3 D打印技術在骨科應用的研究進展

初金澤，楊雪，梅昱，徐文倩，蔡振存

3 D打印技術在骨科應用的研究進展

初金澤1，楊雪1，梅昱2，徐文倩3，蔡振存4*

（1.沈陽醫(yī)學院基礎醫(yī)學院臨床醫(yī)學專業(yè)2012級22班，遼寧沈陽110034；2.醫(yī)學影像學專業(yè)2014級3班；3.麻醉學專業(yè)2014級2班；4.附屬中心醫(yī)院骨科）

近年來，3D打印技術在醫(yī)學領域應用越來越廣泛，但在骨科領域的應用尚處于初步研究階段，由于骨科解剖學特征和治療技術的復雜性，熟悉3D打印技術的優(yōu)勢和特點，結合臨床實際應用，在術前更加深入研究疾病的特點，做好充分的手術計劃，可最終提高臨床療效。同時，也應注意到3D打印輔助手術技術的局限性，在臨床工作中揚長避短，使其更好地為患者服務。

3D打印技術；骨骼模型；手術導板；個體化的假肢；個性化的植入物

3D打印技術是一種快速成型技術，其核心技術是數字化、智能化制造與材料科學的結合［1］，它的出現(xiàn)，更被譽為是“第三次工業(yè)革命的標志”［2］。3D打印技術最早的源頭是美國科學家Charles Hull于1986年開發(fā)的第一臺商用立體光敏3D打印機，自此，3D打印技術迅猛發(fā)展，近十年來，在各個領域都頗有成就。在醫(yī)學領域中，應用3D打印技術打印內臟器官、血管、骨骼等模型拯救生命；其中在骨科領域中，可用于術前規(guī)劃、術中導航、個性化關節(jié)置換模型和假肢的制作等，現(xiàn)已成功應用于臨床，深受醫(yī)生和患者的青睞。就目前而言，3D打印技術在骨科的發(fā)展前景是非常光明的。本文就3D打印技術打印原理，在骨科領域的應用，以及所具有的優(yōu)勢及局限性進行綜述。

13 D打印原理和過程

傳統(tǒng)的建模主要包括圖像分割、幾何重建、網格生成和分配的材料屬性［3］。而3D打印技術的基本過程可以分為三步：第一步是做三維設計，即要先對患者的病變部位進行CT掃描，以便獲取病變部位的相應數據，然后通過CAD軟件根據CT獲得的數據進行設計，最終得出所要打印物體的三維立體模型，用三角面近似模擬物體的表面，可以增大其分辨率；第二步是做切片處理，將所要打印的物品逐層進行數字編程；第三步是完成打印，即將數字程序以STL的文件格式輸入到3D打印機，3D打印機就可以將所需要的材料通過相應的技術，采用“逐層打印”的方式打印出與所需要的物體呈1∶1比例的物體［4］。

2 3 D打印技術在骨科領域中的應用

2.1 打印骨骼模型以輔助骨科手術針對較為復雜的骨折和畸形，傳統(tǒng)手術的設計主要是由術者依據患者的X線片和二維CT圖像，在腦海中進行虛擬的術前設計，但是該方法有一定的局限性和不確定性［5］，而3D打印的骨骼模型可以將真實的骨骼結構更立體地呈現(xiàn)在臨床醫(yī)生的眼前，以便醫(yī)生更加直觀地了解病損的嚴重程度，可以從一定程度上彌補傳統(tǒng)技術的缺陷［6-7］。Lin等［8］將21例骨骼模型術列入研究，術后均進行CT掃描的三維重建，結果顯示接骨板、螺釘規(guī)格以及位置等均與之前在Mimics軟件中模擬的預設完全一致。這說明術前數字化的設計與實際的手術實施效果十分接近，有助于術前診斷以及手術方案的設計。Zeng等［9］利用三維印刷技術輔助不穩(wěn)定性骨盆骨折的內固定術，用以識別和結扎腹壁下動脈或髂外血管及閉孔，然后就可以準確地將鋼板或螺釘插進安全區(qū)域。在骨科手術中利用3D打印技術可以制作術中的引導裝置，這樣既可以得到良好的重建效果，又可以起到指導手術的作用。

