì)32例骨盆骨折患者進(jìn)行CT掃描，采用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，3D打印機(jī)1∶1打印模型，使骨盆骨折的部位、 診斷、分型更直觀、準(zhǔn)確，為手術(shù)方案的選擇提供了依據(jù),且術(shù)中所見實(shí)際骨折與3D 模型基本一致。

脛骨平臺(tái)骨折為高能量損傷所導(dǎo)致，關(guān)節(jié)面嚴(yán)重毀損，同時(shí)常伴有不同程度的軟組織挫裂傷及半月板、韌帶的損傷,僅憑X線片很難對(duì)骨折特征進(jìn)行全面的診斷分析。國(guó)內(nèi)譚敘強(qiáng)等[13]以50例脛骨平臺(tái)粉碎性骨折患者為研究對(duì)象，前瞻性分析X線組與3D打印組的診斷情況。結(jié)果顯示：X線組脛骨臺(tái)平粉碎性骨折明確診斷率為68.00%，分型正確率為64.00%；3D打印組分別為96.00%、96.00%。3D打印組診斷正確率顯著高于X線打印組(P<0.01)。王欣文等[14]探討3D打印技術(shù)在復(fù)雜脛骨平臺(tái)骨折手術(shù)治療中的可行性和臨床應(yīng)用價(jià)值認(rèn)為，重建的脛骨平臺(tái)骨折3D模型能準(zhǔn)確反映出骨折移位的方向和程度，可準(zhǔn)確的進(jìn)行骨折的三柱分型，初步實(shí)現(xiàn)脛骨平臺(tái)骨折的術(shù)前手術(shù)設(shè)計(jì)，臨床可行性良好，可作為術(shù)前準(zhǔn)備的常規(guī)項(xiàng)目。此外， 3D打印技術(shù)還能夠準(zhǔn)確和直觀地反映兒童脛骨遠(yuǎn)端骨軟骨瘤的立體形態(tài)和解剖結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系,對(duì)于兒童脛骨遠(yuǎn)端骨軟骨瘤的診斷、分型及治療均有很強(qiáng)的臨床指導(dǎo)作用[15]。

1.2 手術(shù)模擬 為解決臨床復(fù)雜骨盆骨折修復(fù)問題，魏新旺等[16]利用3D打印技術(shù)以熔融沉積快速成型制作骨盆骨折三維物理模型，再根據(jù)模型進(jìn)行手術(shù)入路選擇、骨折復(fù)位設(shè)計(jì)、鋼板試復(fù)位位置等一系列術(shù)前模擬操作，可以明確骨折移位情況，明顯減少了手術(shù)時(shí)間及X射線透視的使用次數(shù)，術(shù)后均無切口感染、骨折不愈合、內(nèi)固定松動(dòng)及斷裂事件發(fā)生，骨折愈合優(yōu)良率90%。提示3D打印技術(shù)能夠較好的進(jìn)行骨盆骨折修復(fù)前評(píng)估及規(guī)劃，可作為骨盆骨折修復(fù)前準(zhǔn)備的常規(guī)項(xiàng)目。多項(xiàng)報(bào)道也證實(shí)，與常規(guī)手術(shù)相比，3D打印技術(shù)術(shù)前模擬在復(fù)雜骨盆骨折手術(shù)中可使骨盆骨折獲得最佳的復(fù)位及內(nèi)固定，減少術(shù)中探查操作及術(shù)中出血，有利于恢復(fù)正常的力學(xué)穩(wěn)定[17,18]。

3D打印技術(shù)術(shù)前模擬能夠使醫(yī)生在術(shù)前精確直觀地了解發(fā)育性髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良(DDH)患者髖臼及股骨端的解剖結(jié)構(gòu)、畸形等，指導(dǎo)制定手術(shù)計(jì)劃，降低全髖關(guān)節(jié)置換的手術(shù)難度，增加手術(shù)的精確性及安全性，明顯改善術(shù)后髖關(guān)節(jié)功能，提高患者預(yù)后[19,20]。王春龍[21]分別運(yùn)用二維X線模板測(cè)量方法和三維重建技術(shù)全在非骨水泥全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)前進(jìn)行規(guī)劃，分析應(yīng)用兩種方法非骨水泥型全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)前預(yù)測(cè)所應(yīng)用假體的準(zhǔn)確性及其臨床效果，結(jié)果顯示，在2D組中，股骨假體的精確率為45%,髖臼杯假體的精確率為40%,股骨頭假體精確率為55%；在3D組中，術(shù)前規(guī)劃髖臼杯假體的精確率為95%，股骨假體的精確率為90%，說明3D計(jì)算機(jī)術(shù)前規(guī)劃比傳統(tǒng)的2D模板術(shù)前規(guī)劃具有更高的精確度，尤其是在恢復(fù)雙下肢不等長(zhǎng)(LLD)和恢復(fù)股骨偏心距上。

