3D打印技術(shù)在骨科臨床與基礎(chǔ)研究應(yīng)用的現(xiàn)狀△

米發(fā)桗，楊如意，趙天寶，王建峰

（1.慶陽市人民醫(yī)院，甘肅慶陽 745000；2.西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都 610039）

3D打印技術(shù)，又稱為3D印刷技術(shù)或快速制造技術(shù)。該技術(shù)結(jié)合了快速自動(dòng)成形系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)模型，可以制造任意不規(guī)則的工業(yè)產(chǎn)品，且不需要額外的常規(guī)模具制造和機(jī)械加工［1］。3D打印技術(shù)于20多年前首次提出，當(dāng)時(shí)難以應(yīng)用于臨床，認(rèn)為價(jià)格昂貴且無法實(shí)現(xiàn)［2］。3D打印隨著打印技術(shù)和打印墨水的發(fā)展成熟取得了突破性的進(jìn)展。目前，3D打印成形的主要原理包括：光固化成形、激光燒結(jié)、熔融沉積成形、選擇性熔融、生物打印等［3］。3D打印技術(shù)可以將虛擬的三維設(shè)計(jì)快速、自動(dòng)地轉(zhuǎn)化為實(shí)物模型，具有個(gè)性化設(shè)計(jì)、精準(zhǔn)定制、復(fù)雜制造、節(jié)省材料、縮短制造時(shí)長等優(yōu)點(diǎn)［4］。目前，3D打印在生物醫(yī)療領(lǐng)域主要應(yīng)用于3D生物材料打印、3D打印植入物、解剖模型、康復(fù)器械和藥物研究［5］。而在骨科領(lǐng)域中，主要用于制作實(shí)體模型、手術(shù)導(dǎo)向板、假體及內(nèi)置物，也用于學(xué)術(shù)研討及教育等，并且在臨床已經(jīng)成功應(yīng)用于患者。

1 基于骨科應(yīng)用的3D打印原理及技術(shù)

3D模型可克服缺乏直觀性和可操作性的困難，逐漸擴(kuò)大在骨科領(lǐng)域的應(yīng)用。逆向工程（reverse engineering,RE）和快速成形技術(shù)（rapid proto-typing,RP）是基于骨科應(yīng)用的3D打印原理及技術(shù)關(guān)鍵，其基本流程是：首先建立3D模型，然后將模型導(dǎo)入生成STL文件格式，而后將該格式文件導(dǎo)入3D打印機(jī)進(jìn)行分層切片，打印出來并對其進(jìn)行后處理，最后得到想要的產(chǎn)品［6］。

1.1 逆向工程

逆向工程技術(shù)是指在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制下，借助各種機(jī)電信息一體化裝備對既有實(shí)物進(jìn)行掃描與測量，將所得數(shù)據(jù)信息傳給計(jì)算機(jī)分析處理，再用各類可粘合材料進(jìn)行精準(zhǔn)3D打印?，F(xiàn)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，主要的逆向工程技術(shù)有Mimics軟件、E3D軟件、Geomagic、Imageware等，能顯示和修改醫(yī)學(xué)圖像，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行修補(bǔ)，并高效重建醫(yī)學(xué)CT數(shù)據(jù)。精準(zhǔn)3D打印的主要技術(shù)包括：選擇性激光熔化成形（selective laser melting,SLM）、選擇性激光燒結(jié)（selective laser sintering,SLS）、光固化立體印刷技術(shù)（stereo lithography appearance,SLA）、熔融沉積成形技術(shù)（fused deposition modeling,FDM）、疊層實(shí)體制造 （laminated object manufacturing,LOM）、選擇性電子束熔煉（selective electron beam melting,SEB）［7］。

1.2 快速成形技術(shù)

