3D打印技術(shù)在成骨不全治療中的應(yīng)用進(jìn)展

王言之，張靜姝

1.南京醫(yī)科大學(xué) a.第一臨床醫(yī)學(xué)院；b.公共衛(wèi)生學(xué)院，江蘇 南京 211166；2.江蘇省醫(yī)藥農(nóng)藥獸藥安全性評(píng)價(jià)與研究中心，江蘇 南京 211166

引言

3D打印又稱增材制造，始于20世紀(jì)末，是一種以數(shù)字模型文件為藍(lán)本，使用各種類型可黏合材料，基于光固化和紙層疊等技術(shù)來(lái)快速制作實(shí)體模型的新型手段[1]。3D打印的產(chǎn)品有適應(yīng)性強(qiáng)、交互性好、能快速成型等一系列優(yōu)點(diǎn)[2]，故在工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑工程、航空航天、醫(yī)療器械等領(lǐng)域已逐步得到推廣和應(yīng)用。

2012年11月，蘇格蘭科學(xué)家最先報(bào)道利用人體細(xì)胞通過(guò)3D打印機(jī)打印出人造肝臟組織，成為3D打印技術(shù)進(jìn)入組織工程領(lǐng)域的里程碑[3]。2019年1月，美國(guó)加州大學(xué)首次報(bào)道利用3D打印技術(shù)，制造出模仿中樞神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的脊髓支架，裝載神經(jīng)干細(xì)胞后將其植入脊髓嚴(yán)重受損的大鼠脊柱內(nèi)，實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)，這是3D打印技術(shù)在神經(jīng)外科的重大突破[4]。

當(dāng)前3D打印技術(shù)在臨床尤其是骨科領(lǐng)域的應(yīng)用出現(xiàn)井噴式發(fā)展[5]，主要可分為制作等比實(shí)物模型、手術(shù)器材和內(nèi)置物等幾個(gè)方向[6]。以成骨不全為典型的骨病治療或可與3D打印技術(shù)緊密聯(lián)系。

1 3D打印應(yīng)用于成骨不全治療的病理背景

成骨不全（Osteogenisis Imperfecta，OI）又稱脆骨癥、原發(fā)性骨脆癥等，是一種由于間充質(zhì)組織發(fā)育不全、膠原形成障礙而造成的先天性結(jié)締組織疾病[7-8]。目前無(wú)根治OI的方案，常采用物理矯治結(jié)合藥物治療對(duì)患者病情進(jìn)行控制、減輕患者痛苦。藥物治療能有效降低骨折再發(fā)生的概率，但對(duì)已經(jīng)形成的骨畸形沒(méi)有明顯效果，手術(shù)治療是提高成骨不全患者生活質(zhì)量的不二途徑。對(duì)成骨不全患者的不同癥狀需實(shí)施對(duì)癥治療，而成骨不全患者自身的骨骼結(jié)構(gòu)異常、骨密度偏低增加了手術(shù)難度和手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)?？紤]到3D打印的產(chǎn)品具有精細(xì)化、個(gè)性化的特點(diǎn)[9]，將3D打印應(yīng)用于成骨不全的治療有顯著的優(yōu)勢(shì)。一方面，成骨不全患者骨骼結(jié)構(gòu)異常，利用3D打印的等比模型有利于醫(yī)生術(shù)前進(jìn)行模擬，確定手術(shù)方案、熟悉手術(shù)操作，在臨床操作時(shí)規(guī)避損傷神經(jīng)血管等微細(xì)結(jié)構(gòu)，同時(shí)縮短手術(shù)時(shí)間，減輕患者術(shù)中痛苦以及術(shù)中所受輻射[10]；另一方面，醫(yī)生可利用3D打印制作的模型向患者講解病情，提前告知手術(shù)過(guò)程讓其做好心理準(zhǔn)備，這種醫(yī)患溝通[11]的過(guò)程有利于減少因患者缺少對(duì)病情的正確認(rèn)知產(chǎn)生的醫(yī)患矛盾，提升患者的滿意度。

