3D打印技術(shù)在骨盆髖臼骨折手術(shù)治療中的研究進(jìn)展

劉曦明，曾文波

1 3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代中期，實(shí)際上是一種利用光固化和紙層疊等技術(shù)的最新快速成型技術(shù)。它是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)、以數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)為載體、采用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過(guò)逐層打印的方式構(gòu)造出三維實(shí)體的技術(shù)。3D打印在醫(yī)學(xué)中最先應(yīng)用于牙科及頜面外科[1-4]，近年來(lái)在骨科中的應(yīng)用日益得到重視，特別是在復(fù)雜骨盆髖臼骨折手術(shù)治療中的應(yīng)用。3D打印技術(shù)作為數(shù)字化技術(shù)的集中體現(xiàn)， 是實(shí)現(xiàn)各種骨盆髖臼手術(shù)個(gè)體化、精確化的有效手段，在臨床應(yīng)用領(lǐng)域主要包括術(shù)前規(guī)劃、術(shù)中導(dǎo)航、假體內(nèi)植物以及骨組織工程等。

3D打印技術(shù)在骨盆髖臼骨折手術(shù)治療中的應(yīng)用可分為3個(gè)階段：(1)初級(jí)階段：利用3D打印出1∶1比例的三維實(shí)體模型，幫助骨科醫(yī)生了解骨折的程度、類(lèi)型及每一骨折塊的移位情況，協(xié)助醫(yī)生作出明確的術(shù)前診斷、評(píng)估術(shù)中可能存在的風(fēng)險(xiǎn)，為術(shù)中的骨折復(fù)位提供實(shí)物模型以供參考。(2)中級(jí)階段：個(gè)體化置入物及假體制作、個(gè)性化治療。3D打印技術(shù)具有加工精確、制作迅速、無(wú)需特殊模具等特點(diǎn)，使個(gè)體化假體設(shè)計(jì)、制備成為可能。3D打印技術(shù)可“量身定制”個(gè)體化置入物，與患者骨骼更精確的匹配，更快恢復(fù)患肢功能。目前，國(guó)內(nèi)外已廣泛開(kāi)展了3D打印個(gè)性化接骨板、個(gè)體化人工關(guān)節(jié)假體、個(gè)體化髖關(guān)節(jié)人工墊片及半骨盆假體的臨床應(yīng)用研究。(3)高級(jí)階段：生物打印人工組織和器官。3D打印與組織工程結(jié)合，將帶來(lái)個(gè)體化植入物制作及組織工程技術(shù)的革命，極大地促進(jìn)器官移植、組織修復(fù)重建及再生醫(yī)學(xué)等多領(lǐng)域的進(jìn)步。目前，3D打印技術(shù)還處在初/中級(jí)階段，尚存在諸多有待研究解決的問(wèn)題及限制因素。

