3D打印技術(shù)在骨科領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展

鐘 山，盧慶勇，陳靜洪

(1.3.梧州學(xué)院 機(jī)械與材料工程學(xué)院, 廣西 梧州 543002; 2.桂林理工大學(xué) 機(jī)械與控制工程學(xué)院，廣西 桂林 541006)

0前言

3D打印技術(shù)是增材制造的俗稱，也叫快速原型制造(Rapid Prototyping ,RP), 名稱各異的叫法從不同角度體現(xiàn)了該制造技術(shù)的特點(diǎn)[1]，它基于離散-堆積原理，由零件三維模型的CAD數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)直接制造零件[2]。近年3D打印技術(shù)的快速發(fā)展, 許多歐美等國(guó)家相繼推出了促進(jìn)3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策和措施。國(guó)內(nèi)，國(guó)務(wù)院也很重示3D打印技術(shù)的發(fā)展，先后在“863計(jì)劃”和《中國(guó)制造2025》強(qiáng)調(diào)加快增材制造技術(shù)的發(fā)展。

目前，3D打印的醫(yī)療應(yīng)用可以分為幾大類：3D生物打印；個(gè)性化植入物和解剖模型；輔助的醫(yī)療器械, 包括假肢、手術(shù)導(dǎo)板、康復(fù)輔具等；藥物研究[3]。其中在骨科領(lǐng)域中,主要用于術(shù)前實(shí)體模型、手術(shù)導(dǎo)板、內(nèi)置物、教育科研等,并且在已有許多醫(yī)療機(jī)構(gòu)成功應(yīng)用于患者。3D打印在國(guó)內(nèi)外多家醫(yī)院機(jī)構(gòu)已經(jīng)進(jìn)入臨床應(yīng)用階段，如國(guó)外美國(guó)康涅狄格州牛津性能材料公司和我國(guó)西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院。與醫(yī)生早期主要根據(jù)X 影像、CT或MR掃描的二維圖像來(lái)洞察病態(tài)方式相比，3D打印的術(shù)前模型能夠反映病患情況，可更有效幫助醫(yī)生進(jìn)行術(shù)前診斷規(guī)劃,同時(shí)通過(guò)手術(shù)模擬，可以縮短手術(shù)時(shí)間, 降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。3D打印技術(shù)在骨科領(lǐng)域的應(yīng)用依賴于從醫(yī)學(xué)圖像導(dǎo)出的人體解剖結(jié)構(gòu)的精確數(shù)據(jù)[4]，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。 本文就與骨科相關(guān)的3D打印技術(shù)打印原理,骨科在術(shù)前實(shí)體模型、手術(shù)導(dǎo)板、內(nèi)置物、臨床教學(xué)與科研的應(yīng)用狀況,以及其挑戰(zhàn)與不足進(jìn)行綜述，最后，對(duì)其未來(lái)進(jìn)行展望。

1 基于骨科應(yīng)用的3D打印原理和關(guān)鍵技術(shù)

基于骨科應(yīng)用的3D打印主要通過(guò)逆向工程 (Reverse Engineering， RE) 和快速成型技術(shù)( rapid prototyping, RP) 實(shí)現(xiàn)的，流程如圖1所示。

圖1 基于骨科應(yīng)用的3D打印流程圖

1.1 逆向工程

逆向工程是按照現(xiàn)有實(shí)物, 利用各種數(shù)字化設(shè)備對(duì)現(xiàn)有的實(shí)物進(jìn)行掃描和測(cè)量, 獲得密集的點(diǎn)云資料, 然后通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)處理得到實(shí)物的數(shù)字模型和三維實(shí)體造型的過(guò)程[5]。目前, 在逆向工程的醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面, 已經(jīng)開(kāi)發(fā)的相關(guān)軟件較多, 如 MIMICS、 Geomagic、Imageware 等,還有機(jī)械領(lǐng)域常用的 CAD 軟件，如 UG，PRO/E， SOLID-WORKS。這些軟件可對(duì)掃描得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行修補(bǔ)重建，以完善打印的三維模型，其中比利時(shí) Materialise 公司的 MIMICS 軟件使用較多。MIMICS 是基于醫(yī)學(xué) CT 、 MRI 圖像三維重建和快速成型應(yīng)用的專業(yè)軟件,相比較成熟、應(yīng)用功能較多，具有良好的圖像編輯功能。

