3D打印技術(shù)在骨科關(guān)節(jié)中的應(yīng)用進(jìn)展

林林，陳莉智 ，黃文華，，3，曾春

1.南方醫(yī)科大學(xué)第三附屬醫(yī)院，廣東廣州510630；2.南方醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院人體解剖學(xué)國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科，廣東廣州510515；3.廣東省醫(yī)學(xué)3D打印應(yīng)用轉(zhuǎn)化工程技術(shù)研究中心，廣東廣州510030

前言

近年來(lái)，3D打印技術(shù)憑借創(chuàng)新的快速成型技術(shù)在制造領(lǐng)域和醫(yī)療領(lǐng)域迅速發(fā)展。3D打印技術(shù)在骨科關(guān)節(jié)手術(shù)前，可以根據(jù)患者的骨密度和植入的解剖部位來(lái)制造個(gè)性化的植入物和支架，更是可以通過(guò)該技術(shù)來(lái)使用一系列材料打印出滿意的實(shí)體模型，這對(duì)于骨科醫(yī)生來(lái)說(shuō)是極具吸引力的。此外，3D打印技術(shù)所打印出來(lái)的支架模型，可為組織工程細(xì)胞在修復(fù)受損組織時(shí)的生存和成長(zhǎng)提供附著結(jié)構(gòu)，將在未來(lái)的關(guān)節(jié)置換和關(guān)節(jié)骨軟骨修復(fù)的發(fā)展中影響深遠(yuǎn)［1］。

1 3D打印技術(shù)的定義及成型類型

作為一種創(chuàng)新的快速成型和增材制作技術(shù)，3D打印技術(shù)是一種將3D數(shù)字技術(shù)和分層打印技術(shù)相聯(lián)合的新興技術(shù)，通過(guò)分層添加各種可粘合材料而打印出3D實(shí)體模型。3D打印技術(shù)主要有立體光刻成型（Stereolithography,SLA）、選擇性激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering,SLS）、熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling,FDM）、噴墨打印技術(shù)等［2］。

1.1 SLA

SLA是目前研究比較深入的一種類型，它的工作思路是借助計(jì)算機(jī)操作下的紫外激光束透過(guò)光固化樹(shù)脂的液面進(jìn)行反復(fù)掃描得到三維產(chǎn)品。SLA是以液態(tài)光敏樹(shù)脂為加工材料，將液態(tài)樹(shù)脂在紫外激光透射下固化成固體樹(shù)脂。SLA具有尺度精度高、表面質(zhì)量?jī)?yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，但局限性在于光敏樹(shù)脂的生物相容性與降解性較差，且光敏樹(shù)脂在打印過(guò)程中可能膨脹或皺縮［3］。

1.2 SLS

SLS的原理是利用產(chǎn)生高溫的激光束，對(duì)熔融粉末類的材料冷卻后再固化。激光束的軌跡在計(jì)算機(jī)的控制下以設(shè)定的速度和能量密度掃描，并且在逐個(gè)掃描之后執(zhí)行固化，直到形成相應(yīng)的3D模型實(shí)體。SLS的特點(diǎn)是材料使用率較高、無(wú)需支撐結(jié)構(gòu)，但缺點(diǎn)是成型產(chǎn)品的表面粗糙，粉末或者材料在熔化時(shí)會(huì)有異味氣體揮發(fā)［4］。

1.3 FDM

FDM使用絲狀熱熔性材料為原料，雖然FDM的機(jī)理與SLA技術(shù)相似，但是材料需要先被加熱至半流體狀態(tài)才能繼續(xù)打印。熔融狀態(tài)的材料將會(huì)在3D模型的層面下被計(jì)算機(jī)遙控的噴頭噴出，之后材料將迅速冷卻至凝固。如此層層重復(fù)直到3D模型打印成型為止。FDM的技術(shù)特點(diǎn)是可以成型具有復(fù)雜的內(nèi)腔、孔等材料、成型產(chǎn)品精確度較高、系統(tǒng)操作相對(duì)簡(jiǎn)單等。其不足是成型過(guò)程中加熱的溫度高于其他打印技術(shù)［5］。