2 3D打印骨盆髖臼模型

骨盆髖臼骨折由于解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形態(tài)不規(guī)則，且周?chē)徳S多重要的神經(jīng)血管，手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)高、難度大，如處理不當(dāng)，可導(dǎo)致肢體短縮、骨盆畸形、重要神經(jīng)損傷等嚴(yán)重并發(fā)癥[5]。因此，術(shù)前充分了解骨折情況、制訂精準(zhǔn)的術(shù)前計(jì)劃、進(jìn)行個(gè)體化的治療非常重要。傳統(tǒng)X線片及二維CT僅能提供平面影像，缺乏立體感，醫(yī)師在了解骨折部位及骨折線走向等具體情況及制訂手術(shù)方案時(shí)面臨極大困難。CT三維重建可從多角度較為清楚地顯示骨盆髖臼骨折損傷的立體形態(tài)，能更加準(zhǔn)確地判斷骨盆髖臼骨折的部位、分型等，具有一定的優(yōu)越性[6]。但CT三維重建僅能提供幾個(gè)角度的三維圖像，不能幫助手術(shù)醫(yī)師從任意角度和方向觀察骨折情況，也不能通過(guò)觸摸了解骨折線的走行方向和骨折塊的具體形態(tài)，對(duì)制定手術(shù)方案的指導(dǎo)意義有一定的局限[7]。經(jīng)學(xué)者反復(fù)臨床探索3D打印技術(shù)制造骨折模型輔助治療復(fù)雜骨折，包括3D打印脛骨平臺(tái)骨折、肱骨近端骨折、骨盆髖臼骨折等復(fù)雜骨折的診斷與治療中作用的研究，證明了3D打印骨折模型在明確骨折類(lèi)型、制訂個(gè)體化手術(shù)方案、進(jìn)行體外模擬手術(shù)等方面具有極大的優(yōu)勢(shì)，對(duì)復(fù)雜骨折的個(gè)體化治療具有較大的臨床指導(dǎo)意義，尤其適用于較為復(fù)雜的骨盆、髖臼骨折。近年來(lái)的研究證實(shí)借助3D打印模型治療復(fù)雜骨盆髖臼骨折時(shí)具有如下優(yōu)勢(shì)：(1)可全面細(xì)致地了解骨折類(lèi)型、具體的骨折形態(tài)和移位方向，輔助醫(yī)師對(duì)骨盆髖臼骨折進(jìn)行更加確切的分型。同時(shí)，還可通過(guò)骨折模型向患者及家屬直觀的介紹病情和手術(shù)方案。Hurson等[8]對(duì)20例髖臼骨折的研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)3D打印骨折模型對(duì)髖臼骨折進(jìn)行分型，結(jié)果較傳統(tǒng)依據(jù)二維影像分型更為準(zhǔn)確。Li等[9]研究發(fā)現(xiàn)，使用計(jì)算機(jī)輔助血管造影及快速成型技術(shù)輔助Tile C型骨盆骨折的治療，有助于觀察骨折情況及周?chē)軗p傷情況，可有效減少術(shù)中及術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生，提高治療效果，有助于患者術(shù)后康復(fù)。(2)有助于骨科醫(yī)師根據(jù)患者具體骨盆髖臼骨折情況制訂個(gè)體化的手術(shù)方案。通過(guò)3D打印骨折模型，可設(shè)計(jì)出最適用于患者的個(gè)體化的手術(shù)入路，通過(guò)有限顯露進(jìn)行有效內(nèi)固定，達(dá)到安全精準(zhǔn)治療的效果。王鋒等[10-11]對(duì)復(fù)雜髖臼骨折進(jìn)行三維重建，利用Mimics14.0軟件對(duì)虛擬骨塊進(jìn)行劃分，模擬手術(shù)復(fù)位，了解髖臼骨折塊復(fù)位方式及順序、移位距離、旋轉(zhuǎn)角度等，并確定骨塊復(fù)位標(biāo)志，減少了實(shí)際手術(shù)中的無(wú)效操作，增加了手術(shù)流暢性。Wang等[12]對(duì)9例陳舊性Tile C型骨盆骨折患者進(jìn)行體外模擬手術(shù)，針對(duì)每例患者制訂精確的個(gè)體化手術(shù)方案，取得了良好的治療效果。Zeng等[13]使用3D打印技術(shù)結(jié)合腹直肌旁微創(chuàng)切口對(duì)38例骨盆不穩(wěn)定骨折患者實(shí)施個(gè)體化手術(shù)，取得了創(chuàng)傷小、出血少、愈合快、復(fù)位滿(mǎn)意率高的治療效果。(3)術(shù)前可在模型上模擬手術(shù)操作。通過(guò)體外模擬手術(shù)，不僅可以增加手術(shù)醫(yī)師的操作熟練程度，便于培養(yǎng)年輕醫(yī)師，還可以在術(shù)前對(duì)鋼板進(jìn)行塑形預(yù)彎，使其最大限度與骨面服帖，減少術(shù)中透視頻率，縮短手術(shù)時(shí)間，減少不必要的手術(shù)創(chuàng)傷，在一定程度上提高手術(shù)成功率和降低術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率。Bagaria等[14]用3D打印技術(shù)制作了2例髖臼復(fù)雜骨折的骨骼模型，在模型上模擬手術(shù)，術(shù)前將鋼板預(yù)彎，并明確螺釘?shù)能壍篮统叽?，使手術(shù)時(shí)間大大縮短，且增加了手術(shù)操作的精確度，術(shù)后X線片及CT檢查顯示骨折復(fù)位良好。章瑩等[15]對(duì)73例患者術(shù)前采取CT三維重建、血管造影、3D打印快速成型、計(jì)算機(jī)模擬與個(gè)體化標(biāo)本模擬手術(shù)，提高了復(fù)雜骨盆骨折的手術(shù)效率、減少術(shù)中出血量并降低手術(shù)并發(fā)癥發(fā)生率。

