骨科3D打印技術(shù)的應(yīng)用研究與前景展望

溫陽陽++李文龍+范亞楠++劉又文

[摘要] 3D打印技術(shù)最早應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。這些年來，由于3D打印材料體系的逐漸研發(fā)升級和操作控制技術(shù)的不斷完善，臨床醫(yī)師已逐漸將其應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。本文對與骨科相關(guān)的3D打印技術(shù)進(jìn)行了介紹，3D打印技術(shù)在骨科領(lǐng)域中4個(gè)方面的應(yīng)用：3D打印實(shí)體模型為臨床醫(yī)師提供全面精確的術(shù)前診斷，并輔助醫(yī)師進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃與模擬，從而制訂更詳細(xì)準(zhǔn)確的手術(shù)方案；3D打印手術(shù)導(dǎo)航模板能對復(fù)雜骨科手術(shù)進(jìn)行術(shù)中導(dǎo)航，簡化手術(shù)操作，降低手術(shù)難度；3D打印定制個(gè)性化及特殊需求的內(nèi)置物，使之與個(gè)體匹配度更高，從而使患者獲得更好的臨床效果；3D打印模型應(yīng)用于臨床解剖教學(xué)，提高學(xué)生臨床診斷能力，并為其骨科學(xué)習(xí)提供廣闊的操作空間。最后本文總結(jié)了3D打印技術(shù)的優(yōu)勢和劣勢，并對其發(fā)展方向提出了探討與展望。

[關(guān)鍵詞] 骨科；3D打??；臨床應(yīng)用；醫(yī)學(xué)教學(xué)；應(yīng)用研究

[中圖分類號] R687 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1673-7210（2017）02（c）-0041-04

3D打印最早出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代后期[1]，是一種材料快速構(gòu)造成型技術(shù)。它與傳統(tǒng)減材加工技術(shù)不同，以分層制造、疊加成型為原理，通過計(jì)算機(jī)軟件分層離散和數(shù)字控制成型系統(tǒng)，用激光束或其他方法將液態(tài)金屬或塑料等可黏合材料逐層的堆積成三維實(shí)體部件[2]，故又稱為增材制造技術(shù)[3]。近十幾年來，由于3D打印材料體系的逐漸研發(fā)升級和操作控制技術(shù)的不斷完善，其應(yīng)用領(lǐng)域逐步從模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等方面向醫(yī)學(xué)領(lǐng)域擴(kuò)展。3D打印具有精確化、個(gè)體化等優(yōu)點(diǎn)，在整形外科、顱頜面等專業(yè)率先開展了臨床應(yīng)用[4]，并取得良好的臨床效果效果，為后續(xù)骨科醫(yī)師將3D打印與臨床工作相結(jié)合奠定了基礎(chǔ)。本文對3D打印技術(shù)在骨科方面的臨床應(yīng)用進(jìn)行了回顧與總結(jié)，并對其發(fā)展方向進(jìn)行了探討與展望。

1 骨科相關(guān)3D打印技術(shù)介紹

根據(jù)3D打印所用材料和成型方法的不同，與骨科相關(guān)的3D打印技術(shù)主要包括以下幾種[5]：

1.1熔融沉積成型

熔融沉積成型（fused deposition modeling，F(xiàn)DM）采用熱熔噴頭，按照固定軌跡、固定速率，對絲狀材料如熱塑性材料或金屬的熔絲等進(jìn)行熔體沉積。

1.2光固化成型

光固化成型（stereo lithography apparatus，SLA）采用可控制的紫外線激光束，按計(jì)算機(jī)切片軟件所得的每層薄片的二維圖形輪廓軌跡，對液態(tài)光敏樹脂進(jìn)行掃描固化，形成連續(xù)的固化點(diǎn)，從而構(gòu)成模型的一個(gè)薄截面輪廓，下一層用同樣的方法制造。

1.3選擇性激光燒結(jié)

選擇性激光燒結(jié)（selective laser sintering，SLS）采用激光束在指定路徑上有選擇性地掃描并熔融工作臺上很薄且均勻鋪層的材料粉末（如尼龍等聚合物、青銅合金、鈦合金、陶瓷和玻璃）。

1.4分層實(shí)體制造

分層實(shí)體制造（laminated object manufacturing，LOM）以片材（如紙張、皮毛及金屬薄片）為原材料，激光切割系統(tǒng)按照計(jì)算機(jī)提取的橫截面輪廓線數(shù)據(jù)，將背面涂有熱熔膠的材料用激光切割出工件的內(nèi)外輪廓，并逐層切割、粘合，最終成為三維工件。

1.5 金屬直接熔融技術(shù)

