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

王春鵬，楊海嬌，張成，崔建強(qiáng)，孟永春，徐林

(濱州醫(yī)學(xué)院煙臺(tái)附屬醫(yī)院手足外科，山東 煙臺(tái) 264006)

3D打印，又稱為添加制造或快速成型技術(shù)，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用黏合材料，通過(guò)逐層打印的方式創(chuàng)建實(shí)體的技術(shù)。2012年，蘇格蘭學(xué)者應(yīng)用3D打印技術(shù)打印出人造肝臟組織，標(biāo)志著3D打印技術(shù)首次進(jìn)入醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[1-2]。近年來(lái)，3D打印技術(shù)在骨科中的應(yīng)用也實(shí)現(xiàn)了巨大飛躍，從最初的3D打印模型到應(yīng)用于臨床手術(shù)操作的3D打印導(dǎo)板、3D打印假體，依托于CT、磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)影像學(xué)圖像的3D打印技術(shù)越來(lái)越受到骨科醫(yī)師的關(guān)注和重視。3D打印技術(shù)的應(yīng)用使復(fù)雜的手術(shù)簡(jiǎn)單化，優(yōu)化了手術(shù)方案，減少了對(duì)機(jī)體的損傷，提高了手術(shù)質(zhì)量，為臨床醫(yī)師提供了一種新的思路和方法，3D打印技術(shù)已在假肢、人造骨、手術(shù)輔助等方面得到探索和應(yīng)用，已成為滿足個(gè)性化需求的重要途徑[3]。現(xiàn)就3D打印技術(shù)在骨科領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展予以綜述。

1 3D打印模型在骨科中的應(yīng)用

通常可通過(guò)X線片、CT、MRI等影像學(xué)圖像判讀骨折的部位、范圍以及嚴(yán)重程度。但是對(duì)于一些臨床學(xué)生或低年資的醫(yī)師來(lái)說(shuō)，可能很難通過(guò)二維圖像對(duì)骨折有一個(gè)全面的理解。與傳統(tǒng)的影像學(xué)圖像相比，3D打印的1∶1實(shí)物模型具有獨(dú)特的直觀性、可觸摸性和體外操作性[4]。借助3D打印模型可以充分了解骨折塊間的三維結(jié)構(gòu)、明確骨折的分類、了解各骨折碎塊間的關(guān)系[5-6]。3D打印模型還可用于術(shù)前的醫(yī)患溝通，可以從多個(gè)視角對(duì)骨折進(jìn)行觀察，賦予了視覺(jué)上和觸覺(jué)上的全新體驗(yàn)，簡(jiǎn)化了對(duì)復(fù)雜骨折的評(píng)估。

3D打印模型是將患者的CT、MRI影像學(xué)數(shù)據(jù)以DICOM格式導(dǎo)出，導(dǎo)入到Mimics軟件中，利用該軟件設(shè)計(jì)1∶1的3D虛擬模型，將其導(dǎo)出到STL格式文件夾內(nèi)并使用3D打印機(jī)打印。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的復(fù)雜骨折患者在3D模型輔助下得以更好地進(jìn)行術(shù)前評(píng)估，并制訂優(yōu)良的手術(shù)治療方案[7]。

術(shù)前根據(jù)3D打印模型可以推演出手術(shù)操作中潛在的困難，從而可以選擇最佳的手術(shù)方案，減少對(duì)患者的損傷以及術(shù)中儀器設(shè)備的使用[8]。術(shù)前在真實(shí)比例大小的3D打印模型上模擬手術(shù)操作，可以確定手術(shù)入路、復(fù)位和內(nèi)固定的理想順序，確定內(nèi)固定物放置的最佳位置并對(duì)預(yù)后進(jìn)行預(yù)估。內(nèi)固定物的放置由骨折線的方向和位置決定[9]，內(nèi)固定物的模擬包括鋼板的方向、大小，螺釘?shù)奈恢?、方向、長(zhǎng)度及數(shù)量。術(shù)后許多并發(fā)癥的發(fā)生與內(nèi)固定物的位置、長(zhǎng)度等有關(guān)，如螺釘過(guò)長(zhǎng)可能會(huì)造成肌腱的磨損和斷裂；螺釘進(jìn)入到關(guān)節(jié)內(nèi)會(huì)影響關(guān)節(jié)活動(dòng)等，通過(guò)在3D打印模型上進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃可避免或減少并發(fā)癥發(fā)生。另有報(bào)道指出，可根據(jù)患者的具體情況，利用3D打印技術(shù)打印個(gè)性化鋼板內(nèi)固定物，個(gè)性化內(nèi)植入物的使用可簡(jiǎn)化手術(shù)步驟，減少組織損傷。Chung等[10]報(bào)道，可使用3D打印模型在術(shù)前對(duì)鋼板進(jìn)行預(yù)彎。3D打印模型具有簡(jiǎn)單、方便、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)初學(xué)內(nèi)固定置釘者尤為適用，有助于克服心理難關(guān)[11]。

