3D打印技術(shù)在指關(guān)節(jié)缺損的應(yīng)用研究進展

林東鑫，何藻鵬，蘇煒煒，黃文華，3，

1.南方醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院人體解剖學(xué)國家重點學(xué)科/廣東省醫(yī)學(xué)生物力學(xué)重點實驗室，廣東廣州510515；2.廣州醫(yī)科大學(xué)附屬順德醫(yī)院手足外科，廣東佛山528315；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510515；4.南方醫(yī)科大學(xué)第三附屬醫(yī)院骨外科，廣東廣州510630

前言

臨床上引起指關(guān)節(jié)缺損的機制有外傷、感染、腫瘤、風(fēng)濕免疫病、先天畸形等，相關(guān)癥狀表現(xiàn)為關(guān)節(jié)疼痛、畸形、活動受限及僵硬［1］。由于掌指關(guān)節(jié)承擔(dān)了36%的手指運動功能［2］，所以指關(guān)節(jié)的完整性和靈活性對于手功能至關(guān)重要。臨床上對于膝、髖等大關(guān)節(jié)人工置換的技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，然而對于指關(guān)節(jié)這類小關(guān)節(jié)的人工置換，通過臨床隨訪發(fā)現(xiàn)，小關(guān)節(jié)的置換遠遠未達到負重大關(guān)節(jié)那樣的理想效果。這是由于指關(guān)節(jié)解剖形態(tài)復(fù)雜，以及指關(guān)節(jié)需要承擔(dān)精細動作所決定的。指關(guān)節(jié)的復(fù)雜形態(tài)決定了設(shè)計人工假體時應(yīng)該更加符合指關(guān)節(jié)的解剖結(jié)構(gòu)，重建指關(guān)節(jié)的生物力學(xué)環(huán)境顯得尤為重要，理想情況下應(yīng)該對每一例指關(guān)節(jié)缺損進行個性化設(shè)計，以助于提升患者的生活質(zhì)量。目前，對于指關(guān)節(jié)缺損的治療措施主要包括截肢、關(guān)節(jié)固定術(shù)、硅膠假體置換術(shù)、碳素假體置換術(shù)和帶血管蒂的腳趾關(guān)節(jié)移植，盡管以上方法均能夠有效幫助病人止痛，但是只有人工假體置換和自體移植才有希望幫助病人保持活動能力。人工假體包括了傳統(tǒng)的按照尺寸生產(chǎn)的假體以及利用3D打印快速成型技術(shù)依照每位患者自身情況設(shè)計出的精確假體。本文將指關(guān)節(jié)缺損的自體移植、人工關(guān)節(jié)置換與新型技術(shù)3D 打印指關(guān)節(jié)加以對比，分析其各自優(yōu)劣勢，并對3D打印技術(shù)應(yīng)用于小關(guān)節(jié)缺損方面提出展望。

1 傳統(tǒng)治療指關(guān)節(jié)缺損的方法

1.1 自體移植

骨和軟骨組織有良好的支撐作用，臨床實驗證明可以將其用于移植重建關(guān)節(jié)缺損［3］。Boulas 等［4］對5例掌指關(guān)節(jié)缺損采用自體跖趾關(guān)節(jié)移植，術(shù)后平均活動范圍達到了74°。但是2年后均出現(xiàn)了嚴重的并發(fā)癥，如軟骨壞死及關(guān)節(jié)間隙狹窄。Engkvist 等［5］研究發(fā)現(xiàn)自體移植會導(dǎo)致關(guān)節(jié)疼痛，不能達到良好的功能恢復(fù)。Zappaterra 等［6］采用了自體肋軟骨移植修復(fù)掌指關(guān)節(jié)缺損。Jung 等［7］用自體髂骨移植修復(fù)缺損，術(shù)后掌指關(guān)節(jié)的平均活動范圍不令人滿意，還出現(xiàn)了骨關(guān)節(jié)炎。Tsubokawa等［8］對帶血管蒂第二腳趾關(guān)節(jié)移植至近側(cè)指間關(guān)節(jié)的長期研究顯示，術(shù)后平均活動范圍為47°，所有患者均有一定程度的伸肌延遲和屈曲痙攣。然而郭恩覃等［9］認為，帶血管蒂的腳趾關(guān)節(jié)移植是保存骨骺板的唯一辦法，對兒童指關(guān)節(jié)缺損術(shù)后手指的發(fā)育影響較小。盡管該術(shù)式保留了一定的生長潛力，但是其伸肌延遲和屈曲痙攣不可避免，這是該術(shù)式所面臨的嚴重問題?？傊?，自體移植具有良好的組織相容性，但是術(shù)后難以避免創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎或關(guān)節(jié)退行性改變的發(fā)生。

