3D打印技術在創(chuàng)傷骨科臨床中的應用現(xiàn)狀及進展

王 康，李思慕，馬 婷，賈維東

·綜 述·

3D打印技術在創(chuàng)傷骨科臨床中的應用現(xiàn)狀及進展

王 康1，李思慕2，馬 婷2，賈維東2

3D打?。还钦?；創(chuàng)傷

3D打印技術目前是世界上最尖端的技術之一[1]，它綜合了數(shù)字建模、機電控制、信息、材料、化學等多方面的前沿技術。近年來，隨著計算機等各種技術的飛速發(fā)展，特別是合金材料的直接應用，3D打印技術在創(chuàng)傷骨科應用中得到了廣泛的推廣和發(fā)展。3D打印技術是以數(shù)字化模型為基礎，運用黏合材料，將設計出的3D模型按照某一坐標軸切成有限的多個剖面后，經(jīng)逐層打印的方式，最終創(chuàng)造一個立體實物的技術[2]。在創(chuàng)傷骨科近年來的研究熱點中，3D打印技術目前是重要方向之一，通過患者的CT、MRI等影像資料和數(shù)據(jù)，利用三維技術為患者制訂“量體裁衣”式的個人定制治療方案，定制出個性化的實體模型、植入物及輔助器械，可有效地解決臨床治療難題[3]。其逼真、直觀、形象的臨床模擬技術，豐富的臨床教學指導性，為創(chuàng)傷骨科臨床醫(yī)師培養(yǎng)和臨床帶教提供了廣闊的前景。本文就3D打印技術的優(yōu)勢、發(fā)展的局限性以及在創(chuàng)傷骨科領域的應用情況進行綜述，旨在為廣大學者和臨床工作者提供參考和借鑒。

1 3D打印技術在創(chuàng)傷骨科中的優(yōu)勢與應用制約

1.1 3D打印的優(yōu)勢

1.1.1 實體模型性:通過收集和整合患者資料，3D打印技術可以實現(xiàn)由二維到三維、由平面到立體、由虛擬到現(xiàn)實的轉(zhuǎn)變，包括三維模型、工具和假體等。醫(yī)生可以根據(jù)1∶1模型對疾病做出最真實、精確的評估，在疾病的診斷、術前手術方案的設計、術前操作流程的演練、術中輔助手術操作以及術后恢復等方面具有較好的應用前景、極高的應用價值[4-5]。同時，可術前進行反復演練和交流，護士通過參與這一環(huán)節(jié)，也能夠詳細、準確地了解患者情況，提前做好相關準備，醫(yī)護共同確保手術的順利進行及對意外情況的提前預估，這為臨床疾病的診斷和治療提供了精確的思路和方法[6-7]。

1.1.2 手術個性化:傳統(tǒng)鋼板及內(nèi)置物的規(guī)格與材料滿足了普通患者常規(guī)治療需求，但對特殊患者而言，包括損傷部位特殊或自身條件特殊的患者，傳統(tǒng)內(nèi)置物材料不能滿足臨床需求。骨科的個性化治療在此時十分必要。對于特殊患者，如何確定更加適合、固定確切的內(nèi)置物材料，是臨床的難題之一。根據(jù)3D打印技術制作的完全依據(jù)個體數(shù)據(jù)形成的內(nèi)置物可以充分滿足這部分患者的需求，達到確切固定、精準治療、手術個性化保障的目的。隨著未來的發(fā)展趨勢，骨科的模式將是“個性化、精確化、私人訂制”的發(fā)展模式。從大方向著眼，個性化的人工關節(jié)、接骨鈑、骨盆修復等醫(yī)療植入物將廣泛應用于臨床；從小方向著眼，如創(chuàng)傷手術中在導航模板輔助下進行螺釘置入，可通過3D打印技術找到合適的螺釘尺寸和設計螺釘置入的軌道，以減少術中螺釘?shù)钠啤＿@將使得廣大創(chuàng)傷骨科患者受益，也是我們進一步探索和研究的方向。

1.1.3 術中暴露性:目前手術中仍需X線影像的確認，以輔助內(nèi)固定物的植入，但基于3D打印技術和逆向工程技術的個體化內(nèi)固定模型可以與患者骨骼完全匹配，節(jié)約手術時間，從而減少醫(yī)患術中的放射性暴露[8]。尤其在復雜的粉碎性骨折患者中應用價值更大，不僅可以指導準確地進行骨折復位，還可進行精確的置釘，在導航模板下很容易操作，可縮短手術時間，減少置釘穿孔率及方向錯誤率，減少手術團隊及患者的輻射量。