3D打印模型可以準(zhǔn)確顯示骨折的部位及嚴(yán)重程度，明確骨折的類型，提升臨床教學(xué)質(zhì)量，方便醫(yī)師間及醫(yī)患間的交流和溝通，并能夠?qū)崿F(xiàn)良好的術(shù)前規(guī)劃設(shè)計(jì)，減少術(shù)中決策，降低術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生率，提高患者的滿意度。

2 3D打印截骨導(dǎo)板在骨科中的應(yīng)用

骨骼畸形不僅影響美觀，還可能導(dǎo)致功能受損，需要截骨矯形改變骨骼外形改善患者的功能。對(duì)于截骨矯形手術(shù)，尤其是多平面、多層次的復(fù)雜截骨矯形，如何提高截骨的精確性、減少對(duì)患者的損傷、快速安全地完成手術(shù)操作是骨科臨床治療的重點(diǎn)。3D打印導(dǎo)板輔助下的截骨矯形術(shù)為截骨矯形提供了一種新的手術(shù)操作方式。利用3D打印導(dǎo)板可以保證截骨矯形手術(shù)的精確性，有助于達(dá)到理想的截骨狀態(tài)。

3D打印個(gè)性化截骨導(dǎo)板的制備首先是要獲取患者的CT或MRI影像學(xué)圖像，將圖像信息導(dǎo)入Mimics軟件進(jìn)行三維重建，通過(guò)鏡像技術(shù)將健側(cè)與畸形側(cè)圖像進(jìn)行疊加，明確畸形位置和畸形程度。隨后，在畸形愈合區(qū)域設(shè)置虛擬切割平面，旋轉(zhuǎn)移動(dòng)切割下的骨塊使其與健側(cè)相匹配，設(shè)計(jì)出個(gè)性化的3D打印截骨導(dǎo)板，用3D打印機(jī)打印出導(dǎo)板實(shí)物。目前3D打印個(gè)性化截骨導(dǎo)板在臨床截骨矯形中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

橈骨遠(yuǎn)端畸形愈合是橈骨遠(yuǎn)端骨折的常見(jiàn)并發(fā)癥，5%的橈骨遠(yuǎn)端骨折會(huì)出現(xiàn)橈骨遠(yuǎn)端畸形愈合[12]。實(shí)施截骨矯形手術(shù)必須進(jìn)行精準(zhǔn)的操作，利用3D打印技術(shù)可以很好地應(yīng)對(duì)橈骨遠(yuǎn)端復(fù)雜畸形的截骨矯形，優(yōu)化截骨矯形術(shù)的效果[13-14]。Honigmann等[13]的研究發(fā)現(xiàn)，3D打印導(dǎo)板輔助下的橈骨遠(yuǎn)端掌側(cè)楔形截骨矯形術(shù)的平均手術(shù)時(shí)間為60 min，不使用導(dǎo)板的手術(shù)時(shí)間為90 min。3D打印技術(shù)對(duì)兒童前臂畸形截骨矯形的初步效果較好，所有患兒的前臂旋轉(zhuǎn)度較前有明顯改善(均>120°)，并可提高下尺橈關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性[14]。下頜骨不僅會(huì)影響面部輪廓及美觀，還具有咬合及咀嚼等功能，Stoker等[15]率先將3D打印模型應(yīng)用于顱頜面手術(shù)的術(shù)前模擬，首次將3D打印技術(shù)與顱頜面外科相結(jié)合，成功的手術(shù)不僅可以改善臉型和下頜角的形態(tài)，還不影響正?？谇坏纳砉δ躘16-17]。Xiao等[16]的研究指出，3D打印導(dǎo)板輔助下行截骨的患者術(shù)后恢復(fù)平穩(wěn)，未出現(xiàn)明顯感染、面部麻痹、骨壞死或骨骼移位，下頜角的角度以及下頜骨寬度均得到明顯改善。對(duì)于脛骨截骨，選擇合適的截骨平面是成功實(shí)現(xiàn)高位楔形脛骨截骨術(shù)的必要條件。Yang等[18]報(bào)道了7例接受3D打印導(dǎo)板輔助下行脛骨截骨的患者，門(mén)診隨訪治療效果令人滿意。使用3D打印導(dǎo)板行脛骨高位楔形截骨可以縮短手術(shù)時(shí)間，并在減少透視次數(shù)的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)高精度軸向校正[19]。