快速成形技術(shù)是在計(jì)算機(jī)的控制下，通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件創(chuàng)建實(shí)物的數(shù)字化成形技術(shù)［8］。該技術(shù)于20世紀(jì)80年代興起后得到廣泛的應(yīng)用，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域如組織和器官的制造等頗受青睞。該技術(shù)以計(jì)算機(jī)科學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合機(jī)械、自動(dòng)化、材料、CAD等學(xué)科，按照“分層制造、逐層疊加”原理，通過3D系統(tǒng)將可粘合材料（高分子材料、金屬粉末等）等采取不同方法逐層堆積打印疊加，從而獲得預(yù)先設(shè)定形狀產(chǎn)品的新型數(shù)字化成形技術(shù)，其具有個(gè)性化、定制化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的特點(diǎn)。各國均投入大量精力著力于3D打印的前沿研究，并將其作為戰(zhàn)略化新興產(chǎn)業(yè)給予大力發(fā)展與支持，在骨科領(lǐng)域中對于術(shù)前策劃、個(gè)體化治療及生物制造潛力十足、前景光明?；诠强浦委煹某墒炜焖俪尚渭夹g(shù)主要包括分層固體制造技術(shù)（LOM）、三維光固化成形技術(shù)（SLA）、選擇性激光熔化技術(shù)（SLM）和熔融沉積技術(shù)（FDM）等。其中SLA成形因成形精度高、成形速度快而在骨科領(lǐng)域應(yīng)用較多。

2 3D打印在骨科領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著材料科學(xué)及醫(yī)學(xué)的發(fā)展，3D打印技術(shù)在骨科中的應(yīng)用也實(shí)現(xiàn)了巨大飛躍，依托于CT、磁共振成像（magnetic resonance imaging,MRI）越來越多的骨科醫(yī)生開始關(guān)注影像學(xué)，影像學(xué)已經(jīng)從最初的3D打印模型擴(kuò)展到三維打印導(dǎo)板、三維打印假體、康復(fù)機(jī)械等。該技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)化了手術(shù)方案，減少了對人體的損傷，提高了手術(shù)質(zhì)量，為臨床診斷提供了新思路，為臨床治療開辟了新方法［9］。

2.1 3D打印在骨科臨床的應(yīng)用

2.1.1 術(shù)前實(shí)體模型

以往醫(yī)師在制定手術(shù)計(jì)劃時(shí)，通常通過分析X線片、CT、MRI或其他影像學(xué)檢查結(jié)果來了解患者的解剖結(jié)構(gòu)，得到的是二維平面信息，缺乏三維視覺觸感。3D打印技術(shù)可以將CT的掃描數(shù)據(jù)重建成3D模型，然后輸入3D打印機(jī)，制作1∶1物理模型，視覺和觸覺的體驗(yàn)更直觀形象地顯示患者特定的病變情況，病狀重現(xiàn)也方便了醫(yī)生與患者及家屬交流；并且術(shù)前研究病例模型有助于醫(yī)生精確制定手術(shù)方案、熟悉演練手術(shù)操作，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化方案設(shè)計(jì)、精準(zhǔn)治療實(shí)施，應(yīng)用前景非常廣闊。王琪等［10］對脊柱腫瘤患者在術(shù)前進(jìn)行CT掃描，收集22例患者數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模，通過3D打印制作1∶1的模型，并以此制定了手術(shù)方案，通過模擬手術(shù)操作和內(nèi)置物預(yù)處理精確又完整地切除病灶，縮短了手術(shù)時(shí)間。Wang等［11］對9例應(yīng)用了3D打印技術(shù)的骨盆骨折病例進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)術(shù)前計(jì)劃與術(shù)后X線檢查之間均具有良好的相關(guān)性，術(shù)后沒有出現(xiàn)切口延遲愈合、感染或不愈合的情況。冀旭斌等［12］對13例寰樞椎脫位合并復(fù)雜顱頸交界畸形患者行3D打印輔助單邊椎弓根螺釘內(nèi)固定治療，術(shù)前利用3D打印出的1∶1模型，分析畸形情況，評估手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，制定個(gè)體化手術(shù)方案，選擇置釘側(cè)別，并進(jìn)行模擬手術(shù)。術(shù)中根據(jù)術(shù)前3D打印模型規(guī)劃方案，于單一側(cè)分別進(jìn)行寰椎和樞椎椎弓根探及和置釘。對于合并復(fù)雜顱頸交界區(qū)畸形的寰樞椎脫位患者，3D打印輔助下應(yīng)用椎弓根探及技術(shù)單邊內(nèi)固定可有效提高術(shù)中置釘準(zhǔn)確率，減少術(shù)中神經(jīng)和椎動(dòng)脈損傷的風(fēng)險(xiǎn)，提高了手術(shù)安全性。

