3D 打印技術(shù)在關(guān)節(jié)外科的應(yīng)用

孫長鮫 蔡

作者單位：102218 北京，清華大學(xué)附屬北京清華長庚醫(yī)院骨科

3D 打印技術(shù)問世于 1984 年，屬于增材制造 ( additive manufacturing，AM ) 的一種。AM 是相對于傳統(tǒng)機械制造而言的，傳統(tǒng)的制造過程是一個“減材”的過程，先是通過模鑄、精煅等獲得產(chǎn)品大致原型，再進(jìn)行精加工，從而得到最終產(chǎn)品。而 AM 則反其道而行之，根據(jù)事先 3D 設(shè)計，以離散 / 堆積成型為原理，利用計算機輔助設(shè)計及制作技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、三維 CT 技術(shù)等快速成型技術(shù)，將所收集的數(shù)據(jù)立體化建模，并將其打印為接近真實組織、器官解剖結(jié)構(gòu)的實物模型技術(shù)[1]因而是一個“增材”的過程。

目前在關(guān)節(jié)外科常用的 3D 打印技術(shù)主要有以下幾種：( 1 ) 光固化成型技術(shù) ( stereo lithography apparatus，SLA )，主要用于模型打印，能夠制備具有強度高、致密性良好、表面結(jié)構(gòu)精細(xì)的骨科材料；( 2 ) 電子束熔融 ( electron beam melting，EBM ) 技術(shù)可制備具有良好生物相容性與骨結(jié)合能力表面的鈦合金人工內(nèi)置物[2]；( 3 ) 選擇性激光燒結(jié)技術(shù) ( selective laser sintering，SLS )，主要采用塑料、陶瓷、金屬等多種不同的材料用來制備個性化手術(shù)器械。在金屬3D 打印中，電子束與激光又是最常用的熔融能源，從而使 EBM 與選擇性激光熔融 ( SLM ) 為最常用的金屬 3D 打印生產(chǎn)方式[3]。3D 打印在關(guān)節(jié)外科的應(yīng)用包括以下幾個方面。

1. 術(shù)前規(guī)劃：20 世紀(jì) 70 年代以來，全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)( total hip arthroplasty，THA ) 的影像學(xué)計劃主要是通過模板在骨盆前后位片子上進(jìn)行測量。這種方法具有一些局限性，例如放大率，骨盆位置，股骨位置和患者的位置 ( 躺位或站位 ) 等都會影響測量結(jié)果，很難準(zhǔn)確地預(yù)測股骨近端或髖臼部位的外科手術(shù)問題[4-5]目前的 CT 三維重建增強了外科醫(yī)生和放射科醫(yī)師對骨骼畸形的理解；但是，3D成像在 2D 屏幕上查看限制了 3D 成像的真正優(yōu)點[6]。與單獨的二維和三維成像相比，觸覺模型的使用結(jié)合常規(guī)成像已被證明可以更好地了解 THA 異常骨骼解剖結(jié)構(gòu)，同時提高診斷準(zhǔn)確性和觀察者間的一致性[7-8]。Hurson 等[9]描述了使用 3D 模型評估 20 例 THA 患者的髖臼情況。其中有 2 例，由于使用了真實尺寸的 3D 模型而改變了手術(shù)入路。Won 等[10]表明這種技術(shù)可以減少 THA 術(shù)中并發(fā)癥的發(fā)生。

3D 打印的 1∶1 實物模型可以使醫(yī)生在關(guān)節(jié)手術(shù)前對病變部位進(jìn)行全方位的直觀地觀察，了解周圍神經(jīng)血管分布情況，確定骨性解剖標(biāo)志。在髖關(guān)節(jié)置換方面，骨盆和髖臼的復(fù)雜解剖學(xué)使得在髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)前評估骨缺損非常困難。雖然 X 線和 CT 可確定有無骨缺損，但范圍及界限判定仍然具有局限性。通過使用 3D 打印技術(shù)，可以通過視覺和觸覺模型檢查患者實際骨骼解剖，更好地評估盆腔畸形。手術(shù)團(tuán)隊在術(shù)前就可以對臼杯，加強塊尺寸以及螺釘方向有一個明確認(rèn)識，有利于術(shù)中真臼位置快速準(zhǔn)確定位，準(zhǔn)確預(yù)估假體種類型號、安放位置、植骨量等，縮短手術(shù)時間，減少術(shù)中出血。對于髖臼發(fā)育不良的患者，髖臼缺損，造成髖臼假體定位困難，無法確定真臼假臼，3D打印制備骨盆實物模型，可以用于放置髖臼假體的手術(shù)演練，有助于理解患者的骨盆結(jié)構(gòu)，評估髖臼真臼位置，磨銼的理想角度以及確定髖臼的具體型號。在膝關(guān)節(jié)置換方面，術(shù)中需要精密的截骨量與準(zhǔn)確的截骨角度，尤其對于重度關(guān)節(jié)畸形患者，通過實物模型可很好地進(jìn)行手術(shù)預(yù)演，制訂適宜的手術(shù)方案，對截骨方向、截骨量及旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行精準(zhǔn)控制。此外對于骨腫瘤病變患者，由于缺損嚴(yán)重，往往需要多次截骨置釘，額外的神經(jīng)血管損傷風(fēng)險較大，通過 3D 模型進(jìn)行術(shù)前準(zhǔn)備可以規(guī)劃切口選取與手術(shù)切除范圍，可能會避免不必要的截骨及額外的神經(jīng)血管損傷，達(dá)到真正的準(zhǔn)確、個性化與微創(chuàng)的治療理念。