與傳統(tǒng)截骨矯形相比，3D打印截骨導(dǎo)板輔助下的截骨矯形可以進(jìn)行精確的術(shù)前規(guī)劃設(shè)計(jì)，截骨平面定位準(zhǔn)確，減少了術(shù)中人為失誤，提高了手術(shù)的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)對(duì)手術(shù)效果的預(yù)估，降低了手術(shù)并發(fā)癥的發(fā)生率，避免術(shù)中過(guò)度矯形或矯形不足，在術(shù)后功能改善方面也取得了不錯(cuò)的效果。尤其是對(duì)于復(fù)雜的多平面截骨，傳統(tǒng)截骨手術(shù)方式對(duì)于術(shù)者的技術(shù)要求較高，截骨難度大，截骨失敗不僅影響外形美觀，還可能損傷患者功能。此外，個(gè)體差異也會(huì)增加截骨難度，3D打印個(gè)性化導(dǎo)板輔助下的截骨簡(jiǎn)化了手術(shù)流程，降低了截骨的復(fù)雜性。3D打印導(dǎo)板技術(shù)已經(jīng)在臨床截骨矯形手術(shù)中取得了成功，3D打印導(dǎo)板輔助下的截骨矯形術(shù)的臨床療效肯定。

3 3D打印導(dǎo)航導(dǎo)板在骨科中的應(yīng)用

3D打印導(dǎo)航導(dǎo)板為骨折內(nèi)固定物的置入提供了一種新的手術(shù)操作方式，符合現(xiàn)代醫(yī)學(xué)個(gè)性化治療的要求。3D打印導(dǎo)航導(dǎo)板的設(shè)計(jì)是將患者CT圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Mimics軟件中，重建骨折的三維模型，將局部作增厚處理為底基，利用軟件操作在底基上確定導(dǎo)板導(dǎo)孔通道的方向，并且可以測(cè)量螺釘?shù)拈L(zhǎng)度和直徑，設(shè)計(jì)好的導(dǎo)板以STL格式導(dǎo)出，利用打印機(jī)進(jìn)行打印。3D打印導(dǎo)航導(dǎo)板的應(yīng)用降低了手術(shù)操作的難度，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)固定物的精確置入，減少了患者的損傷，降低了并發(fā)癥的發(fā)生率。

3D打印導(dǎo)航導(dǎo)板臨床應(yīng)用療效確切。劉毅等[20]將3D打印導(dǎo)板技術(shù)應(yīng)用于骶髂關(guān)節(jié)螺釘?shù)闹萌?，術(shù)后6個(gè)月隨訪發(fā)現(xiàn)，5例骨盆后環(huán)骶髂關(guān)節(jié)復(fù)合體損傷患者M(jìn)aieed評(píng)分均為優(yōu)。該術(shù)式極大地簡(jiǎn)化了骶髂關(guān)節(jié)螺釘置入的操作流程，與傳統(tǒng)術(shù)式相比，具有微創(chuàng)等優(yōu)勢(shì)。吳曉宇等[21]評(píng)估了3D打印頸椎前路椎弓根螺釘導(dǎo)板的準(zhǔn)確性，按照螺釘偏離椎弓根的絕對(duì)值進(jìn)行評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)，位于安全位置的螺釘占95%(19/20)。沙西卡·那孜爾等[22]發(fā)現(xiàn)，采用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)的椎弓根螺釘?shù)闹睆胶烷L(zhǎng)度、進(jìn)釘方向以及進(jìn)釘點(diǎn)與后正中線的距離等指標(biāo)手術(shù)前后使用情況一致。3D打印導(dǎo)航導(dǎo)板可以顯著縮短手術(shù)時(shí)間、減少術(shù)中透視次數(shù)以及出血量。陶星光和周凱華[23]的報(bào)道指出，3D打印導(dǎo)板應(yīng)用于骨盆骨折時(shí)，每枚螺釘?shù)闹萌霑r(shí)間為5.1～17.5 min，平均10.3 min；每枚螺釘?shù)耐敢暣螖?shù)為6～16次，平均9次。Zheng等[24]對(duì)股骨頸骨折病例的研究發(fā)現(xiàn)，在導(dǎo)板的幫助下，3枚螺釘可以精確地植入股骨頸以鎖定加壓髖鋼板，并穩(wěn)定骨折塊，所有11例患者均一次性成功穿入螺釘。Chen等[25]將3D打印導(dǎo)板應(yīng)用于胸椎椎弓根螺釘置入發(fā)現(xiàn)，置入的50枚螺釘與鄰近結(jié)構(gòu)(如椎體和椎管)的位置關(guān)系良好，無(wú)骨皮質(zhì)穿透。3D打印導(dǎo)板與實(shí)際解剖部位吻合良好，固定牢靠，螺釘置入過(guò)程中位置不需調(diào)整，是一種有效的治療方法。