1.5.1 電子束熔融（electron beam melting，EBM） 在真空環(huán)境中以電子束為熱源，對不斷在粉末床上鋪展的金屬粉末進(jìn)行掃描熔化，使一個(gè)個(gè)微小的金屬熔池相互融合并凝固，這樣不斷地層面累積，即可形成一個(gè)完整的金屬零件實(shí)體。

1.5.2 選擇性激光熔融（selective laser melting，SLM） SLM成型原理與EBM成型技術(shù)相似，也是一種基于粉末床的鋪粉成型技術(shù)，兩者不同之處在于熱源由激光束替代了電子束。

在骨科領(lǐng)域中，可根據(jù)不同的需求選擇合適的成型技術(shù)。術(shù)前模型和術(shù)中導(dǎo)板對材料的精確度要求較高，SLA成型技術(shù)具有性能優(yōu)異、成型速度快等優(yōu)點(diǎn)，因此SLA成型技術(shù)應(yīng)用于骨科術(shù)前模型和術(shù)中導(dǎo)板的設(shè)計(jì)是有理可循的。此外，對于構(gòu)建精度要求不高的骨科模型，相對經(jīng)濟(jì)的FDM成型技術(shù)則是最佳選擇。臨床上骨科植入物的打印與應(yīng)用，是為了能夠全部或部分替代患者關(guān)節(jié)、骨骼、軟骨等骨骼系統(tǒng)，故其對材料的精確度和生物相容性的要求更高。在金屬直接熔融技術(shù)中，SLM成型技術(shù)精度高，在經(jīng)過二次熱處理后，適用于小型、精密的植入物打??；而EBM成型技術(shù)雖精度相對遜色，但其無需二次熱處理，高溫環(huán)境下一次成型，效率較高，故適用于骨科植入物的直接制造，美國FDA及歐盟CE認(rèn)證其鈦合金成型件具有良好的生物相容性[6-8]。

2 3D打印技術(shù)在術(shù)前診斷、規(guī)劃與模擬方面的應(yīng)用

2.1 術(shù)前診斷

臨床上骨科疾病的診斷，醫(yī)師除了結(jié)合專業(yè)知識和臨床經(jīng)驗(yàn)之外，往往還需要借助X線片、CT、MRI等影像學(xué)資料去更深入地了解患者病情。但是這些傳統(tǒng)的影像學(xué)檢查方法只能提供單一的二維圖像或三維平面圖像，那些精準(zhǔn)而又立體的三維解剖關(guān)系無法被呈現(xiàn)。當(dāng)臨床上出現(xiàn)復(fù)雜骨折的患者時(shí)，醫(yī)師可能會對疾病的診斷、分型、空間形態(tài)認(rèn)識不充分，出現(xiàn)漏診或誤診，從而增加手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)[9-10]。相比于傳統(tǒng)的影像學(xué)資料，詳細(xì)、直觀、立體的3D打印實(shí)體模型可以幫助醫(yī)師增強(qiáng)對復(fù)雜疾病的空間解剖結(jié)構(gòu)的理解與認(rèn)識，從而降低誤診、漏診的概率，做出全面精確的診斷。如脊柱腫瘤的鑒別、特發(fā)性脊柱側(cè)彎的分型、復(fù)雜的脊柱骨折分型等[11-13]。國外有學(xué)者運(yùn)用3D打印技術(shù)分別對20例髖臼骨折患者進(jìn)行髖臼模型的打印，讓高級醫(yī)師和初、中級醫(yī)師分別通過傳統(tǒng)影像資料和模型進(jìn)行骨折分型的診斷，結(jié)果表明，對于初、中級醫(yī)師而言，3D打印模型較傳統(tǒng)影像資料更容易獲得準(zhǔn)確的分型診斷，為后續(xù)治療提供可靠基礎(chǔ)[9]。

