3D打印技術(shù)在骨科中的應(yīng)用研究進(jìn)展

越雷,孫浩林,李淳德

(北京大學(xué)第一醫(yī)院，北京100011)

3D打印技術(shù)是一項(xiàng)能夠使電子信號轉(zhuǎn)化為三維實(shí)體模型或零件的技術(shù)，讓人們能夠把想象轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)物品。目前，醫(yī)療相關(guān)3D打印主要用于創(chuàng)建個(gè)體化的組織、器官、血管和生物再生支架以及新的植入物和修復(fù)體等方面。而在骨科領(lǐng)域的3D打印技術(shù)開展最早，如今運(yùn)用也最為廣泛。3D打印主要分為數(shù)據(jù)獲取、三維模型設(shè)計(jì)、層截面的創(chuàng)造與增加三個(gè)主要步驟，常見的打印方式有立體光刻成型(SLA)、選擇性激光燒結(jié)成型(SLS)、熔融擠壓快速成型(FDM)、分層實(shí)體制造成型(LOM)、噴墨打印技術(shù)、選擇性激光融合(SLM)6種，常見材料有燒結(jié)金屬粉末、不銹鋼、鎳鈦諾、鈦金屬、陶瓷、塑料、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PKK)?，F(xiàn)將3D技術(shù)在骨科的應(yīng)用進(jìn)展綜述如下。

1 醫(yī)學(xué)教育與訓(xùn)練

3D打印模型在澳洲已經(jīng)被用于學(xué)生的解剖課堂，讓學(xué)生能夠親自觀察學(xué)習(xí)解剖標(biāo)本，特別是一些少見的、脆弱的標(biāo)本[1]。另外，也有學(xué)者用3D打印模型探索尚未明確的創(chuàng)傷骨科分型[2]。Adams等[3]發(fā)現(xiàn)，3D打印模型和實(shí)際標(biāo)本的形狀和尺寸都沒有明顯差異。Guitton等[4]發(fā)現(xiàn)，在骨科分型方面，3D打印模型與傳統(tǒng)影像學(xué)圖像對橈骨頭骨折的改良Mason分型準(zhǔn)確性更高。而且，3D打印模型也可以用于高難度、高風(fēng)險(xiǎn)手術(shù)的訓(xùn)練過程[5]，這樣的訓(xùn)練能使外科醫(yī)生對患者進(jìn)行外科操作時(shí)更有把握，同時(shí)也縮短了外科醫(yī)生對于高難度手術(shù)的學(xué)習(xí)曲線。

2 手術(shù)模型和導(dǎo)板

術(shù)前規(guī)劃是每一位骨科醫(yī)生的基本功，傳統(tǒng)術(shù)前規(guī)劃的影像學(xué)資料往往基于X線、MRI、CT以及三維重建CT等，而這些傳統(tǒng)的影像學(xué)資料應(yīng)對復(fù)雜病例時(shí)往往捉襟見肘?；诨颊哔Y料的3D打印模型、3D打印手術(shù)導(dǎo)板，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛被用于骨科手術(shù)。

術(shù)前利用3D打印模型可以讓外科醫(yī)生預(yù)測術(shù)中可能出現(xiàn)的困難和并發(fā)癥，以及選擇最佳手術(shù)入路和手術(shù)器械，并且這類3D打印模型可以消毒后在術(shù)中手術(shù)臺上供醫(yī)生參考。目前，3D打印模型已經(jīng)成功被運(yùn)用于脊柱、四肢和骨盆手術(shù)的術(shù)前規(guī)劃當(dāng)中。Guarino等[6]將3D打印模型運(yùn)用于13例兒童先天性脊柱和骨盆畸形手術(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)3D打印模型對于改善術(shù)前規(guī)劃、醫(yī)患交流和手術(shù)安全性具有明顯的效果。Hurson等[7]通過研究20例髖臼骨折的術(shù)前3D打印模型發(fā)現(xiàn)，通過術(shù)前參考模型能夠減小不同醫(yī)生對于分型的人為誤差，這一點(diǎn)對于那些經(jīng)驗(yàn)不豐富的骨科醫(yī)生來說尤為關(guān)鍵。Li等[8]的研究納入37例復(fù)發(fā)型腰椎間盤突出癥的患者，發(fā)現(xiàn)術(shù)前采用3D打印模型規(guī)劃者在減少手術(shù)時(shí)間和失血量方面有明顯的優(yōu)勢。Xiao等[9]認(rèn)為，對于頸椎腫瘤的椎體全切術(shù)而言，3D打印模型輔助的術(shù)前規(guī)劃，可以提供更直觀、更豐富的信息，并認(rèn)為利用3D打印模型進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃對頸椎椎體腫瘤治療十分有必要。Hughes等[10]通過運(yùn)用2例3D打印模型后進(jìn)行髖關(guān)節(jié)翻修手術(shù)，術(shù)前在模型上試驗(yàn)內(nèi)植入物和模擬手術(shù)過程，從而更好完成術(shù)前規(guī)劃，提高準(zhǔn)確性和安全性。