1.4 3D生物打印

噴墨打印技術(shù)也被稱為3D生物打印技術(shù)，其基礎(chǔ)是利用生物材料或活細(xì)胞作為“生物墨汁”，首先借助3D數(shù)字技術(shù)構(gòu)建相應(yīng)的三維模型，打印機(jī)依據(jù)得到的圖層文件進(jìn)行逐層疊加后打印出完整的3D實(shí)體模型，再經(jīng)過(guò)人工精心培養(yǎng)，最后生成具有生物活性的組織或器官。優(yōu)勢(shì)是其具有高度的分辨率，同時(shí)能把細(xì)胞和支架材料一起用來(lái)制備組織模型，較難產(chǎn)生排斥現(xiàn)象［6］。但是，活細(xì)胞的來(lái)源和它們的生存能力在3D打印的支架模型上仍然需要進(jìn)一步探索。Kim等［7］認(rèn)為去細(xì)胞化的細(xì)胞外基質(zhì)可以提供一個(gè)合適的支持活細(xì)胞活動(dòng)的微環(huán)境。

2 3D打印技術(shù)在骨科關(guān)節(jié)中的應(yīng)用

2.1 骨科關(guān)節(jié)的解剖學(xué)教育

當(dāng)今社會(huì)對(duì)醫(yī)學(xué)界的解剖學(xué)教育持有廣泛爭(zhēng)議，主要爭(zhēng)議在于利用人類尸體對(duì)學(xué)生進(jìn)行解剖學(xué)知識(shí)指導(dǎo)面臨著眾多的人文和道德問(wèn)題；另外，人類尸體來(lái)源極其短缺，學(xué)生和工作人員長(zhǎng)期呆在福爾馬林防腐劑的環(huán)境中，其安全健康問(wèn)題也需要被重視。3D打印技術(shù)不僅可以解決上述的倫理和健康問(wèn)題，還可以制作出人類尸體的解剖樣本和復(fù)制品，這些制造品具有較高的辨別率并能還原出人體器官各個(gè)解剖結(jié)構(gòu)真實(shí)位置和顏色［8］。相對(duì)于傳統(tǒng)的尸體解剖教育，3D打印有著突出的優(yōu)勢(shì)，可以利用相對(duì)容易獲得的醫(yī)學(xué)資源和倫理化的3D打印解剖模型來(lái)提高醫(yī)學(xué)生們的解剖知識(shí)水平，使他們更好地學(xué)習(xí)人體骨骼，為日后有志踏入骨科關(guān)節(jié)領(lǐng)域的醫(yī)學(xué)生們學(xué)習(xí)骨科關(guān)節(jié)知識(shí)奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)。

2.2 骨科關(guān)節(jié)醫(yī)生和患者及其家屬的術(shù)前溝通

3D打印的定制性對(duì)于骨科關(guān)節(jié)醫(yī)生術(shù)前與患者及其家屬的術(shù)前溝通來(lái)說(shuō)更是個(gè)福音，可大大緩解當(dāng)今緊張的醫(yī)患關(guān)系。以關(guān)節(jié)置換為例，3D打印能夠打印出匹配病人的關(guān)節(jié)支架假體，可以不再需要像以往那樣從各種不同型號(hào)的支架中挑選。此外，病人也能依據(jù)打印的3D實(shí)體模型直觀地了解醫(yī)生的確診，有助于打破雙方交流妨礙、改善醫(yī)患關(guān)系、降低醫(yī)患糾紛，也意味著“定制健康離我們不再遙遠(yuǎn)”。不過(guò)，3D打印行內(nèi)專家與骨科關(guān)節(jié)醫(yī)生共同以為，其臨床實(shí)踐中仍面臨著各種難題，如患者信息的收集、生物材料和活細(xì)胞的選取、打印設(shè)備昂貴等，而這些需要患者的配合和醫(yī)院的大力支持［9-10］。