2 3D打印對(duì)成骨不全治療的具體臨床應(yīng)用

2.1 骨折

成骨不全患者由于骨密度下降易引發(fā)脆性骨折，即生活中在輕微外力下發(fā)生骨折。脆性骨折常見于脊椎、肱骨近端、橈尺骨遠(yuǎn)端和髖部[12]，其他部位也偶有發(fā)生。發(fā)生髖部骨折的患者在一年內(nèi)死于各種并發(fā)癥的比例高達(dá)20%，脆性骨折極大降低了成骨不全患者的生活質(zhì)量，帶來(lái)巨大的家庭壓力。

當(dāng)前我國(guó)醫(yī)生在骨折治療中提倡四大原則，即正確的復(fù)位、良好的固定、積極的功能鍛煉和內(nèi)外辨證用藥。國(guó)內(nèi)研究證實(shí)，3D打印技術(shù)在手術(shù)的內(nèi)固定操作中可以發(fā)揮重大作用。李豹等[13]將收治的84例髖臼骨折患者分成采用經(jīng)驗(yàn)性手術(shù)治療的對(duì)照組和應(yīng)用3D打印骨折模型術(shù)前輔助橋接組合內(nèi)固定治療的觀察組，比較發(fā)現(xiàn)觀察組的術(shù)中出血量、手術(shù)時(shí)間以及術(shù)中透視次數(shù)明顯少于對(duì)照組，提示3D打印技術(shù)能有效提高手術(shù)效率。李昌杰等[14]將60例橈骨遠(yuǎn)端患者分為3D打印組和對(duì)照組，前者通過(guò)觀察利用3D打印技術(shù)等比制作的骨折模型進(jìn)行手法復(fù)位，后者直接手法復(fù)位小夾板固定，跟蹤比較臨床療效發(fā)現(xiàn)，3D打印組在術(shù)后2月的腕關(guān)節(jié)功能評(píng)分、患肢疼痛改善、腫脹消除等方面均優(yōu)于對(duì)照組，提示利用3D技術(shù)制作骨折模型有利于設(shè)計(jì)最佳手術(shù)方案指導(dǎo)骨折復(fù)位、減輕患者痛苦。此外，呂繼連等[15]研究發(fā)現(xiàn)，在處理下頜骨骨折時(shí)，3D打印技術(shù)聯(lián)合三維重建也有助于手術(shù)效果的優(yōu)化和病人術(shù)后的恢復(fù)。

2.2 脊柱變形與關(guān)節(jié)脫位

脊柱側(cè)凸或后凸畸形是成骨不全患者骨骼X線影像學(xué)的主要特征之一。成骨不全患者的骨質(zhì)遭到破壞，骨強(qiáng)度降低，在正常活動(dòng)時(shí)受力可能引發(fā)脊柱變形或者關(guān)節(jié)脫位。關(guān)節(jié)脫位時(shí)，關(guān)節(jié)處疼痛劇烈，關(guān)節(jié)的正?；顒?dòng)喪失甚至出現(xiàn)畸形。關(guān)節(jié)脫位的損傷可累及關(guān)節(jié)囊、韌帶、關(guān)節(jié)軟骨及肌肉等軟組織[16]，若不及時(shí)復(fù)位，不僅對(duì)患者行動(dòng)帶來(lái)極大不便，甚至可能損傷神經(jīng)脊髓誘發(fā)癱瘓。脊柱畸形常使患者表現(xiàn)出駝背、姿勢(shì)不對(duì)稱等癥狀，對(duì)神經(jīng)、呼吸、消化功能等造成一定的損傷[17]。當(dāng)保守治療無(wú)效或療效不佳時(shí)，須采用手術(shù)手段進(jìn)行矯治。上頸部、腰骶部等區(qū)域解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)較大，如置入椎弓根螺釘固定脊柱時(shí)，若不結(jié)合患者個(gè)性化的影像學(xué)資料進(jìn)行模擬與評(píng)估，有可能對(duì)患者造成致死性的神經(jīng)血管損傷。