1.2 快速成型

快速成型技術(shù), 又稱3D打印技術(shù)，或增材制造技術(shù), 是20世紀(jì)80年代后期開(kāi)始逐漸興起的一項(xiàng)新興制造技術(shù)。3D打印技術(shù)基于層層堆積原理加工成型為實(shí)體模型，它以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、個(gè)性化、定制化為特點(diǎn)，被認(rèn)為是推動(dòng)第3次工業(yè)革命的核心技術(shù)。目前已被各國(guó)作為戰(zhàn)略化新興產(chǎn)業(yè)大力發(fā)展，在骨科領(lǐng)域展現(xiàn)出光明前景。

基于骨科治療的增材制造技術(shù)主要有立體光固化成型技術(shù)(SLA)、選擇性激光融化技術(shù)(SLM)、熔融沉積技術(shù)(FDM)、分層實(shí)體制造技術(shù)(LOM)等[6]。就骨科領(lǐng)域而言，SLA 成型精度較高，成型速度較快。骨科結(jié)合3D打印技術(shù)，手術(shù)變得相對(duì)容易，具有很大的推廣價(jià)值。

2 3D打印技術(shù)在骨科各領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1術(shù)前實(shí)體模型

3D 打印在骨科的術(shù)前實(shí)體模型應(yīng)用主要體現(xiàn)在可以將病變部位的三維立體模型打印出來(lái)，為醫(yī)生提供比醫(yī)學(xué)影像資料更加詳細(xì)的解剖學(xué)信息，實(shí)現(xiàn)了從二維到三維的轉(zhuǎn)變。3D打印技術(shù)與逆向工程技術(shù)結(jié)合，可精確地打印患者病變部位實(shí)體模型，以方便醫(yī)師在術(shù)前診斷病變部位的復(fù)雜關(guān)系,如3D打印的神經(jīng)解剖模型反映了病變與正常大腦結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系(如圖2所示)，有助于醫(yī)生區(qū)分血管神經(jīng)等結(jié)構(gòu),這是傳統(tǒng)的CT圖像難以做到的。這樣可以更加形象、直觀地為患者解釋病情,也更方便術(shù)前規(guī)劃和模擬，從而提高手術(shù)的成功率。應(yīng)用于模型打印的3D 打印技術(shù)主要有 SLA， DLP， SLS， FDM 等。

圖2 沃爾特里德國(guó)家軍事醫(yī)學(xué)中心的神經(jīng)外科醫(yī)生用于手術(shù)計(jì)劃的三維模型[7]

關(guān)于3D 打印在骨科的術(shù)前實(shí)體模型應(yīng)用比較成熟，國(guó)內(nèi)外成功案例以及研究報(bào)道有很多。

(1)國(guó)內(nèi)杜浩、丁煥文、于乃春、戴尅戎等研究人員應(yīng)用3D打印的模型進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃診斷模擬，成功完成了手術(shù)，并且效果明顯。2014年8月，北醫(yī)三院劉忠軍教授完成世界首例 3D 打印的人工椎體置換手術(shù)；西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院首例金屬直接成型3D打印鈦合金假體的植入手術(shù)——利用3D打印模型對(duì)手術(shù)規(guī)劃、明確了最佳手術(shù)切口，并最終成功施行了3D打印鈦合金肋骨植入手術(shù)。

(2)比利時(shí)BIOMED研究所的研究小組成功地植入了首例 3d打印的鈦下頜假體。根據(jù)搜查文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，國(guó)外的案例學(xué)者研究還有如Liu YF, Xu LW，Sanghera，Kühl S等。其中，Liu YF等[7]利用CT掃描和逆向工程對(duì)下頜骨缺損模型進(jìn)行重建打印,制定治療計(jì)劃和術(shù)前模擬,確定相關(guān)尺寸參數(shù)，為手術(shù)的成功提供了保障。數(shù)字化設(shè)計(jì)和3D打印相結(jié)合根據(jù)打印的骨關(guān)節(jié)原型，可設(shè)計(jì)插入髓腔內(nèi)的器材尺寸，確定內(nèi)固定器或個(gè)性化假體的參數(shù)等，提高手術(shù)安全性和精確性，從而改善手術(shù)療效 。