3D打印手術(shù)導(dǎo)航模板是以影像學(xué)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過3D建模、打印技術(shù)的一種個(gè)體化、精準(zhǔn)化的手術(shù)輔助工具。Pérez-Mananes等[11]通過對比8例3D截骨導(dǎo)板引導(dǎo)下和20例常規(guī)方法進(jìn)行開放脛骨高位截骨術(shù)，發(fā)現(xiàn)減少了手術(shù)時(shí)間和透視次數(shù)，同時(shí)截骨位置和角度更準(zhǔn)確。3D打印脊柱輔助置釘導(dǎo)板按導(dǎo)板引導(dǎo)用途分為引導(dǎo)定位型、引導(dǎo)鉆孔型、引導(dǎo)置釘型及引導(dǎo)定位、鉆孔和置釘三者組合使用的復(fù)合型[12]。Shao等[13]研究發(fā)現(xiàn)，3D打印手術(shù)導(dǎo)板可使腰椎經(jīng)椎弓根釘?shù)闹冕斀嵌饶軌蜃龅脚cPACS影像系統(tǒng)中的角度沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，因此該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為3D打印手術(shù)導(dǎo)板能夠提高置釘?shù)臏?zhǔn)確性；Pijpker等[14]運(yùn)用3D打印手術(shù)導(dǎo)板對5具尸體的頸椎和上胸椎后方進(jìn)行86次置釘，發(fā)現(xiàn)置釘?shù)奈恢煤徒嵌染咏A(yù)計(jì)范圍，效果令人滿意。而Merema等[15]認(rèn)為，3D打印手術(shù)導(dǎo)板對于髖臼骨折手術(shù)的優(yōu)勢在于可以根據(jù)患者的骨盆形狀和骨折類型個(gè)體化定制，術(shù)前就能確定置釘類型和角度，從而得到良好的臨床效果?？梢?，3D打印手術(shù)導(dǎo)航模板將手術(shù)導(dǎo)航工作放在術(shù)前完成，對于骨折精確復(fù)位、輔助螺釘?shù)葍?nèi)固定植入物能夠到達(dá)既定位置，提高手術(shù)的準(zhǔn)確率具有確切的作用，并且最大程度縮短簡化了手術(shù)的過程。

3 個(gè)性化植入物

骨科手術(shù)為了糾正畸形和恢復(fù)功能，經(jīng)常需要使用到內(nèi)植入物和假體。常規(guī)的植入物和假體基本能滿足大部分病例的需求，但是對一些常規(guī)尺寸不適用或者常規(guī)植入物或假體無法匹配疾病缺損的情況，可能需要外科醫(yī)生在術(shù)中費(fèi)力地去修整植入物。然而，3D打印卻能術(shù)前就可以為患者量身定做個(gè)性化的植入物，從而提高手術(shù)的效率和效果。同時(shí)，內(nèi)植物的微孔設(shè)計(jì)是骨科3D打印內(nèi)植物最顯著也是最重要的特征之一。金屬微孔可供骨組織長入的現(xiàn)象，在金屬3D打印內(nèi)植物問世之前就已經(jīng)被觀察到，故有人形象地稱之為“金屬骨小梁”[16]。Feng等[17]通過對比分別采用普通鋼板和3D打印鋼板治療肱骨髁間骨折，發(fā)現(xiàn)采用3D打印鋼板可以在不影響療效的情況下，明顯縮短手術(shù)時(shí)間。Spetzqer等[18]通過采集患者影像學(xué)信息后，運(yùn)用3D打印出具有骨小梁結(jié)構(gòu)的鈦金屬頸椎椎間融合器，患者術(shù)后功能恢復(fù)理想，作者推測這種個(gè)性化的椎間融合器具有更好的生物力學(xué)穩(wěn)定性。Xu等[19]對1例12歲的Ewing肉瘤患者進(jìn)行C2椎體全切后，置入根據(jù)患者CT信息定制的3D打印鈦?zhàn)刁w補(bǔ)充C1和C3之間的缺損，認(rèn)為3D打印鈦?zhàn)刁w緊密的貼合具有穩(wěn)定性好、骨愈合佳的優(yōu)勢。Kieser等[20]回顧 36例接受3D打印植入物填補(bǔ)骨缺損的病例，發(fā)現(xiàn)患者術(shù)后功能和影像學(xué)表現(xiàn)明顯優(yōu)于術(shù)前，無一例發(fā)生假體無菌性松動。