在復(fù)雜的四肢骨折治療中，采用3D打印技術(shù)行術(shù)前設(shè)計(jì)、模擬手術(shù)后再按照術(shù)前預(yù)演目標(biāo)進(jìn)行手術(shù)的報(bào)道近兩年在我國(guó)也多見報(bào)道，如復(fù)雜踝關(guān)節(jié)骨折[22]、Pilou骨折[23]、脛骨平臺(tái)骨折[24]等，均能縮短手術(shù)時(shí)間及骨性愈合時(shí)間，提高解剖復(fù)位率，促進(jìn)功能恢復(fù)，其中在脛骨平臺(tái)骨折的術(shù)前模擬應(yīng)用報(bào)道最多，技術(shù)較為成熟，優(yōu)勢(shì)明顯。

2 定制骨科植入物

骨缺損的治療措施主要為是植入骨內(nèi)置物或骨移植。目前臨床上所用的假體大部分是醫(yī)療器械廠運(yùn)用傳統(tǒng)制造方法所制造的通用型假體。隨著社會(huì)的發(fā)展，人們醫(yī)療意識(shí)的提高，患者已經(jīng)不滿足于通過植入物來緩解疼痛，而是要求最大程度的恢復(fù)其原有的功能，這就要求植入物與患者個(gè)體有更好的解剖學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)匹配度。但由于個(gè)體差異，標(biāo)準(zhǔn)化的假體內(nèi)置物并不能完美匹配患者骨骼的個(gè)體差異，此外各種疾病導(dǎo)致的骨缺損使骨骼解剖變異更不確定，標(biāo)準(zhǔn)假體與患者自體骨外形不能精確匹配，容易導(dǎo)致術(shù)后外形不美觀、不能矯正畸形、功能性較差、不能滿足解剖學(xué)及生物力學(xué)的需求等問題，同時(shí)也增加了圍手術(shù)期并發(fā)癥的發(fā)生率，縮短了假體的使用年限。而3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)與制備的植入物能夠較好的解決這些問題。目前我國(guó)報(bào)道的3D個(gè)性化的骨科植入物制作常見于骨盆部位及關(guān)節(jié)部位。

2.1 骨盆植入物打印 骨盆惡性腫瘤病變范圍不確定，為保障手術(shù)的徹底性，臨床多采用各種根治術(shù)或擴(kuò)大根治術(shù)，對(duì)盆骨結(jié)構(gòu)破壞性大，增加了重建難度。量體裁衣，個(gè)體化的盆骨假體，最大可能實(shí)現(xiàn)假體與殘留結(jié)構(gòu)完美匹配，是恢復(fù)患者解剖結(jié)構(gòu)、保證術(shù)后患肢功能恢復(fù)的重要前提。葉堃等[25]對(duì)1例右側(cè)髂骨巨大軟骨肉瘤患者，擬行半骨盆切除人工半骨盆置換術(shù),利用3D打印技術(shù)定制個(gè)性化鈦合金骨盆假體，通過有限元分析的方法評(píng)價(jià)3D打印鈦合金骨盆假體的生物力學(xué)性能。結(jié)果顯示，3D打印鈦合金骨盆假體3D打印鈦合金骨盆假體的最大vonMises應(yīng)力為25.29MPa，遠(yuǎn)小于鈦合金的屈服強(qiáng)度(950MPa)，應(yīng)力集中區(qū)域?yàn)榧袤w與骶骨連接釘孔附近，可滿足生物力學(xué)要求；術(shù)后3個(gè)月患者逐漸棄拐行走，術(shù)后半年假體情況穩(wěn)定，活動(dòng)正常，計(jì)算結(jié)果與患者術(shù)后隨訪結(jié)果一致。Sun等[26]對(duì)16例行廣泛切除的原發(fā)性惡性骨盆腫瘤患者運(yùn)用3D打印技術(shù)定制個(gè)體化的骨盆上切除半骨盆，行半骨盆重建，研究結(jié)果顯示，3D打印定做半骨盆假體應(yīng)用于半骨盆切除后可迅速、有效地恢復(fù)骨缺損，3年的假體生存率為69%，平均隨訪肌肉骨骼腫瘤協(xié)會(huì)功能評(píng)分為72%。