2. 醫(yī)學(xué)教學(xué)：THA 術(shù)中髖臼假體的安放位置至關(guān)重要，否則可能導(dǎo)致脫位、撞擊及假體松動。因此醫(yī)生需要精準(zhǔn)評估髖臼解剖情況。在目前臨床標(biāo)本短缺的環(huán)境下，應(yīng)用 3D 打印技術(shù)構(gòu)建 1∶1 的 3D 關(guān)節(jié)模型可以更直觀地為學(xué)生展示真實解剖結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)成像模式和解剖模型的綜合使用會提高受訓(xùn)者評估髖臼的準(zhǔn)確性，作為示范工具也有益于他們的教育[9,11]。

3. 醫(yī)患溝通：患者往往對髖關(guān)節(jié)置換或膝關(guān)節(jié)置換的手術(shù)過程存在疑惑，僅僅從字面上講解患者無法理解手術(shù)具體情況。3D 打印的 1∶1 患病部位真實尺寸模型可以讓患者及家屬對病變部位有直觀的認(rèn)識，從觸覺和視覺上為患者及其家屬對復(fù)雜組織結(jié)構(gòu)病變進(jìn)行描述及展示病情及術(shù)中情況，有利于醫(yī)患溝通[12]。

4. 減少學(xué)習(xí)曲線：對于嚴(yán)重骨缺損的關(guān)節(jié)置換，年輕醫(yī)生往往對骨缺損的程度及關(guān)節(jié)變異情況沒有直觀的認(rèn)識，對于低年資醫(yī)生而言，3D 打印實物可以直觀地展現(xiàn)病變嚴(yán)重程度、變異情況等常規(guī)不易獲取的信息，加深對臨床表現(xiàn)內(nèi)在含義的進(jìn)一步認(rèn)識，提高其診療技術(shù)。同時打印出來的實物作為模擬手術(shù)演練可以提高低年資醫(yī)生手術(shù)熟練度[11]。

5. 制作個性化模板：3D 打印技術(shù)可以制作個性化模板供關(guān)節(jié)置換術(shù)中指導(dǎo)切除、截骨、置釘?shù)取τ谙リP(guān)節(jié)關(guān)節(jié)置換手術(shù)，術(shù)中醫(yī)生通常根據(jù)術(shù)中經(jīng)驗，依靠術(shù)前影像學(xué)檢查及術(shù)中髓內(nèi)、外截骨導(dǎo)向器等定位裝置進(jìn)行截骨，期間若術(shù)者對關(guān)節(jié)的變形程度認(rèn)識不足或?qū)Ξ惓９切詷?biāo)志把握不準(zhǔn)、往往會導(dǎo)致截骨錯誤或需要反復(fù)截骨，增加手術(shù)時間，增加感染機會。而超過半數(shù)翻修的病例都由于術(shù)中截骨不當(dāng)導(dǎo)致[13-14]。利用 3D 導(dǎo)航模板通過影像學(xué)資料的三維重建，利用逆向工程制造個性化截骨模塊，該模塊可以按照患者自身的關(guān)節(jié)解剖特點而非傳統(tǒng)手術(shù)預(yù)設(shè)好的角度進(jìn)行。將其緊密貼合骨面引導(dǎo)截骨操作，會增加截骨精準(zhǔn)度，降低反復(fù)截骨所用時間，降低手術(shù)風(fēng)險和術(shù)后失敗的幾率[15-16]。對于髖關(guān)節(jié)置換術(shù)，術(shù)中股骨定位通常使用髓內(nèi)導(dǎo)向器，在擴髓操作中不可避免增加了患者失血量和脂肪栓塞并發(fā)癥的發(fā)生率。而個性化截骨模塊不需要髓內(nèi)定位，這樣就避免了其帶來的并發(fā)癥，極大地增加了手術(shù)安全性。 此外在骨腫瘤關(guān)節(jié)置換中，由于大量的骨量丟失，可供選擇的置釘范圍有限，因此要求置釘位置及方向準(zhǔn)確，而傳統(tǒng)手術(shù)過程中除依賴術(shù)者個人經(jīng)驗外，常需反復(fù)透視進(jìn)行螺釘方向的調(diào)整。通過個性化 3D 導(dǎo)航模板能有效解決精準(zhǔn)置釘問題，減少了術(shù)中透視次數(shù)、手術(shù)時間及術(shù)中出血量[7,17-19]。