4 組織工程

組織支架是細(xì)胞生長、增殖、分化的承載體，與相應(yīng)的細(xì)胞有效結(jié)合后，細(xì)胞分化與分裂可形成組織和器官。將此復(fù)合體植入體內(nèi)替代病變組織或填補(bǔ)缺損時(shí)，細(xì)胞在體內(nèi)微環(huán)境中依附支架繼續(xù)生長、增殖，直至達(dá)到修復(fù)病變組織的目的。Lee等[21]利用生物材料經(jīng)3D打印多孔半月板支架，當(dāng)從3D打印的人類半月板支架的微通道釋放結(jié)締組織生長因子和轉(zhuǎn)化生長因子β3時(shí)，內(nèi)源性間充質(zhì)干細(xì)胞受到誘導(dǎo)分化并合成區(qū)特異性Ⅰ型和Ⅱ型膠原，同時(shí)內(nèi)源性細(xì)胞通過區(qū)特異性基質(zhì)表型再生彎月面可見主要在外區(qū)的Ⅰ型膠原和在內(nèi)區(qū)的Ⅱ型膠原，這與正常的半月板的組織結(jié)構(gòu)幾乎相同。Tarafder等[22]在大鼠股骨內(nèi)采用磷酸三鈣、氧化鍶和氧化鎂3D打印制作的多孔支架內(nèi)可見明顯骨形成和礦物質(zhì)形成，能較常規(guī)支架更快促進(jìn)骨缺損修復(fù)。Ding等[23]采用3D打印技術(shù)利用聚乳酸和羥基磷灰石制作組織支架，然后將軟骨細(xì)胞和骨髓基質(zhì)細(xì)胞接種至支架中，在山羊股骨頭內(nèi)得到了與天然股骨頭相似的剛性骨樣組織，研究者推測3D打印組織支架形成的再生生物關(guān)節(jié)可能對于受損關(guān)節(jié)的治療具有重要作用。但是，目前此類試驗(yàn)仍局限于動物和人體外試驗(yàn)，能否將結(jié)果復(fù)制于人體亟待進(jìn)一步研究。然而，Jariwala等[24]認(rèn)為3D打印骨支架很可能將來徹底改變骨缺損的治療方式。

5 個(gè)性化支具

支具治療作為骨科疾病的一種重要的保守治療方式，在治療骨折、畸形、運(yùn)動損傷等方面具有確切的效果。但是，傳統(tǒng)制作支具工藝繁瑣、制作者水平參差不齊、治療效果有限。近年來3D打印逐漸運(yùn)用于支具的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)當(dāng)中，相比傳統(tǒng)獲取的資料更準(zhǔn)確、工藝制作耗時(shí)更短、制作的誤差更小[25]。Dombroski等[26]通過對比傳統(tǒng)方法和3D打印技術(shù)制作足踝支具發(fā)現(xiàn)，3D打印支具對于內(nèi)側(cè)縱韌帶的活動限制作用優(yōu)于傳統(tǒng)支具。Weiss等[27]認(rèn)為，對于脊柱側(cè)彎患者而言，傳統(tǒng)對稱的Boston支具治療有效率約為72%，而根據(jù)側(cè)彎設(shè)計(jì)的不對稱Chêneau支具有效率約為80%；然而，根據(jù)患者個(gè)體情況3D打印的支具能夠在保證矯形的情況下，同時(shí)具有佩戴輕盈舒適可調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，增加了患者的佩戴時(shí)間和依從性，其治療有效率可達(dá)90%。