2.2 關(guān)節(jié)植入物 一般來說，假體置換是某些關(guān)節(jié)損傷的最終治療方案，然而在一些復(fù)雜損傷的關(guān)節(jié)置換中，傳統(tǒng)的關(guān)節(jié)置換效果不甚理想，術(shù)后假體失用、松動(dòng)脫位等所帶來的翻修問題臨床較為常見。這一方面與術(shù)者的技術(shù)熟練程度有關(guān)，另一方面這也是由標(biāo)準(zhǔn)化假體與差異化的個(gè)體損傷之間的矛盾所導(dǎo)致的[27]。膝關(guān)節(jié)假體的設(shè)計(jì)與制造只有針對(duì)患者損傷的具體情況進(jìn)行個(gè)體定制，才能實(shí)現(xiàn)假體關(guān)節(jié)面的良好匹配，從而減少手術(shù)時(shí)間、手術(shù)創(chuàng)傷，減輕患者痛苦，促進(jìn)術(shù)后功能康復(fù)，降低術(shù)后假體松動(dòng)引起的手術(shù)的失敗率等，具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。He等[28]運(yùn)用3D打印技術(shù)制作鈦合金半膝關(guān)節(jié)假體，植入體內(nèi)后，與周圍組織和骨頭具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度匹配良好。張偉等[29]對(duì)6例行全膝關(guān)節(jié)表面置換的患者，術(shù)前行膝關(guān)節(jié)3D打印，制作關(guān)節(jié)模型，測(cè)量術(shù)前截骨量、截骨角度等，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)制定與患者相符的膝關(guān)節(jié)假體，手術(shù)中假體使用與術(shù)前制定符合,手術(shù)時(shí)間及出血量較過去減少,術(shù)后膝關(guān)節(jié)功能改善明顯,未出現(xiàn)感染、假體下沉。

2.3 3D打印直接定制假體 3D打印早期由于打印材料、技術(shù)的限制，不能直接再現(xiàn)假體，只能通過3D模型間接定制假體，雖然充分體現(xiàn)了“個(gè)體化治療”的優(yōu)勢(shì)，但由于制造精度差、內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)不可控等因素，這種間接定制的假體目前僅有髖、膝等大關(guān)節(jié)應(yīng)用的報(bào)道，臨床適用范圍有限。近年來，隨著材料技術(shù)和制造工藝的不斷發(fā)展，3D打印技術(shù)日趨成熟，推動(dòng)了關(guān)節(jié)假體的直接再現(xiàn)。2013年，Steinert等[30]綜合CT、建模軟件及3D打印等技術(shù)，研發(fā)發(fā)一整套制作膝關(guān)節(jié)假體的技術(shù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠完美的定制個(gè)體化的膝關(guān)節(jié)假體，使術(shù)中需要去除的骨骼減少1/4，使患者術(shù)后恢復(fù)時(shí)間縮短1/2，術(shù)后患者下肢力線恢復(fù)情況優(yōu)于傳統(tǒng)手術(shù)，且置換后的膝關(guān)節(jié)更接近正常的解剖結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)構(gòu)[24]。宋長(zhǎng)輝等[31]對(duì)一名患者的全膝關(guān)節(jié)CT連續(xù)斷層圖像提取股骨3D模型，根據(jù)骨科醫(yī)生手術(shù)規(guī)劃進(jìn)行數(shù)字化3D解剖與測(cè)量，并據(jù)此對(duì)目前商業(yè)化的假體進(jìn)行再設(shè)計(jì)，并通過激光選區(qū)熔化(SLM)技術(shù)直接制造股骨假體，成型時(shí)間為5.2h，成型精度標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.030mm，成型致密度達(dá)到99.02%，熱處理后成型性能優(yōu)于美國(guó)實(shí)驗(yàn)材料學(xué)會(huì)(ASTM)F75的鑄造標(biāo)準(zhǔn)，滿足了醫(yī)學(xué)上對(duì)全膝置換股骨假體的高適配性要求，且成型性能優(yōu)良[30]。2014年我國(guó)學(xué)者裴延軍等[32]使用3D打印術(shù)完成了亞洲首例鈦金骨盆假體植入，相繼完成了鎖骨和肩胛骨假體的植入手術(shù)，取得了滿意的效果。劉宏偉等[33]采用64層螺旋CT對(duì)1具成年男性左側(cè)股骨標(biāo)本進(jìn)行掃描，將獲得的斷層圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics15.0軟件重建股骨三維模型，再應(yīng)用UG8.0軟件設(shè)計(jì)個(gè)性化股骨假體三維模型，最后導(dǎo)入EBM-RP金屬3D打印機(jī)成功打印個(gè)性化袖套，與SR股骨柄體組配，制成個(gè)性化股骨假體，且與干骺端匹配良好，采用EBM-RP金屬3D打印技術(shù)可打印具有復(fù)雜三維形態(tài)、表面微孔、與干骺端髓腔匹配的鈦合金個(gè)性化股骨假體,該技術(shù)具有簡(jiǎn)便、快速、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國(guó)家(聯(lián)合)實(shí)驗(yàn)室工程合金研究部與國(guó)內(nèi)醫(yī)療機(jī)構(gòu)合作，利用瑞典ArcamA1型電子束金屬熔融快速成型設(shè)備制備出具有多孔涂層的鈦合金骨盆假體、鎖骨假體及肩胛骨假體，在臨床試驗(yàn)中取得了良好的效果，進(jìn)一步促進(jìn)了醫(yī)療器械 “私人定制”的發(fā)展[34]。