骨科手術(shù)中螺釘置入、截骨過程容易傷及周圍神經(jīng)、血管、器官等重要結(jié)構(gòu)，同時(shí)在術(shù)中需多次透視確認(rèn)螺釘位置，存在手術(shù)時(shí)間長、螺釘松動(dòng)失效的風(fēng)險(xiǎn)。3D打印手術(shù)可以根據(jù)患者術(shù)前的CT數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建，準(zhǔn)確確定手術(shù)針的進(jìn)入點(diǎn)、方向和深度，設(shè)計(jì)個(gè)性化的手術(shù)導(dǎo)板，并在手術(shù)中根據(jù)導(dǎo)板的方向直接放置指甲，可以大大簡化操作，提高操作精度和效率［13］?；?D打印的骨科手術(shù)導(dǎo)板主要用于復(fù)雜關(guān)節(jié)矯形手術(shù)、復(fù)雜骨折手術(shù)、整形或修復(fù)重建手術(shù)、骨腫瘤手術(shù)等。其中，導(dǎo)板常用于骨盆、關(guān)節(jié)、脊柱等手術(shù)部位。李凡等［14］利用快速逆向工程技術(shù)和3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)制造導(dǎo)向器，并行全膝關(guān)節(jié)置換截骨術(shù)，并對患者的臨床應(yīng)用進(jìn)行了研究。在三維視圖中，使用工程建模軟件確定下肢的力線，并據(jù)此設(shè)計(jì)個(gè)體股骨髁、脛骨平臺(tái)截骨術(shù)和膝關(guān)節(jié)假體安裝置入簡化了術(shù)中操作步驟，下肢力線矯正更精確，獲得了良好的手術(shù)效果。劉浩等［15］利用3D打印技術(shù)及快速成形技術(shù)設(shè)計(jì)出個(gè)性化股骨遠(yuǎn)端截骨導(dǎo)向器，該導(dǎo)向器可應(yīng)用于全膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)，與傳統(tǒng)手術(shù)相比，具有可以改善術(shù)后假體力線、明顯縮短手術(shù)時(shí)間、簡化操作的優(yōu)勢，但其遠(yuǎn)期效果需長時(shí)間隨訪大樣本量來驗(yàn)證。倪鵬輝等［16］利用3D打印技術(shù)為20例擬行全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)的患者設(shè)計(jì)膝關(guān)節(jié)置換截骨導(dǎo)向板，并采用髓內(nèi)定位法進(jìn)行截骨后成功置入膝關(guān)節(jié)假體。對比傳統(tǒng)機(jī)械定位手術(shù)組得出結(jié)論：3D打印技術(shù)有助于骨科醫(yī)生對膝關(guān)節(jié)的術(shù)前了解診斷，有利于精確指導(dǎo)手術(shù)方案制定，通過模擬手術(shù)操作也提高了手術(shù)的精準(zhǔn)性。Zhang等［17］將通過傳統(tǒng)手術(shù)及3D打印導(dǎo)板對20例患者進(jìn)行全髖關(guān)節(jié)表面置換手術(shù)，對比研究表明3D打印導(dǎo)板組的患者手術(shù)時(shí)間短、出血量少，術(shù)后前傾角和髖臼杯外展角等誤差顯著優(yōu)于傳統(tǒng)組。趙永輝等［18］采用3D打印手術(shù)導(dǎo)板輔助強(qiáng)直性脊柱炎截骨矯形的手術(shù)技術(shù)，對16例強(qiáng)直性脊柱炎患者術(shù)前設(shè)計(jì)對應(yīng)的手術(shù)導(dǎo)板，3D打印實(shí)體導(dǎo)板并消毒，術(shù)中輔助手術(shù)截骨矯形，證明3D打印手術(shù)導(dǎo)板輔助強(qiáng)直性脊柱炎截骨矯形是一種安全可行且精確性較高的手術(shù)方法。