外科醫(yī)生用3D打印來(lái)輔助治療如小兒脊柱和骨盆等復(fù)雜手術(shù)病例，3D打印在設(shè)計(jì)手術(shù)計(jì)劃、選擇種植體類型或體外固定器、術(shù)中參考病人的解剖、骨切術(shù)的準(zhǔn)確性以及與患者的交流等方面意義重大。

2.2 手術(shù)導(dǎo)板

手術(shù)導(dǎo)板是將手術(shù)輔助定位工具。隨著3D 打印技術(shù)的進(jìn)步與逐步普及，手術(shù)導(dǎo)板的應(yīng)用已成為基層骨科醫(yī)生的最佳選擇。3D 打印手術(shù)導(dǎo)航模板的優(yōu)點(diǎn)在于 ：第一，可簡(jiǎn)化操作，具有輔助定位作用，應(yīng)變性強(qiáng)，提高了手術(shù)的精準(zhǔn)性；第二，降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，提高了手術(shù)的安全性,如降低血管、神經(jīng)損傷程度，還有避免了傷口感染等并發(fā)癥的發(fā)生； 第三，減少手術(shù)透視的時(shí)間和次數(shù)，從而保護(hù)醫(yī)患人員少受輻射。

基于3D打印的骨科的手術(shù)導(dǎo)板應(yīng)用中，主要有骨腫瘤切除，骨關(guān)節(jié)炎手術(shù)，復(fù)雜骨折手術(shù)，整形或矯正手術(shù)等。其中，導(dǎo)板常用的手術(shù)部位有骨盆、關(guān)節(jié)、脊柱等。

據(jù)國(guó)外學(xué)者Ast，Merc等研究發(fā)現(xiàn)，外科醫(yī)生通過(guò)預(yù)先準(zhǔn)備手術(shù)導(dǎo)板可以減少手術(shù)步驟，不僅提高了術(shù)中的效率，也節(jié)省了手術(shù)時(shí)間。根據(jù)查閱文獻(xiàn)與報(bào)道發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)的陳國(guó)燦、付軍、周小義、楊云強(qiáng)等人通過(guò)對(duì)運(yùn)用手術(shù)導(dǎo)板進(jìn)行手術(shù)治療的患者后期追蹤發(fā)現(xiàn)療效明顯，恢復(fù)良好。其中，付軍等人選擇其所在單位的同期、同部位、同類常規(guī)手術(shù)(未使用手術(shù)導(dǎo)板)28 例作為對(duì)照組，通過(guò)對(duì)比導(dǎo)板制作加工時(shí)間分析不同 3D 打印技術(shù)的效率，同時(shí)記錄術(shù)前設(shè)計(jì)時(shí)間、手術(shù)時(shí)間、術(shù)中透視次數(shù)，進(jìn)行比較分析,最后研究發(fā)現(xiàn)：

(1)不同3D打印技術(shù)制備的手術(shù)導(dǎo)板各有優(yōu)勢(shì),需根據(jù)具體手術(shù)方式選擇；

(2)3D打印手術(shù)導(dǎo)板很好地適應(yīng)了骨腫瘤手術(shù)個(gè)體化要求,可實(shí)現(xiàn)術(shù)前設(shè)計(jì)；

(3)與對(duì)照組對(duì)比分析，經(jīng)過(guò)合理設(shè)計(jì)并使用導(dǎo)板，雖然術(shù)前設(shè)計(jì)時(shí)間有所延長(zhǎng)，但術(shù)中透視次數(shù)明顯減少，手術(shù)時(shí)間縮短[8]。

2.3內(nèi)置物

利用影像技術(shù)、逆向工程以及3D 打印技術(shù)相結(jié)合，制造的個(gè)性化植入體，不僅外形與真實(shí)骨骼相匹配，而且有利于患者骨骼的修復(fù)生長(zhǎng)[9]。 3D 打印骨科內(nèi)置物替代骨組織主要起兩個(gè)作用，一個(gè)主要起支撐作用，；另一個(gè)不僅起支撐作用還富有生物活性。此外，預(yù)制定制植入物和3D模型幫助外科醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃。

近幾年國(guó)內(nèi)外關(guān)于骨科植入物的成功手術(shù)持續(xù)有報(bào)道。比利時(shí)Hasselt大學(xué)BIOMED研究所的一個(gè)研究小組成功地完成了第一個(gè)3D打印下頜鈦假體的植入，并且該多孔鈦或陶瓷假肢可以作為骨骼生長(zhǎng)的支架。據(jù)報(bào)道，Mertens、 Jardini、Peter Choong等人分別完成了鈦種植體支撐內(nèi)植物、顱骨、鈦腳跟骨植入物手術(shù)；Dr.Jules Poukens的團(tuán)隊(duì)成功完成世界首例上下頜骨植入手術(shù)。