2.4 3D仿生物活性支架打印 隨著新型材料的研發(fā)，3D打印的材料也由金屬、塑料等發(fā)展為凝膠、細(xì)胞或生長(zhǎng)因子等混合材料。因此，3D打印不僅局限于打印無生物活性的只具有支撐作用的假體，還被應(yīng)用于研發(fā)富有生物活性的骨骼替代物，具有廣闊的發(fā)展空間[35]。很多置入物通過加入多孔的磷酸三鈣等材料，以促進(jìn)骨骼的生長(zhǎng)。如我國(guó)研究者孫梁等[36]以3D快速成型聚乳酸-聚羥乙酸/磷酸三鈣支架修復(fù)兔橈骨缺損，12周時(shí)骨缺損愈合，新生骨痂連接缺損斷端并塑形，支架材料近于完全降解，缺損部位的骨密度值達(dá)到正常值的95%以上，顯示出仿生物活性支架具有良好的成骨效果，是一種理想的骨移植替代材料。3D打印技術(shù)制備的生物活性支架不僅具有良好的生物相容性，而且其納米微孔技術(shù)還有利于種植細(xì)胞的遷移、增殖、分化，有助于組織缺損的修復(fù)和成骨早期愈合[37]。國(guó)外學(xué)者以3D打印快速成型技術(shù)制備混有聚己內(nèi)酯、脫鈣骨基質(zhì)支架置入兔子體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)加入脫鈣骨基質(zhì)后不僅能在支架周圍成功誘導(dǎo)骨生成，還能夠誘導(dǎo)骨細(xì)胞在支架孔隙內(nèi)生成并產(chǎn)生新生骨，且無免疫反應(yīng)[38]。此外，我國(guó)還有報(bào)道支架直接采用可水解材料為原材料，置入后可在體內(nèi)自然降解，成骨速度可以完美的匹配支架的降解速度，可修復(fù)大段骨缺損[39]。中華醫(yī)學(xué)會(huì)第十七屆骨科學(xué)術(shù)會(huì)議上，創(chuàng)生醫(yī)療器械(中國(guó))有限公司的自行開發(fā)的3D骨科數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)在打印金屬骨小梁技術(shù)上有時(shí)明顯，實(shí)現(xiàn)了骨小梁結(jié)構(gòu)、密度、分度等多個(gè)變量的可控化制造。