目前，3D打印模型在臨床推廣應(yīng)用中也存在一些不足。首先打印模型時(shí)間長(zhǎng)，費(fèi)用高，打印的材料稀缺昂貴，限制了其廣泛應(yīng)用。但隨著3D打印技術(shù)的不斷成熟及新型打印材料的研發(fā)，逐漸降低了打印費(fèi)用，加快了打印速度。其次由于切口、軟組織及合并癥等條件的限制，實(shí)際手術(shù)操作較模擬手術(shù)復(fù)雜，難度更大；術(shù)中需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)預(yù)先設(shè)計(jì)的手術(shù)方案進(jìn)行適當(dāng)修正和調(diào)整，避免因術(shù)中操作不當(dāng)加重?fù)p傷。最后模型和實(shí)際骨盆髖臼仍有一定的差別，術(shù)前預(yù)彎的鋼板與實(shí)際骨盆不一定完全服帖，實(shí)際手術(shù)固定后應(yīng)對(duì)骨折固定情況進(jìn)行檢查，如未達(dá)到足夠穩(wěn)定，應(yīng)進(jìn)一步調(diào)整。筆者認(rèn)為，3D打印骨盆髖臼模型能幫助骨科醫(yī)師更全面的了解具體骨折情況，幫助術(shù)前分型，輔助術(shù)前個(gè)體化手術(shù)方案設(shè)計(jì)，提高手術(shù)效率，降低術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生率。相信隨著影像技術(shù)精度的提高、3D打印技術(shù)的的不斷成熟以及新型材料的研發(fā)，3D打印骨盆髖臼模型能更好的指導(dǎo)手術(shù)，更好的服務(wù)于骨科醫(yī)師。

3 3D打印骨盆髖臼手術(shù)導(dǎo)板

雖然切開(kāi)復(fù)位內(nèi)固定目前仍是大部分骨盆髖臼骨折的首選治療方案，特別是髖臼骨折[16]，但傳統(tǒng)切開(kāi)復(fù)位內(nèi)固定有暴露廣、創(chuàng)傷大、并發(fā)癥多等問(wèn)題。近年來(lái)閉合復(fù)位經(jīng)皮空心螺釘固定作為骨盆骨折的微創(chuàng)手術(shù)方法，能有效縮短手術(shù)時(shí)間，明顯減少手術(shù)區(qū)域解剖顯露過(guò)程中神經(jīng)、血管、組織等損傷，很大程度上降低術(shù)后感染等并發(fā)癥發(fā)生率，獲得了廣大骨科醫(yī)生的青睞，但是其對(duì)骨折認(rèn)識(shí)和手術(shù)操作的要求較高[17]。隨著透視技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)航下微創(chuàng)治療骨盆、髖臼骨折逐漸興起[18-20]。計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航技術(shù)可以在術(shù)中實(shí)時(shí)監(jiān)控螺釘?shù)奈恢?，減少了患者和術(shù)者的輻射暴露；同時(shí)術(shù)者通過(guò)觀察二維的矢狀面、冠狀面、橫斷面以及三維立體模型實(shí)時(shí)反饋的圖像信息，借助虛擬手術(shù)工具進(jìn)行螺釘方向的預(yù)測(cè)，提高了螺釘置入的準(zhǔn)確率和安全性。但是計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)導(dǎo)航也存在很大的局限性，如對(duì)導(dǎo)航硬件要求高，設(shè)備昂貴，縣市級(jí)醫(yī)院沒(méi)有購(gòu)買(mǎi)昂貴導(dǎo)航儀器的條件；儀器占地面積大，操作繁瑣，術(shù)中圖像配準(zhǔn)精度不高，圖像存在“漂移”等問(wèn)題[18,20-23 ]。隨著3D打印技術(shù)的逐步普及,導(dǎo)板的加工難度逐漸降低,3D 打印手術(shù)導(dǎo)板技術(shù)已成為基層骨科醫(yī)生閉合復(fù)位微創(chuàng)治療骨盆髖臼骨折的最佳選擇。佟礦等[24]設(shè)計(jì)的骶髂關(guān)節(jié)骨折固定手術(shù)導(dǎo)向模板為骶髂關(guān)節(jié)拉力螺釘?shù)捻樌萌胩峁┝藥椭?。穆衛(wèi)廬等[25]和張?jiān)堑萚26]通過(guò)3D模型充分了解骨盆骨折情況，制作導(dǎo)航模版，在模板輔助下精確置入了骶骨拉力螺釘，縮短了骶髂螺釘置入時(shí)間[27]，減少了透視頻率[28]，并不增加術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率。一些學(xué)者正致力于借助3D技術(shù)研究適合不移位或輕度移位的髖臼骨折閉合復(fù)位經(jīng)皮導(dǎo)板輔助髖臼前、后柱螺釘置入的個(gè)性化導(dǎo)板，希望能為沒(méi)有導(dǎo)航設(shè)備的基層醫(yī)院骨科醫(yī)生提供精準(zhǔn)、安全、微創(chuàng)治療移位不明顯的髖臼骨折的技術(shù)支持。