2.2 打印導板輔助骨科治療3D打印技術可在手術過程中起到個體化的導航作用，以免在術中損傷到毗鄰的重要解剖結構，還能在一定程度上提升手術效率，降低術中的一些不必要風險，減少術后并發(fā)癥的發(fā)生。比如在長骨骨折的復位中利用3D打印技術定制的外固定器，可以在臨床上起到良好的固定效果，并縮短了骨折愈合的時間［10］。Zhou等［11］研究表明將CT三維重建設計和3D打印的導板應用到髖臼周圍截骨術，可以提高該種手術的精準性以及安全性。目前，3D打印個性化骨科植入物在髖、膝關節(jié)的置換術及骨盆骨折的手術中應用的最多。比如在全膝關節(jié)置換術中，傳統(tǒng)的方式是要利用手術器械進行定位，這樣的定位方式，即使是經驗豐富的關節(jié)外科醫(yī)生，其實施的置換術的下肢機械軸線的偏差大于3°的概率也高達20%～40%，而利用計算機輔助定位的下肢機械軸線偏差大于3°的概率只有10%［12］，所以3D打印技術可以明顯提高截骨的準確性，另外王均等［13］研究表明，除此之外，3D打印技術還能有效促進創(chuàng)傷性膝內翻畸形患者膝關節(jié)的功能恢復，而患者的1年恢復優(yōu)良率也可高達92.6%。

2.3 制訂個體化的假肢現(xiàn)階段臨床所應用的假肢均是通用的幾種標準，很難滿足于患者的個體化需求，而3D打印技術可以在常規(guī)的設計理念基礎上，參考患者個體解剖結構特點進行假肢的優(yōu)化設計、制作和置入，以符合不同的解剖及生物力學的需求，可以達到滿足不同性別、人種、運動習慣和職業(yè)的個體目的［14］。此外，3D打印還可應用于兒童假肢的制作，因為兒童時期的骨骼在不斷地生長，傳統(tǒng)的假肢很難滿足其需求，而3D打印技術可以制作出固定性良好的、較輕的、便于拆卸的以及成本較低的兒童假肢［15］，2014年10月，醫(yī)生和科學家們利用3D打印技術成功地為一名5歲的先天性左臂殘疾的女童裝上手掌［16］。

2.4 組織工程領域的個性化應用及輔助癌癥的相關研究在骨組織工程領域，以往的組織工程支架大多為批量生產，規(guī)格有限，不匹配的植入物則會影響手術效果，也可能會引起二次手術等不良后果。而3D打印技術可以用于制作結構較為復雜、大小形狀各異的組織工程支架［17］，甚至可以根據醫(yī)學影像學數據在計算機的輔助設計技術下制造出與患者的解剖學結構相匹配的支架，以滿足患者的個體化需求［18］。Lee等［19］以聚乙酸及殼聚糖為原材料，通過3D打印技術構建了個體化的髁突支架，并取得了滿意的效果。2014年8月，北京大學研究團隊成功地為一名12歲男孩植入了3D打印脊椎，這屬全球首例，而且預后十分良好［20］。Ding等［21］利用3D打印技術將軟骨細胞和骨髓基質細胞分別植入到具有特定形狀和結構的聚乳酸涂層的聚羥基乙酸和聚己內酯/納米羥基磷灰石的支架中，分別用于骨和軟骨的再生。

對于乳腺癌來說，骨是最容易轉移的部位，故Zhu等［17］利用3D打印技術研制出了一種“好骨”環(huán)境，希望以此來研究骨轉移瘤的生物學特性，而他們的研究成果同樣也將適用于其他癌癥研究者的工作。

