3D打印技術(shù)在骨科臨床中的應(yīng)用*

常瑞龍，張磊，顧玉彪

（甘肅省中醫(yī)院 關(guān)節(jié)骨科，甘肅 蘭州 730050）

3D 打?。?D Printing）又稱增材制造技術(shù)，以計算機的三維設(shè)計模型為藍本，運用軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，經(jīng)激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、細胞組織等特殊材料進行逐層堆積粘結(jié)，最終疊加成型，制出實體產(chǎn)品，屬于快速成型技術(shù)的一種，起源于美國十九世紀(jì)末。近年來，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，跟計算機圖形學(xué)、機器人學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域相結(jié)合，3D 打印呈現(xiàn)了日益豐富的可能性與更加廣闊的前景，在醫(yī)學(xué)、航空航天、軍事、建筑、文物保護、藝術(shù)與交叉應(yīng)用等領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。其中，在醫(yī)學(xué)方面，3D 打印主要用來制作醫(yī)學(xué)教學(xué)用具與醫(yī)療實驗?zāi)Ｐ?、人體組織器官再生與活體細胞培養(yǎng)、與人體相容性更好的植入物等，在臨床諸多領(lǐng)域均獲得了一定應(yīng)用，在骨科臨床中輔助復(fù)雜骨折的內(nèi)固定、關(guān)節(jié)假體置換、脊柱置釘?shù)确矫婢鸬搅撕芎玫男Ч?。作者檢索近年國內(nèi)外的文獻報道，對3D 打印技術(shù)在骨科臨床中的發(fā)展應(yīng)用進行綜述，希望能給臨床骨科疾病的治療提供思路及更多的促進其技術(shù)的完善與應(yīng)用。

1 創(chuàng)傷骨科

隨著社會科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們的生活方式及人口比例都在發(fā)生著改變，臨床疾病權(quán)重也在隨著調(diào)整，日常工作中更容易碰到疑難復(fù)雜骨折、老年性患者的骨折等；從以往對創(chuàng)傷骨折通過X線、CT 等影像資料制定手術(shù)治療方案，到目前對部分復(fù)雜骨折通過運用3D 打印技術(shù)制造1∶1 的骨折模型，模擬復(fù)位，明確預(yù)定植入的內(nèi)固定最佳位置，甚至植入物的大小、方向等；必要時還可行內(nèi)植入接骨板的塑型預(yù)彎，提前進行手術(shù)的設(shè)計、預(yù)演。檢索近年來發(fā)表的文獻，3D 打印技術(shù)在治療股骨粗隆間骨折［1］、股骨頸骨折［2］、脛骨平臺骨折［3-4］、距骨骨折［5］、Pilon 骨折［6-7］、骨盆骨折［8］等方面已廣泛應(yīng)用。通過對比研究，3D打印技術(shù)輔助可實現(xiàn)手術(shù)的精準(zhǔn)操作，可減輕手術(shù)創(chuàng)傷，降低手術(shù)時間、術(shù)中出血量等，對患者術(shù)后盡快的康復(fù)、減少并發(fā)癥的發(fā)生有著重大的意義［1-8］。對部分近關(guān)節(jié)或者關(guān)節(jié)內(nèi)的骨折，3D 打印技術(shù)輔助骨折內(nèi)固定治療，還可以增加患肢術(shù)后的功能恢復(fù)［1,3-4,6-7］；部分骨折因為解剖結(jié)構(gòu)或者創(chuàng)傷因素的影響，3D 打印技術(shù)對術(shù)后功能恢復(fù)的優(yōu)越性干擾不強［2,5］；對復(fù)雜的骨折手術(shù)中，既往的成品接骨板難以滿足骨折的固定，3D 打印技術(shù)可以打印個性化接骨板內(nèi)固定治療［4,8］，滿足臨床的需求；高科技發(fā)展的社會，高能量的損傷隨處可見，3D 打印鈦合金假體植入治療四肢大段骨缺損，可實現(xiàn)骨骼解剖重建與生物力學(xué)穩(wěn)定重建，對患者的康復(fù)有促進作用［9］。3D 打印技術(shù)的運用，對臨床的治療方式有積極的促進作用，不僅患者得益，3D 技術(shù)的運用降低了醫(yī)護長時間受X線輻射的風(fēng)險［1-2,4,8］，并且能夠幫助患方更好地理解診療方案，提高醫(yī)患溝通效果，能充分理解手術(shù)風(fēng)險，可提高患方治療過程的滿意度［5,10］。

2 脊柱骨科

因脊柱的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，毗鄰著動脈、脊髓等重要結(jié)構(gòu)，手術(shù)操作須慎重，尤其是頸椎、嚴(yán)重脊柱側(cè)凸畸形，手術(shù)操作難度大、風(fēng)險高，手術(shù)失誤可導(dǎo)致動脈穿孔、刺激脊髓等嚴(yán)重并發(fā)癥［11-12］，嚴(yán)重者可致患者癱瘓、危及生命等［13］。