1.2 人工關(guān)節(jié)置換

掌骨頭橈側(cè)髁比尺側(cè)髁略大，第1掌骨頭與其他4指形態(tài)不同，其掌側(cè)關(guān)節(jié)面大于背側(cè)關(guān)節(jié)面，并且第2、3掌骨頭關(guān)節(jié)面面積明顯比其余掌骨頭大。而各近側(cè)指骨底在形態(tài)、高度、面積上相似，但是各近側(cè)指骨的側(cè)副韌帶的起點距離掌骨頭關(guān)節(jié)面橈側(cè)比尺側(cè)遠［10］。掌指關(guān)節(jié)復(fù)雜的解剖形態(tài)、生物力學(xué)，骨頭的小尺寸，以及手精細動作的功能需要等，都對手指基部和中間關(guān)節(jié)的設(shè)計、制造提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。自1959年首次報道了掌指關(guān)節(jié)置換術(shù)，人類就在探索人工假體路上大膽嘗試，材料學(xué)的高速發(fā)展也促進了假體材質(zhì)和功能進一步改善，各種各樣的假體被用于臨床。從早期的Niebauer-Cutter假體到普通鉸鏈針相連的假體，再到氧化鋁、陶瓷和鍍膜乙烯材料組成的鉸鏈型假體，以及新型鈦碳假體，但都因為其各自的缺陷而沒有被普及，甚至已經(jīng)被淘汰［11］。20世紀60年代末以來，Swanson硅膠假體關(guān)節(jié)置換術(shù)就被廣泛應(yīng)用于掌指關(guān)節(jié)缺損以及近側(cè)指間關(guān)節(jié)缺損的修復(fù)重建［12］。柔軟的硅膠墊片起到了止痛和保護關(guān)節(jié)功能的作用，曾一度被學(xué)者們視為治療指關(guān)節(jié)缺損的金標準。但是對患者長期隨訪過程中發(fā)現(xiàn)，生物力學(xué)上的應(yīng)力以及硅膠材料的磨損會導(dǎo)致機械應(yīng)力失效以及材料的降解，從而發(fā)生了種植體的骨折或者脫位、感染、炎癥性滑膜炎、疼痛復(fù)發(fā)、僵硬和畸形。

此外，人工關(guān)節(jié)置換還存在以下幾個問題：①內(nèi)植物形態(tài)單一，而非根據(jù)患者情況的個性化定制，無法很好地與患者適配［13］。不利于指關(guān)節(jié)恢復(fù)解剖結(jié)構(gòu)以及生物力學(xué)穩(wěn)定，不利手指功能于恢復(fù)。②由于適配性不足導(dǎo)致骨長入不良，易導(dǎo)致骨萎縮和松動［14］，進而發(fā)生感染、畸形、滑膜炎、肌腱粘連或斷裂等并發(fā)癥，甚至導(dǎo)致皮膚壞死。③人工關(guān)節(jié)置換對關(guān)節(jié)周圍組織要求高。④人工關(guān)節(jié)造價昂貴以及制造周期長，這也是國內(nèi)尚未普及的主要原因。