2.3 骨科關(guān)節(jié)術(shù)前的臨床治療方案

骨科關(guān)節(jié)的手術(shù)中，使用3D打印技術(shù)可為每個(gè)患者在術(shù)前設(shè)置個(gè)性化和精確化的術(shù)中植入物，明顯縮短手術(shù)時(shí)間、減少失血量，使患者更滿意、更安全［11］。Benum等［12］使用此技術(shù)為兩例骨質(zhì)硬化癥患者制備獨(dú)特的的股骨假體和股骨髓腔導(dǎo)引裝置，成功地完成了全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)，相對(duì)于以往規(guī)格的假體，利用3D打印技術(shù)來(lái)設(shè)置個(gè)體化假體可精確對(duì)應(yīng)患者的缺損骨骼，使得患肢痊愈更快。杜浩等［13］先利用三維重建技術(shù)在術(shù)前對(duì)假體和病變側(cè)的髖臼凹面構(gòu)建出定位模板，再在術(shù)中對(duì)假體置入髂臼凹面方向進(jìn)行精確定位成功后，最后提出在髖關(guān)節(jié)置換中可以通過(guò)定位模板的術(shù)前設(shè)計(jì)和構(gòu)建來(lái)完成假體植入髂臼凹面的正確定位。另外，大多數(shù)骨科關(guān)節(jié)的醫(yī)師同意進(jìn)行關(guān)節(jié)模型預(yù)演［14］，這表明手術(shù)醫(yī)師可以利用術(shù)前演練3D打印出來(lái)的關(guān)節(jié)模型來(lái)降低術(shù)中受損關(guān)節(jié)的破壞程度，同時(shí)它還減少了術(shù)后感染和其他并發(fā)癥，使病人對(duì)術(shù)后效果的滿意度增加。

3 3D打印技術(shù)在骨科關(guān)節(jié)領(lǐng)域中的進(jìn)展

3.1 3D打印在關(guān)節(jié)置換中的進(jìn)展

借助生物力學(xué)的支持，骨關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性得到提高，所以3D打印技術(shù)在骨關(guān)節(jié)置換術(shù)中有著良好的發(fā)展前景。利用3D打印技術(shù)將組織工程支架材料復(fù)合，保留它們的生物活性，最終使骨關(guān)節(jié)受損的修復(fù)再生更加滿意，而關(guān)節(jié)感染、患肢疼痛等術(shù)后不適癥狀將大大減少。在某些骨關(guān)節(jié)損傷中，受損關(guān)節(jié)的假體置換是其最終治療方案，然而在一些比較復(fù)雜的損傷關(guān)節(jié)置換中，患者對(duì)傳統(tǒng)的關(guān)節(jié)置換手術(shù)效果不甚滿意，術(shù)后病人呈現(xiàn)假體松動(dòng)而導(dǎo)致脫位或假體失用等所帶來(lái)的需要重新翻修等問(wèn)題在臨床中并不少見(jiàn)。這一方面不僅與醫(yī)生的手術(shù)操作水平有極大關(guān)系，另一方面也可能是由精確化的假體與特異化的個(gè)體損傷之間相互沖突所導(dǎo)致的，這些引起了骨科關(guān)節(jié)的醫(yī)生們的重視，并尋求解決方案［15］。許志慶等［16］先在計(jì)算機(jī)上利用CAD三維模型對(duì)一名雙膝骨關(guān)節(jié)炎病人的3D打印關(guān)節(jié)模型進(jìn)行手術(shù)過(guò)程設(shè)計(jì)和仿真模擬來(lái)檢驗(yàn)手術(shù)計(jì)劃的可行性，然后再對(duì)實(shí)物進(jìn)行試演手術(shù)過(guò)程來(lái)進(jìn)一步檢驗(yàn)手術(shù)計(jì)劃的可行性，最后制造個(gè)性化導(dǎo)引模板及設(shè)置人工膝關(guān)節(jié)假體來(lái)精確實(shí)施手術(shù)，術(shù)后影像學(xué)檢查顯示假體位置良好、無(wú)松動(dòng)脫位等，而且患者對(duì)術(shù)后效果也較滿意。Won等［17］利用該技術(shù)得到關(guān)于髖臼假體在患者嚴(yán)重髖臼畸形中的尺寸和位置的信息，成功開(kāi)發(fā)了21例嚴(yán)重髖關(guān)節(jié)畸形患者的全髖關(guān)節(jié)置換個(gè)性化手術(shù)方案，術(shù)后CT三維重建復(fù)查顯示假體植入物均按術(shù)前策劃準(zhǔn)確植入，而且明顯減少了術(shù)中出血，并因術(shù)后效果良好而縮短了術(shù)后住院時(shí)間。隨著新材料的陸續(xù)涌現(xiàn)和打印技術(shù)的不斷創(chuàng)新，3D打印技術(shù)開(kāi)始在骨科關(guān)節(jié)手術(shù)中嶄露頭角，關(guān)節(jié)假體在術(shù)中的精確應(yīng)用使得患肢解剖復(fù)位率提高、功能恢復(fù)時(shí)間縮短［18］。

