3D打印技術(shù)在關(guān)節(jié)置換方面的應(yīng)用研究及進(jìn)展

天津市薊州區(qū)人民醫(yī)院骨科 （天津 301900）

內(nèi)容提要： 3D打印技術(shù)是一種可將抽象三維數(shù)字模型轉(zhuǎn)變?yōu)橹庇^實物模型的打印技術(shù)，該技術(shù)在關(guān)節(jié)外科可實現(xiàn)對假體材料的個體制作。3D打印技術(shù)在關(guān)節(jié)置換方面能較好解決術(shù)中不同型號假體的選擇，提高術(shù)中假體安放位置的準(zhǔn)確性及矯正效果等，該技術(shù)可提高關(guān)節(jié)置換術(shù)的手術(shù)精準(zhǔn)度與手術(shù)療效。文章綜述3D打印技術(shù)在關(guān)節(jié)置換方面的應(yīng)用研究及應(yīng)用進(jìn)展。

3D打印是一種采用數(shù)字模型模板，通過樹脂、金屬粉末以及塑料等具有黏合性材料進(jìn)行逐層打印的立體打印技術(shù)，該技術(shù)具有快速成型優(yōu)勢。在近年來，3D打印技術(shù)不斷發(fā)展與成熟，如熔融沉積成型、選擇性激光燒結(jié)等技術(shù)的發(fā)展，使其在關(guān)節(jié)外科個體化假體定制方面發(fā)揮更好的作用，可有效解決在傳統(tǒng)的置換手術(shù)治療中不同患者對假體型號選擇不同的問題、對假體置入位置選擇以及對關(guān)節(jié)畸形的矯正問題，從而提高關(guān)節(jié)置換術(shù)的手術(shù)精準(zhǔn)度與手術(shù)療效[1]。本文主要以針對3D打印技術(shù)在當(dāng)前關(guān)節(jié)置換術(shù)治療應(yīng)用進(jìn)行綜述。

1.3D打印技術(shù)在髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中的應(yīng)用

1.1 實現(xiàn)了個體化的髖臼假體設(shè)計及制作

全髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)（THA）是一種通過人工假體代替無法發(fā)揮正常功能髖關(guān)節(jié)的術(shù)式，THA術(shù)可恢復(fù)患者髖關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性、指出作用及恢復(fù)關(guān)節(jié)的活動度。而對于發(fā)生發(fā)育性髖關(guān)節(jié)脫位（DDH）的患者，往往因髖臼發(fā)育異常導(dǎo)致其髖臼形態(tài)發(fā)生改變，臨床對于此類患者的髖臼重建相對困難，而通過應(yīng)用3D打印可精確打印出患者髖臼假體的立體模型，從而使醫(yī)師可在術(shù)前能更加直觀地了解患者的髖臼形態(tài)特征以及其相應(yīng)的解剖關(guān)系，有利于術(shù)前制作出患者髖臼假體并進(jìn)行模擬手術(shù)，提高術(shù)中假體的匹配程度以及假體的穩(wěn)定性。王彭等[2]將18例兒童DDH患者分為3D打印組（8例）與常規(guī)組（10例），3D打印組通過3D打印制作仿真模型及手術(shù)導(dǎo)板，常規(guī)組進(jìn)行常規(guī)手術(shù)治療，其研究結(jié)果提示，3D打印組相比于常規(guī)組的手術(shù)時間更短，術(shù)中出血量、透視次數(shù)相對更少，且3D打印組的Mackay評分優(yōu)良率相對更高，提示采用3D打印結(jié)合計算機輔助導(dǎo)板設(shè)計在DDH臨床治療中可發(fā)揮明確療效。黃殿華等[3]應(yīng)用3D打印技術(shù)打印三角骨塊導(dǎo)板治療兒童DDH患者，其研究提示，兒童DDH患者應(yīng)用3D打印技術(shù)打印三角骨塊導(dǎo)板結(jié)合Salter骨盆截骨術(shù)治療中，施術(shù)者能在術(shù)前更好評估患兒矯正后髖臼指數(shù)與髖臼前傾角度數(shù)，便于準(zhǔn)確制定手術(shù)治療方案，提高手術(shù)療效。