1.1.4 便于醫(yī)患溝通:3D打印技術根據(jù)三維重建構建出1∶1的模型，能夠幫助醫(yī)生與患者及家屬交流，使患者能夠更加清晰和直觀地了解自己的病情及手術的難易程度，便于醫(yī)生講解手術方案以及術中可能出現(xiàn)的情況，如出血、術后的相關并發(fā)癥等。這為患者和醫(yī)生提供了觸覺和視覺上的全新體驗，也增加了患者治愈疾病的信心，同時提高了患者對我們服務質(zhì)量的滿意度。

1.1.5 利于教學和培訓:3D打印模具也應用于骨科臨床帶教中。對于骨盆骨折、復雜關節(jié)面骨折，目前的X線和三維重建CT仍具有一定的局限性，尤其對于低年資醫(yī)生和學生存在一定理解和認識上的困難。但面對一個具體的三維立體模具，對臨床帶教和年輕醫(yī)師培養(yǎng)工作更為有效，學生的學習效果更好、更一目了然。Hurson等[9]將采用3D打印技術制備的髖臼骨折模型應用于培訓年輕醫(yī)師、醫(yī)學生和護士，取得了較好的效果。

模具能達到教學的目的，可以培訓碩博士研究生、規(guī)培生以及低年資醫(yī)師，可通過模具讓其預先選擇鈦板和螺釘?shù)拈L度，并在模具上進行多次術前演練，這對提高他們的臨床技能有著決定性的意義[10]。同時，多次的術前模擬演練，能夠大大提高手術的成功率，縮短手術時間，減少術后并發(fā)癥，惠及患者。

1.2 3D打印的應用制約

1.2.1 材料研發(fā)的制約性:材料是3D打印技術的核心之一[5]，目前使用的天然醫(yī)用材料包括膠原、殼聚糖等；人工合成高分子材料聚乳酸、聚乙醇酸、聚醚醚酮；羥基磷灰石等生物活性陶瓷材料和鈦合金等醫(yī)用金屬材料。但對目前的醫(yī)學發(fā)展仍非常局限，骨科常用的合金為鈦合金、不銹鋼和鈷鉻鉬合金。3D打印機仍無法實現(xiàn)鈷鉻鉬合金的冷處理工藝，其他多種常見的金屬和高分子材料的打印技術仍處于試驗階段[11]。另外，材料的強度、剛度、機械加工性還需改進，還不能完全模擬人體組織器官的強度、剛度和柔韌度等特性[3]。針對材料的局限性，應鼓勵和支持多學科共同研發(fā)，加速材料研發(fā)的進程，為臨床開展3D打印技術開辟出一條更寬廣的道路。

1.2.2 配套應用軟件開發(fā)的制約性:隨著醫(yī)學影像的飛速發(fā)展和掃描圖像精度的逐漸增高，醫(yī)學影像學生成的CAD/CAM文件可直接用于3D打印，但需要配套軟件，而這些應用軟件集成度和功能與3D打印設備卻不能無縫對接[12]，且軟件程序應用復雜，學習周期較長，或需要配置相關的技術人員。雖然Materialise公司研發(fā)的Mimics Innovation Suite 軟件能夠快速轉(zhuǎn)換圖像，支持數(shù)據(jù)精確測量，允許用戶分割圖像；VSG公司研發(fā)的Amira軟件也支持模型分割和表面重建，對數(shù)據(jù)進行量化分析，但這類醫(yī)療應用軟件制造商需要與3D打印機制造商合作，才能確保軟件的無縫對接[11]。這些因素均制約著3D打印技術在醫(yī)學領域的推廣與使用。

1.2.3 成本問題:3D打印機根據(jù)材料和技術的不同分為工業(yè)級和桌面級，其價格差異可達上百萬人民幣。熔融沉積成形型桌面級3D打印機價格相對便宜，但精度不高，限制了它在醫(yī)學領域的應用；國內(nèi)工業(yè)級高精度3D打印機市場仍然被3D Systems、EOS、Stratasys等壟斷，價格相對較高。打印成本的制約也影響著3D打印技術的廣泛推廣。近幾年隨著3D打印技術專利相繼到期、打印材料不斷豐富和價格下降，3D打印技術在生物醫(yī)學及骨科的發(fā)展前景值得我們期待。