2 新型3D打印技術(shù)應(yīng)用于指關(guān)節(jié)缺損

2.1 3D打印應(yīng)用于關(guān)節(jié)缺損

3D 打印技術(shù)也稱增材制造，它是以計算機數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層堆疊打印的方式來構(gòu)造三維實體的先進技術(shù)［15］。3D 打印技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)，汽車和建筑等各個領(lǐng)域［16］。如前述，手指基部和中間關(guān)節(jié)表面是有生理不對稱性的，但是目前大多數(shù)設(shè)計的人工關(guān)節(jié)未考慮到這一解剖特性。通過3D打印技術(shù)可以克服傳統(tǒng)制造工藝的局限，實現(xiàn)個性化解剖結(jié)構(gòu)定制［17］。王鵬等［18］通過螺旋CT 掃描尸體手掌指關(guān)節(jié)，獲取掌指關(guān)節(jié)的二維圖像信息，再利用相關(guān)的轉(zhuǎn)化軟件、繪制軟件對掌指關(guān)節(jié)進行三維建模，按照髓內(nèi)腔設(shè)計出髓內(nèi)柄與髓內(nèi)腔完全吻合的假體柄，并通過3D 打印機打印出假體柄。雖然只是在尸體上面做的實驗，還沒有找到合適的生物學(xué)材料以及假體的生物力學(xué)測試，但是做到了個性化設(shè)計，為未來精準醫(yī)學(xué)的發(fā)展提供一個新思路。鐘華等［11］利用聚醚醚酮（PEEK）材料聯(lián)合3D 打印技術(shù)打印出掌指關(guān)節(jié)假體，并進行了移植。雖然該方案只完成了第一步，以皮瓣移植失敗而告終，但是3D打印技術(shù)聯(lián)合聚醚醚酮材料打印掌指關(guān)節(jié)假體為手外科中指關(guān)節(jié)缺損的修復(fù)與重建提供了一種新方法。

2.2 3D打印技術(shù)應(yīng)用于指關(guān)節(jié)缺損的優(yōu)勢

盡管CT、MRI、超聲等傳統(tǒng)影像手段已經(jīng)十分成熟，但是實際的解剖結(jié)構(gòu)往往無法預(yù)測。在一些非常復(fù)雜和非常規(guī)的病例中，對于圍手術(shù)期的計劃和決策是需要空間解剖學(xué)定向的，僅憑借手術(shù)經(jīng)驗是無法推斷出來的［19］。利用3D 打印技術(shù)輔助有以下好處：①3D 打印技術(shù)能在術(shù)前打印出根據(jù)健側(cè)正常指關(guān)節(jié)設(shè)計出的假體以及患側(cè)殘存的骨質(zhì)，外科醫(yī)生可以在打印出來的模型上反復(fù)進行術(shù)前模擬手術(shù)［20］，可提前預(yù)測到手術(shù)風(fēng)險，準確判斷患者病情，選擇利于患者日后康復(fù)的方案，同時能有效減少術(shù)中出血量［21-22］，也能更直觀地對患者及患者家屬解釋手術(shù)的方式，減少醫(yī)患矛盾。②3D 打印快速成型技術(shù)能精確模擬指關(guān)節(jié)的解剖學(xué)形態(tài)［23］，以及生物力學(xué)和生理學(xué)、運動學(xué)特性，最大程度減少由于相對運動和異常應(yīng)力引起骨松動和骨萎縮，從而導(dǎo)致的植入物骨折和相對運動引起的疼痛。③3D打印可制造出帶微孔的假體表面，這些微孔不僅能增加假體與骨表面的接觸面積，還能使骨與假體穩(wěn)定結(jié)合，從而減少兩者之間的微運動［24］。④3D打印假體的微孔結(jié)構(gòu)也有利于軟組織附著，使骨與假體之間形成更加穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，并能促進成骨細胞的增殖，為骨長入創(chuàng)造條件，保持骨與假體的長期穩(wěn)定［25］。⑤相比于傳統(tǒng)的定制人工假體，3D 打印假體制造周期更短。⑥3D 打印技術(shù)可以用于臨床教學(xué)［26］，有利于年輕醫(yī)師的手術(shù)操作，有利于對醫(yī)學(xué)生的解剖教學(xué)，不再局限于枯燥的解剖課本和大體老師，可以更加直觀地了解到該術(shù)式的核心與精髓，讓基礎(chǔ)的解剖知識與臨床內(nèi)容有機地結(jié)合起來，教學(xué)模式更加豐富。