1.2 強化對髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)髖臼骨的缺損有效處理

髖關(guān)節(jié)發(fā)生無菌性松動或骨溶解患者常需采用髖臼翻修術(shù)進(jìn)行治療，此類疾病患者需進(jìn)行翻修的髖臼部分往往出現(xiàn)不同程度的骨缺損癥狀，對于骨缺損的干預(yù)處理方法是該術(shù)式治療的難點[4]。在進(jìn)行髖臼翻修術(shù)治療當(dāng)中，若患者存在有巨大的骨缺損或骨盆發(fā)生連續(xù)中斷時，需采用髖臼加強環(huán)以恢復(fù)患者該處髖臼完整性與連續(xù)性。而傳統(tǒng)的髖臼加強環(huán)在臨床應(yīng)用過程中存在個體化程度相對較低、多孔涂層少以及無法提供長期性的生物固定等缺陷。通過應(yīng)用3D打印技術(shù)定制個體化的髖臼加強環(huán)能有效增加多孔涂層數(shù)量，該技術(shù)制作髖臼加強環(huán)的個體化程度高，能起到完全修復(fù)髖臼骨缺損并促進(jìn)骨長入的作用，從而使假體獲得更強、更長久的穩(wěn)定性。Li等[5]通過3D打印制作具有個體化的鉭金屬質(zhì)髖臼加強環(huán)，并將其應(yīng)用于24例髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)患者的臨床治療當(dāng)中，術(shù)后的持續(xù)性隨訪（平均67個月）顯示，患者術(shù)后HHS評分與術(shù)前相比，從36分提高到了82分，同時，患者的髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心位置在干預(yù)后均可恢復(fù)到正常解剖位。劉珂等[6]將3D打印技術(shù)應(yīng)用到Paprosky-Ⅳ型髖臼骨缺損髖關(guān)節(jié)翻修手術(shù)當(dāng)中，其研究結(jié)果提示，術(shù)后患者髖臼側(cè)骨缺損均被打印填充塊完整修補，打印骨缺損髖臼的填充塊能有效解剖并修復(fù)髖臼，在提高髖關(guān)節(jié)翻修手術(shù)療效與成功率方面具有重要意義。

1.3 促進(jìn)股骨導(dǎo)航模板的個體化制作水平

髖關(guān)節(jié)表面置換術(shù)（SRA）相比于傳統(tǒng)THA術(shù)可有效保留患者股骨頭、降低對界面的磨損程度并減少術(shù)中截骨量，該術(shù)式在臨床上具有更高的應(yīng)用價值，但該術(shù)式術(shù)后易導(dǎo)致患者發(fā)生股骨頸骨折等癥狀，從而導(dǎo)致患者的手術(shù)治療結(jié)果失敗。SRA術(shù)后患者股骨頸骨折癥狀發(fā)生的原因主要為SRA術(shù)中對股骨假體定位不明確，因此，術(shù)中正確引導(dǎo)股骨假體定位是作為SRA術(shù)成功的一個關(guān)鍵因素。Du等[7]在其研究中針對髖關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎患者在進(jìn)行CT掃描基礎(chǔ)上，結(jié)合應(yīng)用3D打印個體化的股骨頭截骨模板進(jìn)行置換，經(jīng)術(shù)后影像學(xué)檢查提示患者術(shù)后假體柄干角相比傳統(tǒng)SRA術(shù)明顯更高；該研究顯示，3D打印技術(shù)有助于促進(jìn)股骨導(dǎo)航模板的個體化制作水平，縮短手術(shù)時間、提高假體置入準(zhǔn)確性同時降低并發(fā)癥發(fā)生率。