3 骨科手術(shù)輔助器械

目前，3D打印的骨科輔助器械主要是手術(shù)置釘導(dǎo)航模板。在復(fù)雜的骨折手術(shù)中，如粉碎性骨折、關(guān)節(jié)周圍骨折等，術(shù)者在缺乏直視的情況下難以做到解剖復(fù)位及精確的固定，部分關(guān)節(jié)周圍螺釘?shù)闹萌胍餐揽啃g(shù)者的經(jīng)驗(yàn)和手術(shù)技巧來完成，耗時(shí)長(zhǎng)，創(chuàng)傷大。雖然術(shù)中反復(fù)C型臂、X線透視的應(yīng)用提高了手術(shù)的精準(zhǔn)度，但對(duì)術(shù)者及患者均有較大的輻射傷害；計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航系統(tǒng)價(jià)格昂貴，操作復(fù)雜，保養(yǎng)繁瑣，增加患者感染的幾率，手術(shù)時(shí)間長(zhǎng)等，目前尚難以推廣[40]。3D打印制作導(dǎo)航模板將醫(yī)學(xué)影像學(xué)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)(CAD)、逆向工程技術(shù)(RE)及3D打印技術(shù)有機(jī)結(jié)合，能夠直觀了解病變局部的解剖異常，并精確到具體數(shù)值，不僅可以輔助骨折精準(zhǔn)復(fù)位，還可以指導(dǎo)螺釘精準(zhǔn)置入，提高手術(shù)安全性及手術(shù)效果。目前臨床報(bào)道的3D打印導(dǎo)航模板主要應(yīng)用于骨盆、關(guān)節(jié)、頸椎、腰椎、脊柱等復(fù)雜的手術(shù)中，在提高手術(shù)精準(zhǔn)度的同時(shí)，還縮短了手術(shù)時(shí)間，減少了術(shù)中出血量及麻醉藥物用量[41]。

黃軒等[42]采用3D打印技術(shù)制備個(gè)體化枕骨髁螺釘導(dǎo)航模板，在尸體試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)輔助置釘準(zhǔn)確性高，操作簡(jiǎn)單，為枕骨髁螺釘?shù)木_置入提供了新思路。 于乃春等[43]利用快速成型技術(shù)對(duì)脊柱畸形的患者進(jìn)行脊柱三維重建，從不同的角度與方向觀察實(shí)物模型，術(shù)前建立個(gè)體化導(dǎo)航模板，術(shù)中引導(dǎo)椎弓根置釘，明顯縮短了手術(shù)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了手術(shù)置釘?shù)臏?zhǔn)確性及安全性的目的。

在頸椎椎弓根螺釘植入中，寧金沛等[44]報(bào)道了3D打印個(gè)體化導(dǎo)航模板在7例胸椎和頸椎椎弓根螺釘植入的臨床應(yīng)用效果，7例患者共植入24枚椎弓根螺釘，23枚完全在椎弓根內(nèi)，植釘準(zhǔn)確率為96%，無螺釘植入有關(guān)的神經(jīng)、血管損傷等并發(fā)癥，與傳統(tǒng)的椎弓根置釘技術(shù)相比，無疑是技術(shù)上的一大進(jìn)步，特別是對(duì)于出現(xiàn)解剖變異的寰樞椎椎弓根置釘術(shù)優(yōu)勢(shì)更為明顯。吳超等[45]采用3D打印個(gè)體化椎弓根定位導(dǎo)航模板輔助頸椎椎弓根螺釘置入治療頸椎骨折脫位12例，并與計(jì)算機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)輔助置釘治療12例進(jìn)行對(duì)比研究顯示，兩種導(dǎo)航方法均有較高的置入準(zhǔn)確率，比較差異無明顯差別，但3D打印個(gè)體化定位導(dǎo)板手術(shù)時(shí)間及術(shù)中出血量更少，操作較為簡(jiǎn)單，優(yōu)勢(shì)更為明顯。同時(shí)該項(xiàng)研究也指出，3D打印導(dǎo)航模板的制作至少需要24h左右，不適宜急診手術(shù)；在實(shí)際操作中可能會(huì)由于導(dǎo)板晃動(dòng)、設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)誤差、3D打印材料的變形等，有一定誤差。