6. 個體化定制假體：當(dāng)患者存在顯著解剖畸形或由于腫瘤及翻修等引起骨組織嚴(yán)重缺損情況時[20]，通常采用鈦籠、墊塊、自體骨等植入物進(jìn)行骨缺損部分填充，以修復(fù)骨結(jié)構(gòu)完整性、實現(xiàn)假體與鄰近骨性結(jié)構(gòu)的匹配。然而該方法具有一定局限性：首先自體骨取材有限，人工骨難以達(dá)到骨長入及骨支撐的作用，而結(jié)構(gòu)植骨會存在骨吸收的可能；局部支撐結(jié)構(gòu)強度不足，應(yīng)力傳導(dǎo)不均會導(dǎo)致骨重建不佳[21]；有些植入物如鈦籠對周圍骨組織有切割性不利于術(shù)后恢復(fù)；假體形態(tài)也很難與手術(shù)部位形成最佳匹配，手術(shù)過程中對傳統(tǒng)植入物的塑形與反復(fù)的匹配，增加了手術(shù)時間及出血量，也易增加全身并發(fā)癥脂肪栓塞的風(fēng)險，引起嚴(yán)重后果。3D 打印技術(shù)的出現(xiàn)，為以患者自身影像資料為依據(jù)，設(shè)計、制造生物相容性高、與患者的解剖及骨組織缺損部位相匹配、具有能承受其應(yīng)力特點的鈦合金材料的植入物提供了可能[20]。目前這種 3D 打印定制化假體在骨科臨床上已有廣泛的應(yīng)用，如 3D 打印人工髖臼假體，肩胛骨假體、骨盆假體、頸椎人工椎體及個性化假肢等[22]。

7. 量產(chǎn)式 3D 打印關(guān)節(jié)假體：即不以特定患者的影像學(xué)為依據(jù)，生產(chǎn)可用于適應(yīng)一般患者的假體。1997 年，Zimmer 推出了骨小梁金屬 ( trabecular metal，TM ) 通過在玻璃碳海綿骨架上將鉭金屬氣相沉降獲得，該制造方式雖然有別于傳統(tǒng)的“減材”制造，但仍與目前所說的 AM 有所不同，TM 在骨科臨床獲得廣泛的應(yīng)用，并取得了令人滿意的結(jié)果[23]。目前，量產(chǎn)式 3D 打印假體主要集中在髖臼杯的制造上。據(jù)不完全統(tǒng)計，美國食品和藥物管理局( Food and drug administration，F(xiàn)DA ) 批準(zhǔn)的以 AM 方式制造的假體或植入物為 90 個左右[24-25]。第一款 3D 打印髖臼假體是意大利 Adler Ortho 公司在 2007 年推出的 Fixa TIPORE 生物型髖臼假體。第一個獲得 FDA 批準(zhǔn)的 3D 打印臼杯是 2011 年美國 ExacTech 出品的 InteGrip 臼杯。第一個獲得 FDA 批準(zhǔn)的翻修臼杯是 Smith & Nephew 生產(chǎn)的REDAPT。2015 年 7 月，國內(nèi)第一個被 CFDA 批準(zhǔn)的 3D打印臼杯是愛康宜誠公司研發(fā)的三維精準(zhǔn)構(gòu)建技術(shù)髖臼系統(tǒng)。超多孔界面在促進(jìn)骨長入、增強假體的穩(wěn)定性方面獲得良好結(jié)果[26-28]。3D 打印比較容易制造幾何形狀復(fù)雜的假體，比如多孔結(jié)構(gòu)、內(nèi)部扭曲通道、內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)等，這類假體使用常規(guī)的減材制造方法比較困難。對于髖臼杯的非骨水泥固定 ( 特別是在翻修病例 )，在假體上構(gòu)建超多孔固定界面非常重要。而 3D 打印恰恰在控制孔徑、孔隙率、孔間連通等方面比傳統(tǒng)“減材”方法具有優(yōu)勢。目前各大廠家均早已推出了各自的超多孔界面，如 DePuy 廠家的 Gripition，Zimmer 廠家的 Trabecular Metal，Stryker 廠家的 Tritanium，Biomet 廠家的 Regenerex。在制作量產(chǎn)假體方面，隨著 3D 打印與其它超多孔界面生產(chǎn)方式的發(fā)展與成熟，相關(guān)產(chǎn)品線也正從髖臼杯拓展到髖、膝金屬加強塊、脛骨托等其它人工關(guān)節(jié)植入物中。需要注意的是 3D打印原料粉末的循環(huán)使用比率可能會影響到熔融的特性，改變植入物的機械性能。目前面臨的問題是產(chǎn)品價格較貴以及在因感染而翻修，需要取出假體時會造成較大的骨丟失。因此這種技術(shù)通常用在翻修以及骨質(zhì)條件很差的初次THA 中。