3.2 3D打印在骨關(guān)節(jié)軟骨修復(fù)中的進(jìn)展

3D打印技術(shù)于20世紀(jì)90年代開(kāi)始應(yīng)用于軟骨組織工程這項(xiàng)新興技術(shù)，該技術(shù)主要是讓種子細(xì)胞生物在加工出來(lái)的可降解支架材料上繁殖，而該支架利用三維多孔結(jié)構(gòu)來(lái)供給種子細(xì)胞營(yíng)養(yǎng)，通過(guò)人工培植處理，以生成具有生物活性的軟骨或軟骨樣組織結(jié)構(gòu)，最終進(jìn)行骨關(guān)節(jié)軟骨修復(fù)。組織工程技術(shù)含有創(chuàng)傷輕，自體移植的特點(diǎn)，能夠使原有軟骨的組織結(jié)構(gòu)再現(xiàn)和功能復(fù)原，成為軟骨損傷后進(jìn)行人工修復(fù)的一種嶄新的手段。由于關(guān)節(jié)軟骨損傷后自我修復(fù)能力差，利用組織工程技術(shù)對(duì)缺損軟骨進(jìn)行軟骨修復(fù)已成為研究熱點(diǎn)。數(shù)十年來(lái)，3D生物打印技術(shù)一直在穩(wěn)步發(fā)展，制造出來(lái)的組織顯示出良好的再生能力。3D生物打印技術(shù)與干細(xì)胞的整合在組織工程領(lǐng)域具有重大潛力。目前，使用3D打印技術(shù)來(lái)幫助組織工程軟骨修復(fù)的種子細(xì)胞最常見(jiàn)于骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞和軟骨細(xì)胞中［6，19］。其中脂肪來(lái)源干細(xì)胞（ADSCs）已作為理想的種子細(xì)胞與3D打印的支架復(fù)合，有望修復(fù)受損組織并重建其功能，但支架對(duì)接種ADSCs后的生長(zhǎng)發(fā)育和功能形成所發(fā)揮的作用有待進(jìn)一步研究［20］。袁清獻(xiàn)等［21］以絲素蛋白和Ⅱ型膠原為支架材料打印網(wǎng)格狀的3D支架模型，通過(guò)力學(xué)性能試驗(yàn)測(cè)得支架彈性模量具有率相關(guān)性，在支架接種軟骨細(xì)胞后，細(xì)胞能夠在支架上粘附增殖，這表明3D打印的網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)的絲素蛋白-Ⅱ型膠原支架是適合軟骨細(xì)胞生長(zhǎng)的，滿足組織工程中骨關(guān)節(jié)的軟骨修復(fù)要求。連芩等［22］以引導(dǎo)受損組織再生為方向，通過(guò)選擇生物材料如聚乙二醇凝膠（PEG）、β-磷酸三鈣陶瓷（β-TCP）、聚乳酸（PLA）來(lái)開(kāi)發(fā)新的支架，驗(yàn)證了該支架在植入不久后使受損關(guān)節(jié)的生物力學(xué)環(huán)境明顯改善，有望為將來(lái)廣泛面積的骨關(guān)節(jié)軟骨缺損的再生恢復(fù)提供一種新的修復(fù)計(jì)劃。張維杰等［23］以雙相聚乙二醇/β-磷酸三鈣骨作為3D打印出來(lái)的復(fù)合支架材料，使用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法來(lái)研究軟骨下骨重建時(shí)微結(jié)構(gòu)參數(shù)變化及其重建時(shí)與軟骨修復(fù)的關(guān)系，它為修復(fù)骨關(guān)節(jié)缺損后的組織工程軟骨修復(fù)和軟骨下骨重建奠定基礎(chǔ)。使用3D打印技術(shù)在體外培養(yǎng)軟骨可明顯彌補(bǔ)以往軟骨修復(fù)的缺陷，為骨關(guān)節(jié)軟骨修復(fù)組織工程的發(fā)展提供了支持［24］。