國(guó)內(nèi)林軍華等[18]比較發(fā)現(xiàn)，3D打印模型輔助后路螺釘內(nèi)固定術(shù)治療可復(fù)性寰樞椎脫位療效顯著，3D打印組術(shù)后VAS評(píng)分顯著低于對(duì)照組，證實(shí)3D打印技術(shù)在脊柱外科有廣闊的應(yīng)用前景。而國(guó)外報(bào)道中，Lu等[19]將3D打印導(dǎo)航模板運(yùn)用于脊柱側(cè)彎患者的矯形治療，有效提高了引導(dǎo)螺釘軌跡的準(zhǔn)確度，降低了術(shù)中螺釘置入偏差率。Lin等[20]用針對(duì)患者情況個(gè)性化3D打印的截骨工具切除骶骨神經(jīng)鞘瘤，術(shù)中切緣定位效果良好，跟蹤發(fā)現(xiàn)患者術(shù)后兩年無(wú)不良情況。相對(duì)于脊椎手術(shù)中傳統(tǒng)的CT計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航，3D打印技術(shù)輔助導(dǎo)航能有效縮短手術(shù)時(shí)間，降低患者術(shù)中所受輻射量。

2.3 創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎

成骨不全患者發(fā)生嚴(yán)重的或反復(fù)的關(guān)節(jié)內(nèi)骨折時(shí)，可能由創(chuàng)傷引起關(guān)節(jié)軟骨的退化變性和繼發(fā)的軟骨增生、骨化，即導(dǎo)致創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎或稱損傷性骨關(guān)節(jié)炎。根據(jù)患者的不同情況，可采用關(guān)節(jié)清理術(shù)、截骨術(shù)、閉孔神經(jīng)切除術(shù)、關(guān)節(jié)融合術(shù)、關(guān)節(jié)成形術(shù)等手段進(jìn)行對(duì)癥治療。對(duì)于疼痛嚴(yán)重、關(guān)節(jié)破壞嚴(yán)重的患者，可實(shí)施人工關(guān)節(jié)置換術(shù)。

國(guó)內(nèi)陳擁等[21]研究發(fā)現(xiàn)，術(shù)前使用3D打印技術(shù)制作1：1模型和截骨導(dǎo)板，行全膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)時(shí)間更短、病患出血量更少，同時(shí)術(shù)后膝關(guān)節(jié)HSS評(píng)分出現(xiàn)明顯增高。這一結(jié)果，與劉金輝等[22]、袁偉等[23]的報(bào)道相吻合。利用3D打印三維成像技術(shù)制作的截骨模板貼合每個(gè)患者的個(gè)性情況，同時(shí)術(shù)前利用計(jì)算機(jī)測(cè)定了截骨量和截骨角度，規(guī)避了術(shù)中多次使用髓內(nèi)外導(dǎo)向器導(dǎo)致手術(shù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)患者失血過(guò)多的問(wèn)題。目前國(guó)外將3D打印技術(shù)應(yīng)用于創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎的對(duì)癥治療的相關(guān)報(bào)道較少，有待進(jìn)一步與國(guó)內(nèi)進(jìn)行比較。

2.4 心臟瓣膜病變

成骨不全可能累及患者結(jié)締組織誘發(fā)心臟瓣膜病變。瓣膜病變的類型通常是狹窄或者關(guān)閉不全，會(huì)阻礙正常的血液流動(dòng)，增加心臟工作負(fù)擔(dān)，從而誘發(fā)心臟功能損害，導(dǎo)致患者出現(xiàn)心力衰竭的癥狀。心臟瓣膜病變的治療包括內(nèi)科治療（藥物治療）、外科手術(shù)治療和介入治療。藥物治療主要起預(yù)防和控制作用，對(duì)病變瓣膜的機(jī)械性損傷無(wú)明顯效果，傳統(tǒng)外科手術(shù)包括開胸、體外循環(huán)等操作，風(fēng)險(xiǎn)性較高，而隨著醫(yī)影技術(shù)的更新，介入治療受到廣泛關(guān)注。