2.2 術(shù)前模擬與規(guī)劃

在傳統(tǒng)的手術(shù)流程中，醫(yī)師術(shù)前只能在腦海中對手術(shù)進(jìn)行反復(fù)的想象模擬。數(shù)字化三維重建技術(shù)和相關(guān)計(jì)算機(jī)軟件的出現(xiàn)，為現(xiàn)代骨科手術(shù)提供了新的視野與途徑，為虛擬手術(shù)和現(xiàn)實(shí)實(shí)施之間搭了一座橋梁。醫(yī)師可在打印出的模型上進(jìn)行術(shù)前操作演練，制定更詳細(xì)的手術(shù)方案。憑借術(shù)前體外熟悉的操練，醫(yī)師可根據(jù)術(shù)前規(guī)劃做到術(shù)中得心應(yīng)手，減少術(shù)中誤差。同時(shí)可提前對內(nèi)固定鋼板進(jìn)行預(yù)先塑形[14]，在模擬中精確設(shè)計(jì)釘?shù)?，確定接骨板位置及螺釘方向軸、直徑、長度[14-15]。這些準(zhǔn)備工作能有效縮短手術(shù)時(shí)間，提高手術(shù)的準(zhǔn)確性，為制定康復(fù)診療方案、判斷預(yù)后提供更有力的依據(jù)。Rohner等[16]利用3D打印技術(shù)成功模擬精確腓骨截骨治療下頜骨缺損，并利用術(shù)前模擬數(shù)據(jù)指導(dǎo)手術(shù)實(shí)踐，獲得良好的臨床效果。Armillotta等[17]針對脊柱畸形患者，術(shù)前設(shè)計(jì)螺釘植入的先后順序及植入椎體節(jié)段，縮短了手術(shù)時(shí)間，減少術(shù)中出血，降低術(shù)中置釘?shù)拇┛茁始胺较蝈e(cuò)誤率，錐弓根置釘準(zhǔn)確率達(dá)到了98.08%。Dennis等[18]在復(fù)雜的頜面部重建術(shù)實(shí)施之前，利用3D打印技術(shù)進(jìn)行了充分的術(shù)前模擬與規(guī)劃，研究認(rèn)為正確的術(shù)前模擬與規(guī)劃正是手術(shù)中皮瓣移植和骨板結(jié)合成功的關(guān)鍵所在。

3 3D打印技術(shù)在術(shù)中導(dǎo)航輔助中的應(yīng)用

明確的術(shù)前診斷，詳細(xì)的手術(shù)方案，是手術(shù)成功的前提，但更重要的是術(shù)前的準(zhǔn)備能夠在術(shù)中精確的實(shí)施。在手術(shù)前，醫(yī)師通過對患者的影像學(xué)資料的數(shù)據(jù)分析，利用3D打印個(gè)性化地設(shè)計(jì)出手術(shù)導(dǎo)板等輔助器械，有助于簡化手術(shù)操作，降低手術(shù)難度。Levine等[19]在顱頜面外科手術(shù)中應(yīng)用3D打印的個(gè)性化手術(shù)導(dǎo)板，有效的提高了骨骼重新定位與替換的準(zhǔn)確性，術(shù)后效果理想。Tricot等[20]報(bào)道個(gè)性化截骨矯形模板應(yīng)用于肱骨遠(yuǎn)端骨折畸形愈合的治療，可以精確指導(dǎo)截骨的大小及角度，術(shù)后隨訪顯示矯形效果良好。Bgaria等[21]在治療復(fù)雜的骨盆、髖臼及股骨內(nèi)側(cè)髁骨折中發(fā)現(xiàn)導(dǎo)板除了有引導(dǎo)功能以外，還能降低術(shù)中出血量，減少麻醉藥物的使用。3D打印導(dǎo)航輔助的優(yōu)點(diǎn)在于：①導(dǎo)板為個(gè)性化設(shè)計(jì)，可簡化操作，縮短手術(shù)時(shí)間，降低術(shù)中血管、神經(jīng)損傷的風(fēng)險(xiǎn)；②減少術(shù)中透視的時(shí)間，保護(hù)患者和醫(yī)護(hù)人員少受輻射；③個(gè)性化導(dǎo)板不受患者體位的影響，避免一切因體位變化而產(chǎn)生的誤差，從而相應(yīng)地提高了手術(shù)的成功率。

4 個(gè)性化內(nèi)置物材料打印的應(yīng)用

目前應(yīng)用于臨床的標(biāo)準(zhǔn)化內(nèi)置物能滿足大部分患者的需求，這些統(tǒng)一設(shè)計(jì)的產(chǎn)品幾何形態(tài)基本一致，僅有尺寸大小的差異。而一些比較復(fù)雜的患者，如關(guān)節(jié)畸形嚴(yán)重、骨髓腔過粗或過細(xì)等，就成了這種單一化醫(yī)學(xué)模式的受害者。在髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中，假體的不匹配會導(dǎo)致圍手術(shù)期假體失穩(wěn)、肢體長度不等、假體周圍骨折等，增加了二次手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)[22]。

3D打印技術(shù)可根據(jù)患者實(shí)際情況定制個(gè)性化及特殊需求的內(nèi)置物，使之與個(gè)體匹配度高，從而使患者獲得更好的臨床效果。骨盆腫瘤的患者除了要徹底的切除腫瘤，還要盡可能的使患者得到可靠有效的功能重建。骨盆腫瘤切除重建術(shù)較為復(fù)雜，Sun等[23]對骨盆腫瘤患者的整體病灶數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)個(gè)性化人工半骨盆假體，在保證髖臼部件位置與方向準(zhǔn)確的同時(shí)，還可確定假體良好的固定效果，降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，有利于手術(shù)的順利進(jìn)行。孫海濱等[24]的臨床研究結(jié)果表明，利用3D打印技術(shù)制作的臨時(shí)抗生素骨水泥占位器能滿足患者個(gè)性化需求，具有手術(shù)時(shí)間短、便于二期翻修、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，是術(shù)后關(guān)節(jié)功能恢復(fù)良好的關(guān)鍵。