當(dāng)3D打印導(dǎo)航導(dǎo)板的應(yīng)用足夠成熟時(shí)，螺釘?shù)闹萌胪瓿蓛H需要進(jìn)行一次透視，大大減少了患者與臨床醫(yī)師X線的攝入量，降低了對(duì)術(shù)者臨床經(jīng)驗(yàn)的要求，即使低年資醫(yī)師也可以利用3D打印導(dǎo)航導(dǎo)板進(jìn)行復(fù)雜的骨折內(nèi)固定手術(shù)。尤其是在脊柱手術(shù)中，螺釘位置控制不當(dāng)易造成神經(jīng)損傷，而3D打印導(dǎo)航導(dǎo)板技術(shù)可以有效地減少術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生。

4 3D打印假體在骨科中的應(yīng)用

隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展和3D打印材料的更新，3D打印假體也已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于臨床。目前3D打印假體的短期臨床效果顯著，但長(zhǎng)期效果還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。將患者的CT、MRI影像學(xué)圖像導(dǎo)入到Mimics軟件中，通過(guò)與健側(cè)對(duì)比，利用3D鏡像技術(shù)對(duì)CT或MRI圖像進(jìn)行分割處理可以設(shè)計(jì)假體形狀。

Kienb?ck病是由月骨缺血性壞死造成的，將缺血壞死的月骨切除后，利用3D打印假體填補(bǔ)腕部空隙，可以避免相鄰關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生，使用3D打印月骨假體可以對(duì)Kienb?ck病進(jìn)行解剖重建[26]。Unkovskiy等[27]研究報(bào)道，與傳統(tǒng)方法相比，早期直接應(yīng)用3D打印的硅膠假體修復(fù)鼻部缺損是一種有效的治療方式。對(duì)于手部部分截肢的患者，使用3D打印硅膠假體的患者可以完成許多復(fù)雜的任務(wù)，如釘釘子、打開(kāi)塑料袋等[28]。對(duì)于腫瘤患者，利用3D打印技術(shù)可以最大限度地保留腫瘤周?chē)浗M織，降低腫瘤切除風(fēng)險(xiǎn)[29]。骨腫瘤患者在腫瘤切除術(shù)后會(huì)導(dǎo)致骨骼缺損，可使用3D打印假體進(jìn)行修復(fù)處理。利用3D打印骨盆假體重建骨盆腫瘤切除后骨缺損的短期隨訪中未見(jiàn)假體松動(dòng)、斷裂或移位，其具有良好的穩(wěn)定性及力學(xué)傳導(dǎo)性能，個(gè)體化定制的鈦合金3D打印假體已經(jīng)進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段，并取得了成功[30-31]。

3D打印假體能夠很好地恢復(fù)骨骼的形狀和位置，在改善患者的功能方面起重要作用，術(shù)中可實(shí)現(xiàn)精確匹配，短期并發(fā)癥少，穩(wěn)定性可靠，安全性高。