2.3D打印技術(shù)在膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中的應(yīng)用

2.1 實現(xiàn)了個體化的截骨定位模板設(shè)計及制作

不同患者的膝關(guān)節(jié)大小、形態(tài)等存在一定差別，且在當(dāng)前臨床上使用的常規(guī)機械引導(dǎo)裝置、截骨工具等是基于歐美人種的解剖學(xué)特點設(shè)計制作的，針對于我國進(jìn)行全膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)（TKA）治療的患者其精確度與匹配度較低，在TKA術(shù)后患者的下肢力線對位誤差超過3°的概率＞10%。而相比之下，采用3D打印輔助TKA截骨術(shù)（PSI術(shù)）可通過3D打印設(shè)計并制作個體化的截骨定位模板進(jìn)行膝關(guān)節(jié)截骨治療。該方法治療后患者下肢的力線對位誤差相對較小，PSI術(shù)具有截骨的精確度高、手術(shù)治療時間較短且術(shù)后損傷較輕等優(yōu)勢。Ferrara等[8]研究提示，采用PSI術(shù)治療相比于應(yīng)用傳統(tǒng)截骨手術(shù)治療患者的手術(shù)時間更短，且患者在術(shù)中的出血量更少，通過PSI術(shù)治療后患者的股骨假體旋轉(zhuǎn)對位改善作用更加明確。李凡等[9]研究中，通過快速反求技術(shù)以及3D打印制造個體化的全膝關(guān)節(jié)置換截骨導(dǎo)向器，并應(yīng)用于治療10例全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)患者，其研究結(jié)果表明，患者在術(shù)后均恢復(fù)至滿意的膝關(guān)節(jié)活動度以及正常下肢力線，通過3D打印技術(shù)打印截骨導(dǎo)向器可于膝關(guān)節(jié)置換術(shù)前定制準(zhǔn)確的手術(shù)方案，該技術(shù)可簡化手術(shù)操作步驟并提高手術(shù)治療效果。Heyse等[10]研究表明，PSI術(shù)治療患者術(shù)后股骨假體旋轉(zhuǎn)的對位情況相比傳統(tǒng)截骨術(shù)治療效果更明顯。但也有研究者表明，PSI術(shù)與傳統(tǒng)的截骨術(shù)治療效果并無明顯的差異。

2.2 有效處理膝關(guān)節(jié)翻修術(shù)骨缺損癥狀

骨缺損是膝關(guān)節(jié)翻修手術(shù)治療常見一類癥狀，臨床針對膝關(guān)節(jié)翻修骨缺損的修復(fù)方法多樣，但傳統(tǒng)骨缺損修復(fù)法在針對部分累及至干骺端以及骨干部位骨缺損的修復(fù)效果相對不理想，臨床需采取其他方法進(jìn)行骨缺損修復(fù)。相比之下，多孔結(jié)構(gòu)金屬鉭墊塊生物相容性相對較好，且其具更明顯的多孔特性，可提供更好的結(jié)構(gòu)支持與穩(wěn)定性，當(dāng)前臨床開始逐漸應(yīng)用多孔結(jié)構(gòu)金屬鉭墊塊修復(fù)膝關(guān)節(jié)翻修手術(shù)中的巨大骨缺損癥狀，且該技術(shù)治療取得的中、短期的效果相對理想。但骨缺損形態(tài)各異，實際治療應(yīng)用中，多孔結(jié)構(gòu)金屬鉭墊塊仍存在與骨缺損的匹配程度低等缺陷，相比之下，由3D打印技術(shù)構(gòu)造新型的多孔結(jié)構(gòu)金屬鉭墊塊可克服傳統(tǒng)多孔結(jié)構(gòu)金屬鉭墊塊的缺陷，使多孔結(jié)構(gòu)金屬鉭墊塊更具個體化，能針對膝關(guān)節(jié)翻修術(shù)骨缺損進(jìn)行更有效的干預(yù)處理。

3.小結(jié)

當(dāng)前3D打印技術(shù)在關(guān)節(jié)置換手術(shù)中的應(yīng)用逐漸廣泛，特別針對于進(jìn)行髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)治療患者，該技術(shù)應(yīng)用的研究也在不斷深入。但在日后臨床研究中還需進(jìn)一步提高3D打印技術(shù)在假體制作中的作用，以加快對置換假體的制作水平與速度，縮短假體制作的周期，并拓展3D打印技術(shù)的臨床應(yīng)用范圍。對于3D打印假體的材料及工藝的創(chuàng)新研究仍需不斷進(jìn)行，以在未來中制作出含細(xì)胞成分、人體血管結(jié)構(gòu)以及神經(jīng)結(jié)構(gòu)等新型假體，以更有效促進(jìn)關(guān)節(jié)置換手術(shù)患者的骨組織生長，提高假體在體內(nèi)的穩(wěn)定性與有效性。