在腰椎相關(guān)手術(shù)中，黃彥等[46]報(bào)道實(shí)時(shí)術(shù)中Orbic-3D導(dǎo)航引導(dǎo)下經(jīng)皮微創(chuàng)椎弓根釘內(nèi)固定結(jié)合椎體成形治療老年骨質(zhì)疏松胸腰椎壓縮骨折，取得了良好的臨床效果，手術(shù)微創(chuàng)、安全性高，植入的96枚椎弓根釘術(shù)后CT復(fù)查均在椎弓根內(nèi)，所有患者隨訪過程X線檢查無內(nèi)固定松動(dòng)，椎體高度恢復(fù)及后凸矯正明顯，并能有效維持，臨床效果良好。嚴(yán)斌等[47]將37例正常人體腰椎進(jìn)行三維重建，設(shè)計(jì)導(dǎo)航桿正好穿破椎弓根中心，3D打印出腰椎標(biāo)本模型和導(dǎo)航模板，結(jié)果228枚腰椎椎弓根螺釘進(jìn)釘方向都與虛擬方向完全一致，未穿破椎弓根皮質(zhì)。陳軒煌等[48]利用3D打印建立術(shù)前個(gè)體化導(dǎo)航模板，輔助60例腰椎手術(shù)患者的椎弓根螺釘精準(zhǔn)置入內(nèi)固定，結(jié)果示所有螺釘均在椎弓根內(nèi)位置良好，精準(zhǔn)率達(dá)到96.84%，無1例穿破腰椎椎弓根皮質(zhì)，未發(fā)生置釘相關(guān)并發(fā)癥。

在髖關(guān)節(jié)中，國(guó)內(nèi)周游等引入3D打印導(dǎo)航模板技術(shù)，對(duì)5例(10髖)尸體標(biāo)本施行Bernese髖臼周圍截骨術(shù)：術(shù)前規(guī)劃應(yīng)用逆向工程技術(shù)提取術(shù)野骨盆解剖形態(tài)特征和截骨面，設(shè)計(jì)導(dǎo)航模板并用3D打印技術(shù)制作成實(shí)物；術(shù)中將導(dǎo)航模板直接與暴露后的骨盆及截骨面貼合，完成精確截骨及髖臼骨塊的旋轉(zhuǎn)移位，術(shù)后實(shí)驗(yàn)病例均未出現(xiàn)截骨進(jìn)入髖關(guān)節(jié)內(nèi)或后柱完全截?cái)嗟牟l(fā)癥，術(shù)前模擬后與術(shù)后測(cè)量的外側(cè)CE角、髖臼頂傾斜角、股骨頭超出指數(shù)及覆蓋率差異均無明顯差異。3D打印導(dǎo)航模板技術(shù)的應(yīng)用有效解決了髖臼周圍截骨術(shù)并發(fā)癥發(fā)生率高、手術(shù)操作不精準(zhǔn)及術(shù)中輻射暴露的問題。但該項(xiàng)研究的標(biāo)本均為正常髖關(guān)節(jié)，無法證實(shí)髖臼發(fā)育不良患者中的應(yīng)用[49]。余開富等[50]將數(shù)字化設(shè)計(jì)結(jié)合 3D打印技術(shù)制備的導(dǎo)航模板指導(dǎo)帶血管蒂髂骨瓣移植治療股骨頭缺血性壞死，股骨頭壞死灶及周圍硬化骨均徹底清除，帶血管蒂髂骨瓣位置滿意，未穿透關(guān)節(jié)，手術(shù)安全性高，術(shù)中只需1次透視驗(yàn)證導(dǎo)航模板準(zhǔn)確性，定位更精確；髂骨瓣及植骨均達(dá)骨性融合，融合時(shí)間平均 2.7 個(gè)月；末次隨訪患者髖關(guān)節(jié)疼痛明顯緩解，關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍增加。

在全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中，Gan等[51]在尸體全關(guān)節(jié)置換術(shù)試驗(yàn)中證實(shí)了3D導(dǎo)航模板可以提高截骨在手術(shù)過程的精度。邱冰等[52]基于醫(yī)學(xué)圖像三維重建技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)、利用3D打印制造的用于全膝關(guān)節(jié)置換的個(gè)性化手術(shù)導(dǎo)航模板，與股骨髁和脛骨平臺(tái)解剖貼合緊密，無明顯移動(dòng)，保證了置換術(shù)中定位解剖軸線的精確性。該方法無需要求外科醫(yī)生接受特殊訓(xùn)練，操作安裝假體較簡(jiǎn)便，且在假體安裝時(shí)，假體的三維坐標(biāo)位置已確定，減少了置換術(shù)中所需要的校準(zhǔn)等的時(shí)間，可提高手術(shù)效率；不需要打開髓腔，降低了髓內(nèi)出血、脂肪栓塞等并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)，為膝關(guān)節(jié)置換提供了一種新的方法。Gan等[53]研究也證實(shí)，3D導(dǎo)航模板有助于降低全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中的手術(shù)時(shí)間及手術(shù)出血量，手術(shù)精確度和有效性也優(yōu)于常規(guī)手術(shù)。