根據(jù)文獻(xiàn)和新聞報(bào)道，國(guó)內(nèi)西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院、北京大學(xué)第三醫(yī)院等醫(yī)院已成功為多名患者完成植入手術(shù)。其中，北京大學(xué)第三醫(yī)院成功利用世界首個(gè)3D 打印多節(jié)段胸腰椎植入物完成長(zhǎng)達(dá)19cm大跨度椎體重建手術(shù)；第二軍醫(yī)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)完成世界上首個(gè)3D打印鈦合金6椎節(jié)板體一體化假體植入物手術(shù)。吳東迎等在人工全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中應(yīng)用3D打印截骨導(dǎo)板輔助的全膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)，對(duì)比發(fā)現(xiàn)手術(shù)時(shí)間更短、出血量更少。

這些國(guó)內(nèi)外各種植入物手術(shù)成功的案例體現(xiàn)了3D打印在骨科植入物應(yīng)用廣泛并且日漸成熟。隨著人口老齡化與相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的建立，骨科內(nèi)植物的需求將會(huì)逐漸增加，并得到廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。

2.4 臨床教學(xué)與科研

3D 打印在骨科的臨床教學(xué)與科研應(yīng)用主要體現(xiàn)在教學(xué)病例模型的設(shè)計(jì)與選擇。醫(yī)學(xué)骨科涉及的知識(shí)點(diǎn)較多, 還有運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)和生物力學(xué)的相關(guān)知識(shí)，并且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,內(nèi)容較抽象。因此,可以在傳統(tǒng)的多媒體教學(xué)的基礎(chǔ)上, 病例設(shè)計(jì)根據(jù)骨科教學(xué)大綱要求,選擇能體現(xiàn)本專業(yè)特點(diǎn)的臨床常見(jiàn)病、多發(fā)病的3D打印模型, 讓每個(gè)學(xué)生對(duì)其進(jìn)行全方位的觀察，加深學(xué)生對(duì)骨科疾病的認(rèn)識(shí), 激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)的好奇心和主動(dòng)性,得到預(yù)期的教學(xué)目的[10]。

解剖學(xué)教學(xué)一直是社會(huì)爭(zhēng)議的主題，特別是在專業(yè)醫(yī)療和專業(yè)訓(xùn)練中使用尸體材料的情況下。應(yīng)用3D打印快速生產(chǎn)標(biāo)本的優(yōu)點(diǎn)包括耐久性、準(zhǔn)確性、易于復(fù)制、成本效益，不論規(guī)模大小,應(yīng)該適合在任何國(guó)家任何教學(xué)設(shè)施,從而避免一些文化和倫理問(wèn)題與潮濕的保存尸體標(biāo)本或塑化標(biāo)本有關(guān)的健康和安全問(wèn)題[11]。

國(guó)外，Jordan B等人通過(guò)將尸體與3D打印的復(fù)制模型骨科手術(shù)教學(xué)比較發(fā)現(xiàn)，3D打印與相關(guān)培訓(xùn)體系相結(jié)合更有優(yōu)勢(shì)，并可能減少病人的暴露風(fēng)險(xiǎn)。最終，這些模型又可用于培訓(xùn)、繼續(xù)教育，并可能成為認(rèn)證的組成部分[12]。國(guó)內(nèi)，管華清、杜恒等人對(duì)3D打印模型應(yīng)用于骨科教學(xué)評(píng)估對(duì)比發(fā)現(xiàn)，3D打印技術(shù)制作的骨骼模型使學(xué)生更好地以醫(yī)生的角度去進(jìn)行完整的臨床診治過(guò)程，再現(xiàn)患者病患部位的詳細(xì)信息，建立正確的臨床診斷，制定治療方案，模擬手術(shù)操作，有助于培養(yǎng)醫(yī)學(xué)生骨科臨床工作興趣。