3D打印導(dǎo)板在臨床中應(yīng)用越來(lái)越普遍，但其推廣應(yīng)用還存在一定的挑戰(zhàn)：(1)導(dǎo)板的前期設(shè)計(jì)繁瑣，增加了骨科醫(yī)生的工作量；(2)導(dǎo)板設(shè)計(jì)需考慮患者的具體情況，需同時(shí)考慮手術(shù)方式、部位、術(shù)野周?chē)浗M織等幾方面問(wèn)題，臨床中需要個(gè)體化設(shè)計(jì)，不利于全面推廣應(yīng)用；(3)導(dǎo)板的設(shè)計(jì)者需同時(shí)具備一定的臨床專(zhuān)業(yè)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、相關(guān)軟件的應(yīng)用等知識(shí)，對(duì)大部分臨床骨科醫(yī)師是嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，需要多專(zhuān)業(yè)人才合作。但相信隨著 3D 打印技術(shù)的不斷發(fā)展和普及、材料技術(shù)的不斷進(jìn)步，這些問(wèn)題都能迎刃而解。

4 3D打印骨盆髖臼假體植入

近年來(lái)骨盆髖臼假體得到了較多的應(yīng)用。應(yīng)用假體重建可實(shí)現(xiàn)早期活動(dòng)、良好的外觀、持久的力學(xué)穩(wěn)定性及滿(mǎn)意的功能狀態(tài)[29-31]，已成為骨盆髖臼骨折后骨缺損的主流重建方式。常規(guī)使用下的標(biāo)準(zhǔn)尺寸的假體能滿(mǎn)足大部分患者需求，但也有少數(shù)患者因解剖結(jié)構(gòu)特殊或疾病的特異性需要定制個(gè)體化植入物，且人數(shù)不斷增加。文獻(xiàn)報(bào)道多種重建骨盆髖臼缺損的假體獲得了較好的臨床效果，但仍存在松動(dòng)、感染、脫位、斷裂等假體并發(fā)癥[29,31-34]。3D打印骨盆髖臼假體能根據(jù)患者骨盆髖臼解剖特性及實(shí)際病損個(gè)體化制作出滿(mǎn)足實(shí)際需要的假體重建骨盆髖臼形態(tài)，能夠比較完美地解決傳統(tǒng)假體不能完全匹配等問(wèn)題。3D 打印技術(shù)可制造任意形狀的假體以實(shí)現(xiàn)假體與截骨面的精確配對(duì)；同時(shí)可于假體上預(yù)留任意方向的釘?shù)烙糜诠潭ㄒ曰謴?fù)正常力學(xué)傳導(dǎo)；還能制造出固定孔徑及孔隙率的表面結(jié)構(gòu)以誘導(dǎo)骨長(zhǎng)入和融合[35-39]，最終在假體重建的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)生物重建。Hughes等[40]和Schwartz等[41]報(bào)道3D打印人工髖臼墊塊的應(yīng)用能明顯縮短手術(shù)時(shí)間、減少術(shù)中出血量，降低術(shù)后并發(fā)癥，增加固定的穩(wěn)定性和假體的活動(dòng)度，提高手術(shù)的精確性。Dai等[42]采用3D打印技術(shù)為10例嚴(yán)重骨盆損傷需行半骨盆切除置換術(shù)的患者制備了骨盆模型，設(shè)計(jì)手術(shù)方案，同時(shí)設(shè)計(jì)并植入個(gè)體化假體，術(shù)中操作順利，假體匹配良好，術(shù)后X線片示假體固定確切，無(wú)松動(dòng)、移位等情況。