3 3 D打印技術的優(yōu)勢與局限

首先和其他技術相比，3D打印技術的打印精度更高，目前上市的主流3D打印機精度基本控制在0.3 rain以下，個別精度較高的可實現(xiàn)600 dpi的分辨率，打印厚度只有0.01 mm；其次從理論上來講，3D打印機可以打印出計算機設計的任何形狀的模型，故能滿足醫(yī)生和患者的個性化需求，而且打印的骨骼中有可供患者本身骨細胞生長的孔隙，這樣就可以使打印的骨骼與患者本身骨骼融合，有助于患者康復，提高穩(wěn)定性；同時，3D打印導板技術還可以提高截骨的精準性和安全性；另外，3D打印因其增材制作的特性，因此在生產中不會產生邊角料，從而會提高材料的利用率，而且打印速度也很快，操作也很簡單［1，22］。

雖然可以實現(xiàn)個性化是3D打印技術的一個絕對優(yōu)勢，但是正因為它的個性化太強，從另一角度來講就不利于大規(guī)模的批量商業(yè)生產。此外，目前的3D打印技術仍屬于發(fā)展初期，經驗相對不足，且缺乏專業(yè)型的人才，如果一旦出現(xiàn)問題，打印的模型就可能會變形；另外，3D打印相比較于普通的X線、CT掃描以及MRI等影像學檢查，價格仍稍顯昂貴，其推廣度和認可度仍有待加強；而且由于模型的前期準備時間比較長，不適用于急診手術；如果一旦中途手術計劃發(fā)生改變，也無法在術中重新進行設計［23］。

4 展望

目前的3D打印技術有優(yōu)勢也有劣勢，所以將其成功地應用于骨科的各個領域仍有很長的一段路要走，而一旦成功應用，將具有傳統(tǒng)手術方法無法比擬的優(yōu)越性。隨著其技術的發(fā)展，在不久的將來很可能會逐步實現(xiàn)組織工程支架、植入物、人工關節(jié)、假肢等的私人定制，甚至可以使基于3D打印技術的生物組織、器官再生成為可能，3D打印技術給人類帶來無盡的想象和可能。

［1］Yu Q，Tian J.Application of three-dimensional printing technique in manufacturing scaffolds for bone tissue engineering［J］.Chinese Journal of Tissue Engineering Research，2015，19（30）：4870-4875.

［2］黃健，姜山.3D打印技術將掀起“第三次工業(yè)革命”［J］.新材料產業(yè)，2013，（1）：62-67.

［3］Huang H，Xiang C，Zeng C，et al.Patient-specific geometrical modeling of orthopedic structures with high efficiency and accuracy for finite element modeling and 3D printing［J］. Australas Phys Eng Sci Med，2015，38（4）：743-753.

［4］Tian Y，Zeng QH，Hu XH，et al.The principle of 3D printing technology and its research progress in tissue engineering［J］. China Medical Device Information，2015，（8）：7-12.

［5］Belitskaia NV.Current technologies of radiodiagnosis for pelvic injuries［J］.Vestn Rentgenol Radiol，32012，（3）：24-27.

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

［7］孟國林，劉建，胡蘊玉，等.快速成型模型在制定脛骨平臺復雜骨折手術方案中的指導作用［J］.中華創(chuàng)傷骨科雜志，2011，13（12）：1135-1138.

［8］Lin HB，Huang WH，Chen XH，et al.Digital design of internal fixation for distal femoral fractures via 3D printing and standard parts database［J］.Natl Med J China，2016，96（5）：344-348.

［9］Zeng CJ，Xiao JD，Wu ZL，et al.Evaluation of threedimensional printing for internal fixation of unstable pelvic fracture from minimal invasive para-rectus abdominis approach：a preliminary report［J］.Int J Clin Exp，2015，8（8）：13039-13044.

［10］Qiao F，Li DC，Jin ZM，et al.Application of 3D printed customized external fixator in fracture reduction［J］.Injury，2015，46（6）：1150-1155.

［11］Zhou Y，Xu XS，Li C，et al.Application of 3D reconstruction navigation template in Bernese periacetabular osteotomy［J］. Chin J Orthop Trauma，2016，18（1）：17-23.