4 3D打印技術(shù)在骨科關(guān)節(jié)中的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

作為一種創(chuàng)新技術(shù)，3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢(shì)，特別是在骨科關(guān)節(jié)的臨床實(shí)踐中，有效整合骨科關(guān)節(jié)的醫(yī)學(xué)解剖學(xué)教育、醫(yī)患溝通、臨床治療方案設(shè)計(jì)、關(guān)節(jié)置換的術(shù)后效果、骨關(guān)節(jié)軟骨修復(fù)的指導(dǎo)等多個(gè)環(huán)節(jié)。但同時(shí)也出現(xiàn)許多技術(shù)問(wèn)題：首先，在體外培養(yǎng)細(xì)胞的3D生物打印中，理想的“墨汁”不僅需要具有良好的可分解性和生物相容性，而且其支架還需要在打印成型后仍保留相宜的力學(xué)性能和較高的生物活性，但至今可以同時(shí)符合這些性質(zhì)要求的新型生物材料較難選擇；其次，3D打印技術(shù)中還存在以下問(wèn)題：打印機(jī)的局限性、打印過(guò)程的無(wú)菌問(wèn)題、倫理道德的挑戰(zhàn)。Wen等［25］認(rèn)為新型生物陶瓷具有良好的生物相容性、物理穩(wěn)定性、抗血栓效應(yīng)等性能，通過(guò)不同陶瓷材料來(lái)創(chuàng)造性結(jié)合成多孔陶瓷支架，可以高效和安全地修復(fù)軟骨缺損。此外，Pekkanen等［26］認(rèn)為3D打印模型結(jié)合超分子的聚合物可以增強(qiáng)支架模型的層間粘合力和細(xì)胞的感應(yīng)能力，使得支架的機(jī)械性能和細(xì)胞的生物活性得以提高。所以3D打印仍是其他成型方式難以企及的技術(shù)，是未來(lái)組織工程技術(shù)探索的熱門(mén)研究之一。隨著3D打印技術(shù)研究的不斷創(chuàng)新，其在骨科的關(guān)節(jié)置換等臨床實(shí)踐中有著非常廣闊的應(yīng)用前景。此外，許多國(guó)際相關(guān)研究中心早已使用3D打印技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)各類個(gè)性化的軟骨支架植入體，其在骨與軟骨組織工程領(lǐng)域的部分研究成果已應(yīng)用于骨科臨床中。這意外著，隨著我們?cè)谂R床中逐步克服組織工程技術(shù)在骨科關(guān)節(jié)的種種挑戰(zhàn)，3D打印將在骨科關(guān)節(jié)領(lǐng)域中大放異彩。