雖然3D打印假體在骨盆髖臼病損中應(yīng)用具有巨大的潛力，但其臨床應(yīng)用仍然存在一些問(wèn)題。(1)3D打印的機(jī)器昂貴，打印材料都比較昂貴和稀缺。(2)生物力學(xué)性能和組織相容性較差:雖然目前3D打印骨盆髖臼假體植入體內(nèi)已取得了很大進(jìn)步，但要達(dá)到臨床應(yīng)用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，假體的生物學(xué)性能及組織相容性仍有些欠缺。(3)隱私及倫理問(wèn)題。(4)3D打印假體作為一種新型產(chǎn)品、一項(xiàng)臨床新技術(shù)，無(wú)論個(gè)體化定制或規(guī)?；圃?，目前國(guó)際上仍無(wú)嚴(yán)格的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品質(zhì)量控制，導(dǎo)致了臨床應(yīng)用的安全隱患。但隨著影像學(xué)、生物工程、生物材料等學(xué)科的發(fā)展和交叉學(xué)科的興起及3D打印技術(shù)的逐步成熟，3D打印技術(shù)能做到高效、高精度、低成本，而且可對(duì)特定患者定制個(gè)性化植入物甚至組織器官。

5 展望與前景

3D打印技術(shù)可以將復(fù)雜的骨盆髖臼骨折情況更直觀地展示在骨科醫(yī)師面前。復(fù)雜骨盆髖臼骨折的評(píng)估及分型變得容易，術(shù)前診斷更加明確，而且術(shù)前可以進(jìn)行手術(shù)模擬，對(duì)術(shù)中用到的固定接骨板進(jìn)行預(yù)塑形。術(shù)中導(dǎo)航模板可以通過(guò)3D打印進(jìn)行快速制作，精確的術(shù)中定位明顯減少骨盆髖臼術(shù)中的透視頻率，降低了患者及醫(yī)師的射線暴露。個(gè)性化骨盆髖臼假體的使用能更完美的匹配患者骨骼的個(gè)體差異?？偟膩?lái)說(shuō)，3D打印技術(shù)的應(yīng)用使復(fù)雜的骨盆髖臼手術(shù)變得相對(duì)容易，提高了手術(shù)效率，降低了術(shù)后并發(fā)癥，具有臨床推廣的價(jià)值。隨著3D打印技術(shù)的不斷成熟及高分子材料的不斷進(jìn)步，3D打印技術(shù)應(yīng)用的期限及材料價(jià)格變的越來(lái)越低，3D打印有望在骨盆髖臼人工假體、手術(shù)器械、骨移植物等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)快速制造。隨著生物材料、干細(xì)胞、組織培養(yǎng)等多學(xué)科的科技突破，具有生物活性人工替代骨組織的制造方面也將發(fā)生巨大的進(jìn)步，相信不久的將來(lái)，3D打印出替代壞死、缺損的骨盆髖臼骨組織部分的具有生物活性人工骨組織將逐步實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)缺損部分的生物重建，更好的為患者服務(wù)。

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