2.3 3D打印技術(shù)應(yīng)用于指關(guān)節(jié)缺損的不足

①3D打印技術(shù)要想將打印出的假體植入人體內(nèi)仍然缺乏合適的材料，對材料的要求嚴格，需要考慮到材料遠期的并發(fā)癥，針對年齡以及職業(yè)的不同需要考慮使用不用的材料。②對于3D打印技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)，需要同時具有醫(yī)學(xué)背景和工科背景的高技術(shù)人才，不僅需要對醫(yī)學(xué)、解剖有熟悉的掌握，還要求對計算機的軟件設(shè)計有一定的涉獵。③3D打印出來的器官、組織涉及到倫理學(xué)的領(lǐng)域。同時，目前我國對于3D打印出來的假體尚沒有相關(guān)的質(zhì)檢標準，相關(guān)的法律文書也不完善［27］。④由于3D打印技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)尚未完全普及，對于3D打印實驗室，3D打印技術(shù)人才的培訓(xùn)，都需要投入大量的資金，這也導(dǎo)致了3D打印假體造價昂貴。⑤3D打印技術(shù)通過將原材料逐層疊加并粘連在一起，導(dǎo)致打印出來的假體機械強度和穩(wěn)定性低于實際的機械強度［28］，并且可能不適合長期使用。Farzadi等［29］針對3D打印出的假體機械強度不夠，提出可以增加3D打印時的層厚。

2.4 3D打印技術(shù)應(yīng)用于指關(guān)節(jié)缺損的未來展望

精準醫(yī)療的提出使得個性化醫(yī)療得到更多人的關(guān)注，3D打印技術(shù)在一定程度契合了這一理念，為臨床工作提供了新的治療和輔助方式。但在指關(guān)節(jié)缺損治療方面，3D打印技術(shù)應(yīng)用仍有待深入研究。

3D 打印醫(yī)用生物材料包括金屬、陶瓷、光敏樹脂、石膏和高分子等材料［30］，一般要運用多種材料共同打印方能實現(xiàn)所打印部件的復(fù)雜功能，而材料學(xué)方面是一塊新的領(lǐng)域，還有待于大力開發(fā)。同時，如果要將3D 打印出來的組織、器官運用于臨床及患者身上，目前仍然面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。

針對以上所提及的3D打印應(yīng)用于指關(guān)節(jié)方面的不足，應(yīng)加大力度開發(fā)新型設(shè)備，以確保人工關(guān)節(jié)假體的高孔隙率和尺寸精度，使其更有利于骨長入，符合人體解剖結(jié)構(gòu)，有利于創(chuàng)建一個穩(wěn)定的生物力學(xué)結(jié)構(gòu)，減少骨萎縮和骨松動等并發(fā)癥的發(fā)生；加快制訂3D 打印人工關(guān)節(jié)統(tǒng)一標準和治療指南；加快完善相關(guān)人工關(guān)節(jié)假體的質(zhì)檢標準，倫理學(xué)方面的政策以及相關(guān)法律法規(guī)；加大對3D打印技術(shù)的科研投入，建立標準化3D打印實驗室，并積極舉辦3D打印培訓(xùn)班，培養(yǎng)一批同時具備醫(yī)工技術(shù)的優(yōu)秀人才；加強企業(yè)、研究機構(gòu)、醫(yī)院的深度配合，建立完善的產(chǎn)學(xué)研3D 打印體系；3D 打印技術(shù)應(yīng)用于指關(guān)節(jié)缺損將會是是骨科革命性的新技術(shù)，3D 打印出來的人工假體與殘存骨質(zhì)具有極佳的適配性，并且能夠增強內(nèi)植物與骨界面的整合效果。3D打印技術(shù)在個性化植入物制造和應(yīng)用方面具有廣闊的前景。隨著科技的進步以及材料學(xué)發(fā)展，用3D 打印技術(shù)打印出來的具有生物活性的人工關(guān)節(jié)必定是未來骨科發(fā)展的新趨勢。