1.2.4 其他:3D打印技術在韌帶和關節(jié)軟骨方面也存在局限性，韌帶-骨復合支架的置入，其力學性能較差，往往會在恢復性運動中發(fā)生固定失敗。關節(jié)軟骨的再生和修復在幾十年的探索和研究中取得了一定進展，但距功能化恢復仍有一段距離[13-14]。該技術也不能完全指導手術過程，例如骨盆髖臼骨折時肌肉的阻擋和神經(jīng)血管的分布。人體對3D打印的光敏樹脂材料具有一定的排異反應[15]。另外，手術導向模板在術中產(chǎn)生的碎屑是否對患者產(chǎn)生不利影響，目前也缺少相關研究[11]。

2 3D打印技術在創(chuàng)傷骨科中的應用

2.1 術前規(guī)劃

2.1.1 明確骨折診斷及分型:在創(chuàng)傷骨科中，復雜骨折的診斷及分型是選擇手術方案及術中骨折解剖復位的基礎。傳統(tǒng)影像學方法是從二維平面上去閱片，加上醫(yī)生自己的空間想象能力，在腦中恢復骨折的三維結構，而 3D打印模型立體感更強，能夠還原骨折真實情況，這不僅可以拓展經(jīng)驗豐富的高年資醫(yī)生的手術治療思路與方法，也可讓年輕醫(yī)生豐富解剖學知識、熟悉手術路徑、拓展空間構像能力，逐步積累實際手術操作技能，3D打印技術所塑造的骨折模型能夠幫助他們明確骨折分型，做出正確的診斷，制訂理想的手術方案。Hurson 等[16]讓3 位經(jīng)驗豐富的醫(yī)生和 3 位年輕的醫(yī)生先用傳統(tǒng)影像學資料對20例髖臼骨折進行分型和診斷，然后用3D打印模型同樣對這20例髖臼骨折再次進行分型和診斷，結果表明，在對復雜骨折的診斷與分型方面，3D打印技術對年輕醫(yī)生的幫助是非常明顯的，但是對經(jīng)驗豐富的醫(yī)生來說作用甚微。

2.1.2 模擬手術及優(yōu)化手術方案:3D打印技術可以使醫(yī)生在所打印的模型上進行多次手術預演。多個研究結果表明，在3D打印的模型上進行手術演練，可以讓術者更加熟悉手術過程，并且在操作過程中獲得更多啟發(fā)，使其在演練過程中能夠進一步優(yōu)化手術方案，從而選出最適宜的、個體化最強的手術操作方法[17-19]。同時能夠在多次演練中，讓年輕醫(yī)生更充分地掌握該手術的不同方式及手術全過程，從而讓年輕醫(yī)生在做助手期間能和主刀醫(yī)生配合得更加默契，縮短年輕醫(yī)生的學習曲線。

在模擬手術期間，可以對復雜的骨折進行復位，并對鋼板進行預彎塑形，這樣，術者可以對整個骨折復位的過程有一個提前的演練，使其在真正的手術過程中能夠操作得得心應手，并且能夠減少一些重復的步驟所帶來的對周圍組織的損傷，大大縮短手術時間，減少術中出血量及輸血量，從而提高手術的安全性，這對患者的預后起到了至關重要的作用[19-20]。

2.2 術中導航:一些復雜的粉碎性骨折，往往需要術者憑借扎實的解剖知識和豐富的手術經(jīng)驗去操作，但即使這樣，也往往會出現(xiàn)骨折復位困難、鋼板螺釘固定位置不佳或在固定過程中造成螺釘進入關節(jié)腔或者椎管內(nèi)。3D打印的術中導航模板可以成功避免類似事情的發(fā)生，它的優(yōu)點在于：①可定位螺釘方向，增強螺釘位置的準確性，從而提高手術的安全性；②手術操作簡單化，縮短了低年資醫(yī)生學習復雜手術的過程；③手術過程操作準確性的提高和難易度的下降，導致術中X線透視次數(shù)減少，手術時間以及患者傷口暴露時間縮短，從而優(yōu)化了手術效果，大大縮短了患者康復的時間，符合現(xiàn)在所提倡的快速康復理論；④當手術區(qū)域的骨性異常造成骨性解剖標志無法觸及時，術中的導航模板便可發(fā)揮作用，充分體現(xiàn)了個體化治療的原則。

金丹等[21]按照腓骨的解剖學形態(tài)設計了導航模板，術中能精確貼附于腓骨遠端，并且術中所置入的螺釘，無論是長度還是方向都非常精準，大大提高了手術的安全性。何興容等[22]則設計了符合股骨遠端解剖結構的不銹鋼手術導航模板，術中螺釘置入的準確性高，且未進入關節(jié)腔內(nèi)，安全性高，術后骨折復位效果滿意。Brown 等[23]根據(jù)107位骨折患者的骨折情況制作了導航模板，術中透視發(fā)現(xiàn)所置螺釘位置均非常滿意，未進入關節(jié)腔及椎管內(nèi)，安全性極高。Bagaria 等[24]在4例復雜骨折手術中應用了導航模板，結果發(fā)現(xiàn)，明顯縮短了骨折復位的時間，并且由于手術時間的縮短，患者組織的暴露時間、術中麻藥的給予量、術中出血量及輸血量均有所減少，這對患者日后的康復起到了至關重要的作用。