2.1.2 手術(shù)內(nèi)置物及假體

骨科臨床工作中常常面臨個(gè)體解剖差異或發(fā)育畸形等特殊情況，此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)化的內(nèi)置物難以滿足患者需求。將3D印刷技術(shù)應(yīng)用于骨外科，可以根據(jù)患者的個(gè)人情況設(shè)計(jì)并精確定制適合患者的假體和內(nèi)置物，不同于傳統(tǒng)內(nèi)置物的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，其與個(gè)體匹配度更高，有助于促進(jìn)患者骨骼的修復(fù)與生長［19］。Xu等［20］將3D打印的軸向椎體用于1例患有C2尤文肉瘤的12歲患者。在切除術(shù)后，根據(jù)計(jì)算機(jī)模型使用鈦合金粉末制造定制人工椎體并插入，以替代C1和C3之間的缺陷。該技術(shù)優(yōu)化了置入物的微觀結(jié)構(gòu)，使得人工脊椎擁有更好的生物力學(xué)穩(wěn)定性，促進(jìn)了骨愈合。劉路坦等［21］在兔體內(nèi)置入含有不同孔隙率的3D打印多孔鈦板，研究發(fā)現(xiàn)新生骨能夠在多孔鈦板的孔隙結(jié)構(gòu)長入，并且其長入效果受多孔鈦板孔隙率大小影響。Fan等［22］對位于鎖骨尤文肉瘤采取3D打印技術(shù)進(jìn)行治療。置入假體具有多孔結(jié)構(gòu)，降低了彈性模量，相鄰結(jié)構(gòu)通過不可吸收縫線固定在假體的孔隙中，患者恢復(fù)迅速且無并發(fā)癥。李寧等［23］通過有限元分析法在站立態(tài)及步行態(tài)下對3D打印鈦合金骨盆假體的生物力學(xué)性能進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)3D打印個(gè)性化鈦合金骨盆假體基本滿足人體生物學(xué)要求，能夠有效恢復(fù)骨盆環(huán)的應(yīng)力傳導(dǎo)，其治療效果具有有效性和穩(wěn)定性。Zhang等［24］依靠熔融沉積成形制造技術(shù)，利用聚醚醚酮（PEEK）制備PEEK肋軟骨假體，該假體具有替代天然肋軟骨的潛力，接受胸壁重建的患者可具有更好的呼吸功能。李科偉等［25］探討了個(gè)性化3D打印髖臼墊塊和臼杯在髖關(guān)節(jié)翻修中的臨床效果，采用個(gè)性化3D打印模型術(shù)前規(guī)劃，術(shù)中應(yīng)用3D打印金屬墊塊和臼杯翻修治療30例髖臼松動(dòng)并骨缺損患者，個(gè)性化的匹配髖臼松動(dòng)與骨缺損情況，優(yōu)化手術(shù)操作，近期臨床效果滿意。

2.1.3 骨科術(shù)后康復(fù)器械

骨科康復(fù)器需要具備良好的舒適度及康復(fù)效果，但傳統(tǒng)方法制備的器械難以實(shí)現(xiàn)因人而異，無法滿足患者個(gè)體化的需求。3D打印可根據(jù)不同年齡、不同身高的患者進(jìn)行精確模擬解剖結(jié)構(gòu)，從而定制適合個(gè)人的康復(fù)器械。廣泛應(yīng)用于義肢及矯正器、康復(fù)治療和訓(xùn)練輔助器中。張燁等［26］設(shè)計(jì)了一臺(tái)用于上肢手腕的康復(fù)矯正器，該矯正器使用時(shí)舒適度高、透氣性強(qiáng)、外觀美觀，重量輕且安裝簡易，能夠滿足大多數(shù)用戶的要求。Young等［27］介紹1例72歲的白人男性左手近側(cè)指間關(guān)節(jié)部分截肢的病例，為其安裝3D打印的部分手指，當(dāng)使用3D可打印材料時(shí)，與不使用假肢時(shí)相比，其運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)得到改善，運(yùn)動(dòng)效率提高。孟強(qiáng)等［28］首先制備出踝關(guān)節(jié)的3D模型，然后選取EVA復(fù)合材料、紫銅網(wǎng)、硅膠膜作為原材料，通過立體剪裁方法制備了可以有效防止踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻的防護(hù)型踝護(hù)具，該護(hù)具能夠緩沖壓力，還具有減震及正畸等作用，能夠增強(qiáng)患者足部穩(wěn)定性，提高其行走功能。Wei等［29］使用3D打印為2例患兒制作了透明面罩，臨床研究中顯示，2例患兒平均瘢痕厚度在治療3個(gè)月后大大減小，面部扭曲也有效改善，加大了重建手術(shù)的可能。采取3D打印技術(shù)制作骨科康復(fù)器械能夠?qū)崿F(xiàn)舒服佩戴，材料成本也較低，能滿足個(gè)體化及個(gè)性化需求，但需要注意的是，它的設(shè)計(jì)和組裝仍然很復(fù)雜，在制造單個(gè)部件時(shí)其生產(chǎn)成本會(huì)高于注射成形。