5 3D打印在骨科臨床教學(xué)中的應(yīng)用

數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展不僅為骨科疾病的基礎(chǔ)研究和臨床診療提供新的手段，而且也為臨床教學(xué)提供了新的方法和空間。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

5.1 直觀生動，利于解剖基礎(chǔ)知識與臨床相結(jié)合

在傳統(tǒng)教學(xué)中，主要依靠圖片、視頻、實(shí)體標(biāo)本或單一模型等進(jìn)行授課。人體骨骼解剖結(jié)構(gòu)不同，其鄰近的神經(jīng)、肌肉、血管又錯(cuò)綜復(fù)雜，傳統(tǒng)教學(xué)手段不能將之準(zhǔn)確的呈現(xiàn)，學(xué)生難以理解[25]。3D模型打印技術(shù)可將骨骼及其周圍復(fù)雜的神經(jīng)血管等相關(guān)組織直觀、生動地展現(xiàn)在學(xué)生面前，便于記憶及應(yīng)用。McMenamin等[26]將3D打印模型應(yīng)用于解剖教學(xué)，不僅提高了教學(xué)效率，而且有效的避免了傳統(tǒng)教學(xué)中存在的經(jīng)濟(jì)、健康安全和社會倫理等方面的問題，取得理想效果。

5.2 結(jié)合病例，整合臨床思維，提高診療能力

3D打印可將骨折類型真實(shí)得反映在模型上，使學(xué)生可直觀地去分析患者的骨折診斷分型及模擬治療措施。此外，還可先通過分析影像學(xué)資料并對臨床資料進(jìn)行討論，再用3D實(shí)體模型進(jìn)行對比與反思，此種新型教學(xué)模式既能極大的提高學(xué)生閱片能力，又能增強(qiáng)其對此類疾病的臨床診斷及分析能力[27]。

5.3 提供廣闊的操作空間

骨科臨床教學(xué)過程中要求學(xué)生具備良好的動手操作能力，3D打印的實(shí)體模型則能滿足此類教學(xué)需求。對于高層次的規(guī)培生、研究生及博士生來說，3D打印骨科模具能滿足術(shù)前鋼板塑形、螺釘長度及方向選擇的需求，并可進(jìn)行專業(yè)的手術(shù)演練，這對于臨床技能的提高有著不可忽視的作用。

6 探討與展望

總之，我國3D打印技術(shù)在“產(chǎn)、學(xué)、研、用”等方面均得到廣泛的關(guān)注。3D打印最大的優(yōu)點(diǎn)在于能直觀、立體地展示病變情況，便于精確地研究病變部位的微細(xì)變化，模擬手術(shù)過程，從而為臨床醫(yī)生提供更加準(zhǔn)確的判斷，為手術(shù)切口、術(shù)前材料準(zhǔn)備提供依據(jù)，而這些與目前所推崇的精準(zhǔn)醫(yī)療概念不謀而合。

然而，3D打印在實(shí)際應(yīng)用中還面臨著諸多問題與挑戰(zhàn)。如：價(jià)格昂貴、定制周期長；缺乏完善的準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)及監(jiān)管措施、法律法規(guī)；并且對所用材料的無毒害性、生物相容性、生物力學(xué)性能等均有嚴(yán)格的要求，導(dǎo)致材料的研發(fā)難度較大、種類較少；另外如何提高打印效率也是亟需解決的問題。

在醫(yī)療3D打印未來的發(fā)展趨勢中，在擁有完善的行業(yè)準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)及監(jiān)管措施的前提下，可考慮成立獨(dú)立的、專業(yè)的3D打印機(jī)構(gòu)。醫(yī)院可與此類機(jī)構(gòu)合作建立云端網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的共享。此類機(jī)構(gòu)可依據(jù)需要打印3D模型患者的數(shù)據(jù)資料，迅速打印出臨床所需的模型或內(nèi)置物，這樣既可減少模型訂制的時(shí)間、提高工作效率，又能縮短患者的住院時(shí)間，減輕社會經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)及醫(yī)療負(fù)擔(dān)。

雖然3D打印技術(shù)的應(yīng)用受諸多因素的制約，但相信隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展、材料學(xué)的進(jìn)步，其在骨科領(lǐng)域中的應(yīng)用將會進(jìn)一步深入和擴(kuò)展，從而更好地服務(wù)于患者、社會。

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（收稿日期：2016-10-20 本文編輯：蘇 暢）