3D 打印個性化導(dǎo)板將頸椎、脊柱側(cè)凸畸形等手術(shù)的風(fēng)險和難度大大降低，臨床上越來越多的學(xué)者將這種技術(shù)應(yīng)用于脊柱手術(shù)中，3D 打印導(dǎo)板行頸椎后路椎弓根螺釘內(nèi)固定治療［14-16］有效避免手術(shù)副損傷（血管、神經(jīng)）和并發(fā)癥的發(fā)生，經(jīng)后路椎弓根釘棒內(nèi)固定治療強直性脊柱炎并胸腰椎骨折［17］、經(jīng)皮穿刺雙節(jié)段骨質(zhì)疏松性椎體壓縮骨折椎體成形［18］、脊柱側(cè)凸畸形矯形［19-20］等手術(shù)借助3D 打印技術(shù)均精準(zhǔn)操作，相較于既往縮短了手術(shù)時間、減少術(shù)中放射暴露，驗證了其輔助置釘?shù)陌踩院蜏?zhǔn)確性。但是，3D 打印導(dǎo)板因為工藝、技術(shù)等因素的差異，臨床效果會有所差別［20-21］，且對于術(shù)中突發(fā)情況，特別是嚴(yán)重脊柱側(cè)凸畸形復(fù)雜解剖變異者，3D 打印技術(shù)無法及時術(shù)中調(diào)整設(shè)計［17,20］，值得一提。

3 關(guān)節(jié)矯形骨科

隨著醫(yī)療水平的提高、醫(yī)學(xué)知識的普及，人們對疾病的認識和治療的接受也在發(fā)生著改變，越來越多的關(guān)節(jié)置換手術(shù)就可以說明。隨著關(guān)節(jié)置換術(shù)逐年增加，患者年齡趨于年輕化，且復(fù)雜的髖、膝等關(guān)節(jié)疾病愈發(fā)常見，關(guān)節(jié)置換術(shù)后的翻修也隨著關(guān)節(jié)置換患者的增多而逐年增長。3D打印技術(shù)借助CT 等影像資料，在三維平面的基礎(chǔ)上制出三維立體模型［22-25］，打印個性化鈦合金假體廣泛應(yīng)用于各種類型的骨骼和關(guān)節(jié)損傷的修復(fù)和翻修治療［26-28］，重建關(guān)節(jié)功能，療效滿意。因為3D 打印個性化定制假體形態(tài)與骨缺損一致，能完美匹配患者關(guān)節(jié)骨骼缺損的部位、范圍，使得關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)可精確還原，解決了假體的匹配問題，從而獲得假體的初始穩(wěn)定性，且其表面的骨小梁多孔結(jié)構(gòu)與松質(zhì)骨相似，有著良好的骨長入效果，為假體的遠期穩(wěn)定性提供保障［29-31］。3D 打印技術(shù)輔助制作個性化導(dǎo)板，輔助截骨在初次人工表面膝關(guān)節(jié)置換中運用，減少了既往的股骨開髓髓內(nèi)定位等手術(shù)步驟，且截骨角度更加精準(zhǔn)，術(shù)后康復(fù)及手術(shù)滿意度良好［32］；另外，在早期股骨頭壞死髓內(nèi)減壓［33］、膝關(guān)節(jié)畸形截骨矯形［34-38］、高位脛骨截骨矯形［39］、重度踇外翻截骨矯形［40］、小兒肘關(guān)節(jié)畸形截骨矯形［41］等方面，3D 打印導(dǎo)板已廣泛運用，研究證實對術(shù)中透視次數(shù)、手術(shù)時間、截骨周圍組織損傷、術(shù)后感染發(fā)病率等方面的控制有明顯的優(yōu)勢［32-41］。

4 腫瘤骨科

骨腫瘤原發(fā)病灶通常體積較大，多累計關(guān)節(jié)（髖、膝等），一般毗鄰有動脈、神經(jīng)等重要結(jié)構(gòu)，不規(guī)范的外科治療會導(dǎo)致肢體殘疾甚至危及患者生命［42］。腫瘤的切除手術(shù)也是一大挑戰(zhàn)，隨著科技進步，診療水平及化療技術(shù)等有了很大的提高，對腫瘤范圍的界定和控制有了長足的發(fā)展［43］，但大范圍的切除，會給肢體功能的重建帶來困難［44］，3D 打印技術(shù)的出現(xiàn)，對骨腫瘤的治療提供了新的思路。目前，臨床中在骨盆腫瘤［43,45］、髖關(guān)節(jié)腫瘤［26］、近膝關(guān)節(jié)腫瘤［46-47］、四肢長骨股骨干腫瘤［48-49］等方面應(yīng)用廣泛，解決了骨骼空間的重建難題，早期臨床效果優(yōu)異，有利于組織功能的康復(fù)。

5 總結(jié)

3D 打印技術(shù)的興起、發(fā)展，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域促進了新的治療方式，尤其在骨科領(lǐng)域得到廣泛運用，且優(yōu)勢明顯：術(shù)前設(shè)計手術(shù)方案，術(shù)中精準(zhǔn)操作、縮短手術(shù)時間、減少手術(shù)副損傷，術(shù)后更快的機體功能康復(fù)，應(yīng)用前景非常廣闊。但目前技術(shù)的開發(fā)和臨床應(yīng)用資料，均是對臨床應(yīng)用早中期的觀察研究，缺乏大樣本、長時期的觀察研究；另外，3D 打印在術(shù)前計劃準(zhǔn)備消耗時間，對于急診或術(shù)中突發(fā)情況及時調(diào)整較困難也需要注意。相信伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，材料技術(shù)的提高，高精度高定制化的3D 打印能更廣泛運用在骨科，值得發(fā)掘。