6 手術(shù)器械

為了更好地滿足個(gè)性化醫(yī)療的需求，適應(yīng)個(gè)性化材料的使用，必然需要與之相配套的個(gè)性化的手術(shù)器械，而3D打印使之成為可能。同時(shí)3D打印可以降低手術(shù)器械的成本。Timothy等[28]研究發(fā)現(xiàn)，采用FDM技術(shù)打印聚乳酸制成的手術(shù)拉鉤，制作時(shí)間平均為90 min，成本為同型號的不銹鋼拉鉤的1/10，且具有良好的力學(xué)特性。而Mayilvaganan等[29]應(yīng)用SLS技術(shù)打印手術(shù)器械(止血鉗、持針器、手術(shù)刀柄、拉鉤、鑷子等)，通過評估發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的手術(shù)器械相比，3D打印手術(shù)器械能夠減少制作時(shí)間，同時(shí)也能按照外科醫(yī)生偏好進(jìn)行手術(shù)器械調(diào)整、創(chuàng)新甚至推廣。同時(shí)，對于一些昂貴手術(shù)器械，基層醫(yī)院可通過3D打印技術(shù)以較低的成本使用這些原來難以獲取的手術(shù)器械。

綜上所述，由于骨組織為固態(tài)組常涉及植入物，3D打印在骨科中運(yùn)用甚為廣泛。在醫(yī)學(xué)教育和操作的培訓(xùn)中，3D打印模型可以讓學(xué)員通過更形象的方式學(xué)習(xí)人體形態(tài)學(xué)知識或者在零風(fēng)險(xiǎn)的打印模型上進(jìn)行有創(chuàng)操作以縮短學(xué)習(xí)曲線；3D打印也能讓患者對于自己體內(nèi)的病變部位有一定的了解，從而改善醫(yī)患關(guān)系。根據(jù)術(shù)前患者資料而個(gè)體化打印出的模型可以增加外科醫(yī)生對于手術(shù)部位結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，特別是對于畸形結(jié)構(gòu)、復(fù)雜骨折和翻修手術(shù)的術(shù)前規(guī)劃；而根據(jù)個(gè)性化的手術(shù)導(dǎo)板能夠讓手術(shù)大到與術(shù)前在影像上設(shè)想幾乎相同的效果，讓手術(shù)更加精準(zhǔn)也更加安全。內(nèi)植入物為目前3D打印應(yīng)用最廣也是最重要的領(lǐng)域，2010年美國FDA批準(zhǔn)3D打印鈦合金髖臼關(guān)節(jié)杯InteGrip的使用，2013年美國FDA批準(zhǔn)3D打印腰椎椎間融合器Tesara的使用，而在2015、2016年中國藥監(jiān)局批準(zhǔn)了3D打印人工髖關(guān)節(jié)和3D打印人工椎體的使用。在此基礎(chǔ)上，更多的關(guān)節(jié)和脊柱外科的內(nèi)植入物正在研發(fā)過程之中，如膝關(guān)節(jié)假體、關(guān)節(jié)修補(bǔ)墊和自穩(wěn)型人工椎體等。生物工程為當(dāng)前骨科3D打印技術(shù)的另一個(gè)熱門領(lǐng)域，3D打印出的含有分化和生長因子的多孔微結(jié)構(gòu)構(gòu)建生物相容性支架已經(jīng)在研究中被證實(shí)可以誘導(dǎo)干細(xì)胞分化、生長。目前生物工程組織支架的兩個(gè)最大的制約因素為有限的分辨率和屈指可數(shù)的材料種類。3D打印支具也因準(zhǔn)確性高、舒適，同時(shí)也能合理地騰出傷口恢復(fù)的窗口，被證實(shí)有更好的依從性和臨床療效。3D打印手術(shù)器械在能夠保證功能的條件下，最大程度削減了成本，對于個(gè)性化醫(yī)療及新興手術(shù)器械的推廣具有深遠(yuǎn)意義。