2.3 外固定裝置:良好的復位和適當?shù)墓潭▽钦凼侵陵P重要的，骨折外固定的優(yōu)點在于操作簡單、手術時間短、對病人造成的創(chuàng)傷程度小，但缺點在于精確度不夠，機器人和導航技術可改善此缺點。西安交通大學的專家將計算機輔助還原技術與3D打印相結合，開發(fā)出一種定制的外固定器，用于治療3例脛骨骨折。數(shù)據(jù)顯示：3例脛骨骨折的平均橫向位移為(2.04±1.53)mm，角度為(2.54±1.33)°，均得到良好的縮小。平均手術時間為(8.67±0.58) min。這種用于治療脛骨骨折的新型定制外固定器具有手術操作方便、固定牢固、損傷小和個體化強等優(yōu)點，因此在臨床應用中具有巨大的潛力[25]。

2.4 誘導骨生長:當所置入的假體中有骨長入時，可大大增加置入假體的使用壽命。3D打印技術所制作的三維置入物以鈦合金等金屬為原料，操作者可根據(jù)患者個體情況設計孔徑、孔徑間的貫通以及彈性模量，這樣可以最大限度增強所置入物的穩(wěn)定性，并且能夠為誘導骨長入提供結構基礎。國家口腔醫(yī)學數(shù)字與材料技術工程實驗室的專家將P4 hASCs用作種子細胞，將細胞加入到20g/L藻酸鈉和80g/L明膠混合物中。接下來，將印刷體成骨誘導1周以獲得實驗組;還印刷了沒有細胞的藻酸鈉-明膠混合物，以獲得對照組。實驗組和對照組均植入裸鼠背部。植入6周后，收集樣品，分析其成骨能力。植入后6周，對照組大部分樣品呈現(xiàn)不規(guī)則形狀，呈凝膠狀；實驗組的樣品保持原始尺寸，質(zhì)地堅韌。實驗組植入后6周可觀察到骨樣組織和血管生長，免疫組織化學染色顯示骨鈣素的結果為陽性，Micro CT結果顯示實驗樣品新骨量18%±1%。遂得出結論：hASCs-生物材料混合物3D生物印刷體具有異位骨形成的能力，可以將細胞-生物材料混合物3D生物印刷技術應用于體內(nèi)骨形成領域。

3 應用前景及展望

綜上所述，隨著3D打印技術在創(chuàng)傷骨科領域的廣泛開展和應用，患者要求及發(fā)展趨勢、政策法規(guī)都推動著3D打印技術的推廣與發(fā)展。SmarTech Markets Publishing發(fā)布的研究報告《醫(yī)療市場的3D打印2015：機會分析和十年展望》顯示，到2024年全球用于醫(yī)療行業(yè)的3D打印機銷售額將增加到5.49億美元，但用于打印材料的銷售額將增加到7億美元，說明3D打印材料的市場需求要比打印設備更大。我國也頒布了《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進計劃(2015-2016年)》，在該環(huán)境的推動下，3D打印技術已成為創(chuàng)傷骨科的發(fā)展趨勢。3D打印技術的優(yōu)勢已得到業(yè)界的廣泛認可，但其局限性和不足我們要逐步完善，最終要不斷突破難點，將該技術廣泛應用于骨科領域，惠及廣大患者。目前在創(chuàng)傷骨科領域，3D打印技術仍局限于打印骨骼的模型，而用于內(nèi)固定的鋼板也是在所打印出來的骨骼模型上進行預彎塑形，因此仍無法使內(nèi)固定裝置達到完全的貼附。而如果在電腦中將骨折復位，并且將內(nèi)固定裝置連同其所要附著的骨骼一同打印出來，這樣會使內(nèi)固定裝置無限接近于其所附著骨骼的解剖形態(tài)，這將是一個新的命題，亟待廣大臨床工作者和科研人員去攻克。

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10.13621/j.1001-5949.2017.07.0667

1.西北民族大學，甘肅 蘭州 730030 2.西北民族大學第一附屬醫(yī)院，寧夏 銀川 750002

2017-04-11 [責任編輯]馬興忠

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