2.2 3D打印在組織工程的應(yīng)用

組織工程中最大的難題是神經(jīng)系統(tǒng)損傷的治療，而不同組織類型的再生是目前解決該難題的有效策略。3D打印技術(shù)可采用天然材料、聚合物材料、生物陶瓷等生物活性材料對復(fù)雜組織超微結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿生構(gòu)建，并可通過對支架材料的力學(xué)性能調(diào)控及內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，構(gòu)建適合細(xì)胞生長的微環(huán)境，在骨肌組織、關(guān)節(jié)、神經(jīng)、心血管、脊椎的再生修復(fù)中得到廣泛應(yīng)用，具有促進(jìn)細(xì)胞生長，血管化的作用，對解決骨肌組織構(gòu)建難題展示了一種新的治療途徑［30］。袁景等［31］采用3D打印制備β-磷酸三鈣支架，將支架與大鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞共培養(yǎng)7 d，觀察細(xì)胞黏附與形態(tài)變化。大鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞黏附于β-磷酸三鈣支架表面，并深入支架內(nèi)部，生長良好，增殖活躍，細(xì)胞堿性磷酸酶活性有提高，該架具有良好的細(xì)胞相容性和骨修復(fù)性能。Yurie等［32］采用選取人類纖維細(xì)胞通過3D打印出無支架材料的神經(jīng)微導(dǎo)管，實(shí)驗(yàn)證明該神經(jīng)微導(dǎo)管對大鼠坐骨神經(jīng)缺損的再生有促進(jìn)作用。張廣亮［33］以人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞（HUVECs）和成纖維細(xì)胞為種子細(xì)胞，纖維蛋白-明膠為支架材料，通過3D打印組織血管化過程的觀察分析、血管化調(diào)控相關(guān)分子及血管生成過程發(fā)現(xiàn)，3D打印牽張力決定了打印組織中血管形成的走向，細(xì)胞骨架和膠原均參與牽張力調(diào)控血管形成的過程。

3 展望

3D打印技術(shù)應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，但在骨科領(lǐng)域的應(yīng)用仍處于起步階段，存在的主要問題有：臨床置入材料要求高，材料選擇受限；打印過程精度要求高，效率低，周期長；3D打印設(shè)計(jì)交叉學(xué)科，如醫(yī)學(xué)、影像學(xué)、生物工程等，對設(shè)備條件及人員要求高；缺乏大樣本和長時(shí)間隨訪數(shù)據(jù)；尚無健全的法律法規(guī)和明確的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有極大價(jià)值，其在各個(gè)科室的應(yīng)用逐漸深入，在骨科的運(yùn)用更是走在前列。在未來的發(fā)展中，三維組裝活細(xì)胞、構(gòu)建生物活性組織及人體器官、3D打印生物材料將是3D打印的研究熱點(diǎn)，骨科領(lǐng)域的突破關(guān)鍵是制備具有感知效應(yīng)的康復(fù)器并且不斷提高其感應(yīng)靈敏度。隨著材料科學(xué)的發(fā)展進(jìn)步和科技的日新月異，政策法規(guī)將日趨完善，以保障和支持3D打印技術(shù)的發(fā)展和探索。