［12］Qiu B，Zhang MJ，Tang BS，et al.A novel integrated patient specific instrumentation system and its application for total knee arthroplasty［J］.Chin J Orthop，2016，36（3）：143-150.

［13］王均，陸聲，周游，等.3D打印技術輔助創(chuàng)傷性膝內翻畸形矯正的初步臨床應用［J］.中華創(chuàng)傷骨科雜志，2015，17（1）：40-44.

［14］Luo Q，Tak WL，F(xiàn)ang XS.Application of three-dimensional printing technique in orthopaedics［J］.Chin J Repar Reconst Surg，2014，28（3）：268-271.

［15］Burn MB，Ta A，Gogola GR.Three-dimensional printing of prosthetic hands for children［J］.J Hand Surg Am，2016，41（5）：e103-e109.

［16］HU K，LI Lh，YU Jw，etal.Application of 3D printing technology in orthopaedics personalized treatment［J］.Polymer Bulletin，2015，27（9）：61-70.

［17］Zhu W，Holmes BJ，Glazer RI，et al.3D printed nanocomposite matrix for the study of breast cancer bone metastasis［J］. Nanomedicine，2016，12（1）：69-79.

［18］Eltoreai AE，Nguyn E，Daniels AH.Three-dimensional printing in orthopedic surgery［J］.Orthopedics，2015，38（11）：684-687.

［19］Lee JY，Choi B，Wu B，et al.Customized biomimetic scaffolds created by indirect three-dimensional printing for tissue engineering［J］.Biofabrication，2013，5（4）：045003.

［20］蘇暄.劉忠軍：3D打印技術帶來脊柱外科個體化治療時代［J］.中國醫(yī)藥科學，2015，5（24）：1-4.

［21］Ding C，Qiao Z，Jiang W，et al.Regeneration of a goat femoral head using a tissue-specific，biphasic scaffold fabricated with CAD/CAM technology［J］.Biomaterials，2013，34（28）：6706-6716.

［22］Xia Y，Zhang HH，Xiang H，et al.Research progress of 3D printing technology and its application in medical equipment［J］. Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（4）：108-110.

［23］Yan H，Shi Q，Wu WP，et al.Application of 3D printing technology in the revision surgery for DDH in children［J］.China Digital Medicine，2015，10（5）：18-19.

Re s e a r c hPr o g r e s s o f 3 D Pr i n t i n g T e c h n o l o g y i nO r t h o p a e d i c A p p l i c a t i o n

CHU Jinze1，YANG Xue1，MEI Yu2，XU Wenqian3，CAI Zhencun4*
（1.Grade 2012 Class 22，Shenyang Medical College，Shenyang 110034，China；2.Grade 2014 Class 3；3.Grade 2014 Class 2；4.Department of Orthopaedics，The Central HospitalAffiliated to Shenyang Medical College）

Recently，3D printing technology has been applied more and more widely in medical field，but in the orthopaedic field，it is still in the primary stage.Because of the orthpaedic anatomy feature and the complexity of treatment technology，we must be familiar with the advantage and characteristic about 3D printing technology，do more thorough preparatory work about disease features before the surgery，make a sufficient surgery plan and aims to improving the clinical curative effect.At the same time，we should also pay attention to the limitation of 3D printing technology，make the best use of the advantages and bypass the disadvantages in the clinical work，eventually offer better service to the patients.

3D printing technology；skeleton model；operation guide；individualized artificial limbs；personalized implants

R687.4

A

1008-2344（2017）02-0182-03

2016-08-09

（文敏編輯）

沈陽醫(yī)學院科技基金項目（No.20166057）；沈陽醫(yī)學院大學生科研立項項目（No.20160826）

蔡振存（1980—），男（漢），副主任醫(yī)師，研究方向：骨科關節(jié)疾病與創(chuàng)傷.E-mail：caizhencun@126.com

d o i：10.16753/j.cnki.1008-2344.2017.02.033