Zhang等[54]引對(duì)18例青少年肘關(guān)節(jié)內(nèi)翻畸形患者制備導(dǎo)航模板指導(dǎo)手術(shù)，經(jīng)過12～24個(gè)月的隨訪發(fā)現(xiàn)，截骨精準(zhǔn)性增加，肘關(guān)節(jié)功能得到改善。此外，國(guó)外還有報(bào)道顯示，3D打印技術(shù)制作的截骨矯形模板用于肱骨遠(yuǎn)端骨折畸形的治療、橈骨遠(yuǎn)端畸形截骨術(shù)，亦能使截骨的大小和角度更加精準(zhǔn)，手術(shù)時(shí)間縮短，產(chǎn)生較好的矯正效果[55,56]，但目前我國(guó)相關(guān)研究較少。

3D打印技術(shù)作為一種新型技術(shù)，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)明顯，特別是在骨科臨床，有效整合于骨科的術(shù)前診斷、手術(shù)規(guī)劃、個(gè)性化內(nèi)植物定制及術(shù)中植入內(nèi)植物的指導(dǎo)等多個(gè)環(huán)節(jié)。隨著3D打印材料、技術(shù)的不斷發(fā)展及成熟，這項(xiàng)技術(shù)在骨科臨床中有效解決了骨科許多疑難問題，如術(shù)前診斷、醫(yī)患溝通、手術(shù)方案選擇、術(shù)中內(nèi)固定物置入及輻射暴露、術(shù)后并發(fā)癥及功能恢復(fù)等，與傳統(tǒng)方法相比，該技術(shù)的應(yīng)用使復(fù)雜的骨折手術(shù)變得相對(duì)容易，手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)降低，手術(shù)效果也得到提高。但是總結(jié)這兩年來我國(guó)的研究現(xiàn)狀，3D打印技術(shù)在骨科臨床的應(yīng)用仍面臨著諸多的問題，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)研發(fā)及生產(chǎn)成本過高：3D打印的原材料研發(fā)難度大，設(shè)備及其運(yùn)行成本、打印材料費(fèi)用較普通影像學(xué)檢查昂貴，限制了其在骨科臨床中的普遍應(yīng)用，目前仍然是小范圍開展。(2)制作時(shí)間長(zhǎng)， 3D打印技術(shù)雖然是一種快速成型技術(shù)，這只是相對(duì)于傳統(tǒng)制造產(chǎn)品的方法來說。3D打印技術(shù)從獲取患者影像學(xué)資料到建立三維模型，再到打印出實(shí)物模型，少則數(shù)小時(shí)，多則數(shù)天，耗時(shí)較長(zhǎng)，在急診手術(shù)中實(shí)用性差。(3)材料要求性高，應(yīng)用于骨科臨床的植入物材料必須具備有一定的強(qiáng)度及良好的生物相容性，而目前應(yīng)用于3D打印的材料主要為金屬、光敏樹脂等，能滿足這些要求的材料很有限。(4)精度不理想：應(yīng)用3D打印技術(shù)制作實(shí)物模型及導(dǎo)航模板均要求具有較高的精確性，才能保障手術(shù)的精準(zhǔn)性。但由于國(guó)內(nèi)3D打印技術(shù)還處于初始階段，技術(shù)仍不成熟，打印設(shè)備、儀器等多來自國(guó)外，打印精度難以保障。(5)缺乏大中心的對(duì)照研究：3D打印技術(shù)作為一種相對(duì)較新的技術(shù)手段應(yīng)用于骨科，其效果還需要大量臨床數(shù)據(jù)的進(jìn)一步驗(yàn)證，而我國(guó)目前相關(guān)研究多數(shù)處于初級(jí)、試驗(yàn)性的臨床階段，報(bào)道病例數(shù)少，與傳統(tǒng)方法相比，并未顯示出顛覆性優(yōu)勢(shì)。但我們相信，隨著醫(yī)學(xué)水平的發(fā)展，3D打印技術(shù)的進(jìn)步，其不足之處會(huì)逐漸得到解決，在臨床中的應(yīng)用將更加廣泛。3D打印技術(shù)將成為骨科發(fā)展的趨勢(shì)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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066400 河北省盧龍縣醫(yī)院骨二科(劉澤);河北省滄州中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院骨五科(趙建勇)

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1002-7386(2017)02-0288-06

2016-09-07)