8. 生物活性關(guān)節(jié)置換：3D 打印技術(shù)除在關(guān)節(jié)置換臨床應(yīng)用方面得到推廣外，也大量應(yīng)用于關(guān)節(jié)置換基礎(chǔ)研究，主要集中在生物支架材料打印、細(xì)胞打印和生物活性因子打印等領(lǐng)域[29-31]。在生物支架材料打印方面，利用 3D 打印技術(shù)制備生物相容性高的骨組織工程支架，使其成為帶有便于細(xì)胞爬行及生長的孔隙支架[32]，3D 纖維蛋白填充水凝膠支架目前已基本具備骨填充能力。使用各種涂層材料覆蓋空隙支架打印[33]，最終可制造出具有抗感染、抗松動或抑制骨表面腫瘤細(xì)胞生長[34]的關(guān)節(jié)置換人工假體[33,35]。

在細(xì)胞打印層面，種子細(xì)胞打印技術(shù)難點正在逐步突破。骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞因其多向分化潛能的特點，已成為理想的種子細(xì)胞。在生物活性因子打印層面，3D 打印已能將生物活性因子固化在生物支架上以達(dá)到持續(xù)調(diào)節(jié)種子細(xì)胞的效果[7,36-38]。

3D 打印技術(shù)在關(guān)節(jié)置換領(lǐng)域的應(yīng)用，有力地推動了關(guān)節(jié)置換精準(zhǔn)手術(shù)的發(fā)展。目前關(guān)節(jié)外科對 3D 打印技術(shù)的應(yīng)用仍集中在病損局部解剖模型制造、術(shù)前規(guī)劃、術(shù)前手術(shù)預(yù)演、術(shù)中特異性定位導(dǎo)航、制作個性化工具及假體等。此類應(yīng)用實現(xiàn)起來難度不大，比較便捷。但仍存在一些局限性，與耳鼻喉科和口腔科相比，關(guān)節(jié)外科 3D 打印對所需要的設(shè)備尺寸，金屬粉末數(shù)量，所用材料質(zhì)量以及機器的速度和成本等要求都要更高[39]；由于剛度等生物力學(xué)指標(biāo)的原因，目前尚沒有 3D 打印的股骨假體；在生物支架材料打印方面，復(fù)合材料的同步打印及復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)的處理仍有待解決[40-41]；3D 打印原料粉末的循環(huán)使用可能會改變植入物的機械性能等。最關(guān)鍵的一點是尚無法證明 3D 打印所提供的額外效果及其性價比[42]，因此，目前絕大多數(shù)的全膝關(guān)節(jié)置換仍依靠常規(guī)膝關(guān)節(jié)置換工具而完成。而為了在翻修術(shù)中處理形態(tài)特異的大量骨缺損，現(xiàn)有的假體已能處理大多數(shù)這種情況，定制假體需求并不大，此外人工定制假體的臨床應(yīng)用也受到監(jiān)管方面的一定限制[43]。相信隨著 3D 打印技術(shù)的發(fā)展與臨床應(yīng)用普及，將會逐步解決相關(guān)問題，為關(guān)節(jié)外科的發(fā)展提供更多的動力[44-45]。