5 3D生物打印在骨科中的應(yīng)用

3D生物打印技術(shù)作為一種三維生物加工技術(shù)，可以精確地分配載有細(xì)胞的生物材料，具有將生物材料支架和細(xì)胞同時(shí)沉積到指定位置，進(jìn)而產(chǎn)生三維結(jié)構(gòu)的能力，這是傳統(tǒng)組織工程的巨大改革。利用3D打印技術(shù)通過(guò)使用各種生物材料作為生物油墨可以實(shí)現(xiàn)對(duì)具有特殊孔徑、孔隙率、幾何形狀的結(jié)構(gòu)的打印。典型的3D生物打印過(guò)程一般包括三個(gè)階段，即預(yù)處理、處理和后處理階段。預(yù)處理涉及醫(yī)學(xué)圖像獲取、設(shè)計(jì)以及合適的3D打印材料選擇；預(yù)處理后，將設(shè)計(jì)的圖像傳送到生物打印系統(tǒng)，并加載生物墨水進(jìn)行處理；在后處理階段，將印刷結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到生物反應(yīng)器中用于組織成熟。目前3D生物打印技術(shù)已廣泛用于血管、肌肉、軟骨、骨等功能組織的構(gòu)建。

合適的生物材料和合適的細(xì)胞類型是打印骨組織的兩個(gè)關(guān)鍵因素。水凝膠在骨再生方面具有廣闊的應(yīng)用前景。Huang等[32]用聚乙二醇雙丙烯酸酯水凝膠、丙烯酸酯精氨酰-甘氨酰-天冬氨酸以及金屬蛋白酶共同打印骨組織，以促進(jìn)細(xì)胞黏附、存活和分化。噴墨生物打印具有直接修復(fù)軟骨組織的能力。研究表明，打印的軟骨細(xì)胞均勻分布在3D水凝膠中，且90%的細(xì)胞具有較高的活力[32]。原發(fā)性骨腫瘤給患者帶來(lái)了巨大痛苦，腫瘤手術(shù)造成的骨缺損，應(yīng)使用具有良好的成骨能力以修復(fù)骨缺損的生物材料。同時(shí)，為了防止腫瘤復(fù)發(fā)，最重要的一點(diǎn)是骨缺損周?chē)氖Ｓ嗄[瘤細(xì)胞要被完全殺死。Ma等[33]制作了一個(gè)3D打印生物陶瓷支架，其表面為均勻的自組裝鈣-磷/多聚多巴胺納米層。3D打印生物陶瓷中的貽貝激發(fā)納米結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出顯著的腫瘤治療和骨再生能力，為廣泛治療腫瘤導(dǎo)致的組織缺損提供了一種新型的雙功能生物材料。用于填補(bǔ)大節(jié)段骨缺損的材料應(yīng)具有較高的機(jī)械穩(wěn)定性，并且具有允許骨、組織和細(xì)胞向內(nèi)生長(zhǎng)的多孔結(jié)構(gòu)。3D打印技術(shù)是一種制造骨組織工程中三維多孔支架簡(jiǎn)單有效的技術(shù)，聚乳酸是一種很有前景的生物打印材料，可通過(guò)水解降解為無(wú)害和無(wú)毒的物質(zhì)[34]。

3D打印的支架優(yōu)于傳統(tǒng)支架，能夠滿足不同骨缺損面積患者的個(gè)性化需求，臨床應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)包括易于手術(shù)操作，手術(shù)時(shí)間較短，具有良好的外形效果等。對(duì)于含細(xì)胞的生物打印而言，被用作生物墨水的物質(zhì)主要包括水凝膠、膠原、聚乳酸-羥基乙酸共聚物以及聚乙二醇等合成聚合物[35]。3D打印技術(shù)能夠構(gòu)建載有生物活性藥物、細(xì)胞和蛋白質(zhì)的個(gè)性化內(nèi)植入物。

6 問(wèn)題與展望

目前3D打印技術(shù)尚不成熟，3D打印的活細(xì)胞和生物活性因子應(yīng)用于臨床實(shí)際操作的報(bào)道較少，3D打印技術(shù)的應(yīng)用還有待于進(jìn)一步的探索。3D打印材料有限，根據(jù)臨床用途的不同，打印材料也存在差異，目前打印骨科內(nèi)植入物最常用的是金屬鈦合金粉末，新的材料的研發(fā)決定著3D打印技術(shù)在骨科中的發(fā)展前景。目前無(wú)論是3D打印模型、截骨導(dǎo)板還是3D打印假體耗時(shí)均較長(zhǎng)，費(fèi)用比較昂貴，在臨床的應(yīng)用需征得患者及家屬的同意。

3D打印技術(shù)為臨床醫(yī)師提供了一個(gè)新的思路和方法，在臨床上的應(yīng)用已經(jīng)取得了階段性的成功，為臨床工作帶來(lái)了便利，隨著3D打印技術(shù)的日臻完善，將會(huì)在骨科領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。