國(guó)內(nèi)研究中，黃海等[24]通過(guò)3D打印技術(shù)制作等比冠脈模型，用于不停跳冠狀動(dòng)脈旁路移植術(shù)的圍術(shù)期規(guī)劃，手術(shù)獲得良好效果。國(guó)外，Olivieri等[25]將3D打印應(yīng)用于制定復(fù)雜先天性心臟病的介入治療中，通過(guò)術(shù)前模擬對(duì)導(dǎo)管和封堵器等手術(shù)器械進(jìn)行精確選擇，有效提高了手術(shù)效率。Moore等[26]為患有左鎖骨下動(dòng)脈遠(yuǎn)端主動(dòng)脈弓中斷合并動(dòng)脈導(dǎo)管未閉的7 d大新生兒構(gòu)建了3D模型，術(shù)前確定了吻合升主動(dòng)脈與間隙的手術(shù)方案，使手術(shù)成功進(jìn)行。此外，哈佛大學(xué)Wyss研究所于2018年報(bào)道開發(fā)了一套有別于傳統(tǒng)的3D打印工作流程，將生成的數(shù)字小葉模型和CT數(shù)據(jù)進(jìn)行合并調(diào)整，在三維印刷閥門模型中使用多材料設(shè)計(jì)，有助于預(yù)測(cè)心臟瓣膜的泄露情況。

2.5 耳聾

骨脆癥、耳聾、藍(lán)鞏膜統(tǒng)稱為Van der Hoeve綜合征，是成骨不全患者的典型特征[27]。成骨不全引發(fā)耳聾的原因主要是聽神經(jīng)受壓和耳硬化。雖然目前國(guó)內(nèi)外對(duì)成骨不全患者的耳聾治療相關(guān)論述較少，但鐘靜等[28]研究顯示，在耳缺損修復(fù)手術(shù)中，術(shù)前建模中利用3D打印技術(shù)重建缺損耳的立體結(jié)構(gòu)指導(dǎo)耳廓支架的雕刻，減少了手術(shù)次數(shù)并且提高了手術(shù)成功率。同時(shí)，采用天然生物材料和高分子材料3D打印的外耳廓支架內(nèi)部結(jié)構(gòu)精細(xì)，取代了選材自患者自體肋軟骨的傳統(tǒng)方法，減輕了患者的術(shù)中痛苦和愈合壓力，提示3D打印技術(shù)或?qū)χ委煶晒遣蝗颊叩亩@有一定作用。

3 總結(jié)與展望

本文綜合評(píng)述了3D打印技術(shù)在對(duì)成骨不全的骨折、脊柱變形關(guān)節(jié)脫位、創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎、心臟瓣膜病變及耳聾等一系列臨床表征的對(duì)癥治療中的應(yīng)用?；谟跋駥W(xué)數(shù)據(jù)制作的等比模型和手術(shù)器械相比于傳統(tǒng)手段更貼合成骨不全患者復(fù)雜畸變的骨骼結(jié)構(gòu)，有減輕患者疼痛、降低手術(shù)難度、促進(jìn)術(shù)后恢復(fù)的顯著優(yōu)勢(shì)。從全局來(lái)看，3D打印技術(shù)的應(yīng)用正得到越來(lái)越多的醫(yī)生的認(rèn)可和推廣。特別是當(dāng)前在我國(guó)骨科向“精準(zhǔn)醫(yī)療”[29]發(fā)展的趨勢(shì)下，3D打印技術(shù)在成骨不全這一類骨病的治療中應(yīng)當(dāng)具有更廣闊的應(yīng)用前景。然而，作為一種新興技術(shù)，3D打印技術(shù)在臨床工作中的應(yīng)用也受到很多因素的限制。較高的生產(chǎn)成本增加了患者家庭的經(jīng)濟(jì)壓力，復(fù)雜的三維系統(tǒng)操作為部分醫(yī)生群體帶來(lái)困擾，處理不當(dāng)時(shí)可能出現(xiàn)模型與原數(shù)據(jù)有較大差異[30-31]，影響手術(shù)方案的制定。但隨著材料科學(xué)和影像技術(shù)的發(fā)展，3D技術(shù)必然日益成熟，對(duì)臨床尤其是骨科的診療做出更大貢獻(xiàn)。