3D打印技術(shù)具有很多教學(xué)手段難以替代的優(yōu)點(diǎn),是未來(lái)骨科臨床課教學(xué)發(fā)展的必然趨勢(shì)。最適合制作教學(xué)標(biāo)本的打印機(jī)類型為粉末成型、塑料擠出等，各有各優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)于粉末成型式打印機(jī)，本質(zhì)上是利用膠水(粘合劑)將一層精細(xì)的石膏粉打印出來(lái)，運(yùn)行起來(lái)比較經(jīng)濟(jì)，而且制造時(shí)間短。塑料擠出打印有稍高的分辨率，但消耗更大，打印時(shí)間更長(zhǎng)，顏色選擇也有限制[13]。

3 3D打印技術(shù)在骨科應(yīng)用存在的問(wèn)題和前景展望

3.1 3D打印技術(shù)在骨科應(yīng)用存在的挑戰(zhàn)與不足

3D打印技術(shù)在骨科應(yīng)用廣泛，但是由于技術(shù)的瓶頸等問(wèn)題，存在著挑戰(zhàn)與不足。

(1)材料的限制，這是最重要的不足。一方面，打印的模型缺乏感性接觸，3D打印模型無(wú)軟組織附著,不能完全真實(shí)地再現(xiàn)骨頭周邊肌肉、血管和神經(jīng)的走形和分布[14]。部分打印材料不足以滿足安全性、生物相容性等要求。還有，模型或者模板的消毒還未完全，有待尋求開(kāi)發(fā)符合要求的新打印材料。

(2) 3D打印模型模擬手術(shù)的截骨及內(nèi)固定物植入操作與實(shí)際人體內(nèi)的操作過(guò)程相比,可能達(dá)不到理想狀態(tài)，并且有可能延緩了手術(shù)時(shí)間。

(3)委托非醫(yī)學(xué)人員或機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)是無(wú)法從專業(yè)角度進(jìn)行重建、設(shè)計(jì)和打印。

(4)前期模型設(shè)計(jì)制造的時(shí)間長(zhǎng)了，并且導(dǎo)板與植入物相關(guān)的滅菌技術(shù)仍然不足,對(duì)病人可能有感染風(fēng)險(xiǎn)。

(5) 3d打印定制物的設(shè)計(jì)和制造方面的一些監(jiān)管考慮仍然對(duì)醫(yī)院具有挑戰(zhàn)性[14]，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)還相對(duì)缺乏。

3.2 3D打印技術(shù)在骨科應(yīng)用前景展望

基于3D打印技術(shù)在骨科各領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，具有很好的應(yīng)用前景和市場(chǎng)價(jià)值。下面針對(duì)前文提到的挑戰(zhàn)與不足，提出以下展望。

3.2.1 3D打印仿生材料的發(fā)展將是未來(lái)3D打印技術(shù)在患者專業(yè)骨科領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)重要方向。

3D打印的人工骨應(yīng)該包括具有與原生骨相似的力學(xué)性質(zhì)的材料，這可能有助于恢復(fù)骨的解剖結(jié)構(gòu)和生物力學(xué)功能，并且該材料應(yīng)具有生物相容性和可消毒性?？蛇M(jìn)行以細(xì)胞、支架和細(xì)胞因子為重點(diǎn)的軟骨生物材料的臨床研究,開(kāi)發(fā)微/納米生物打印材料等。

3.2.2 建立相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以提升打印的精度和安全性。

3.2.3 需要進(jìn)一步研究3D打印在骨科應(yīng)用中的臨床效果。

3.2.4建立云端網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)，向智能化專業(yè)化生物增材制造系統(tǒng)方向發(fā)展。

在醫(yī)療3D打印未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)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,醫(yī)院可與獨(dú)立的、專業(yè)的3D打印機(jī)構(gòu)合作建立云端網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù), 實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的共享?；蛘邚膱D像采集到快速原型的整個(gè)打印過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化系統(tǒng)集成。這樣醫(yī)務(wù)人員就不需要3D打印培訓(xùn),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,而且規(guī)模制造的優(yōu)勢(shì)可以提供廉價(jià)定制的3D打印產(chǎn)品[15]。

雖然3D打印技術(shù)的應(yīng)用受諸多因素的制約, 但相信隨著材料學(xué)、生物材料、干細(xì)胞以及組織培養(yǎng)等多學(xué)科的相關(guān)技術(shù)突破，3D打印技術(shù)將更好、更全面地應(yīng)用于骨科等相關(guān)領(lǐng)域,從而更好地服務(wù)于患者。