3D打印技術(shù)在骨科手術(shù)中的應(yīng)用進展

中圖分類號：R687.3 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）18-0189-04

Abstract：Inrecentyears，3Dprinting technologyhasdevelopedrapidlyinorthopedicsurgery.Thesurgicalguideit producescansimulatetheorthopedicsurgeryrequiredbeforesurgery，therebyefectivelyreducingaccidentsduringsurgery.Itcan alsouseavarietyofmaterialstodesignjoints.Implantsmakeartificialjointsmoreadaptabletothehumanenvironment.3D printingtechnologyalsoplaysahugeroleincomplexorthopedicsurgeriessuchasbonereconstructionaftertumorresection， deformitycorrctionsurgeryandbonedefects.Thispaperanalyzesandprospectsthedevelopmentof3Dprintingtechnologyin orthopedics，and puts forward suggestions for new research directions.

Keywords： 3D printing; personalized implants; bone tissue engineering; surgical guides; orthopedic surgery

3D 打印技術(shù)又稱為“增材制造\"和“分層制造”。打印過程有一定的步驟：首先需要建模。首選計算機輔助（CAD）軟件，對制造的物體在計算機上進行原型設(shè)計，完成建模之后要對模型進行切片，使模型成為可打印的層。最后一步為打印，通過在層之上添加另一層來制造對象。通過3D打印技術(shù)可以突破傳統(tǒng)的限制設(shè)計出不同的材料，也節(jié)省了時間和成本。3D打印技術(shù)正在應(yīng)用于各個領(lǐng)域，尤其是在醫(yī)療領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用。

3D打印技術(shù)在以下4個方面參與到醫(yī)療的發(fā)展當(dāng)中：器官模型輔助術(shù)前計劃和手術(shù)治療分析，永久性非生物活性植入物，制造局部生物活性和可生物降解支架，直接打印組織和器官2。3D打印可用于學(xué)習(xí)過程，來幫助醫(yī)生進行手術(shù)的練習(xí)。通過3D技術(shù)建造的模型可以提高準確率，為醫(yī)生在進行臨床操作時節(jié)約時間，并且由于是對真實患者病理狀況的模擬，可以為外科醫(yī)生提供培訓(xùn)的機會。3D打印技術(shù)可以建造骨骼，來代替因為創(chuàng)傷或疾病引起的骨骼中的縫隙。這種治療和單純使用移植物不同，因為它可以在體內(nèi)直接使用從而生成骨骼來發(fā)揮作用。3D打印技術(shù)也可用于替代、恢復(fù)、維持或改善組織功能，生產(chǎn)的替代組織具有互連的孔隙網(wǎng)絡(luò)、生物相容性、適當(dāng)?shù)谋砻婊瘜W(xué)性質(zhì)，并具有良好的機械性能[3]。

3D打印技術(shù)在骨科中的潛力巨大，涵蓋了從個性化治療到手術(shù)優(yōu)化，再到新型骨修復(fù)材料開發(fā)等多個方面。隨著技術(shù)的進步，3D打印正在推動骨科醫(yī)學(xué)從傳統(tǒng)的標(biāo)準化治療向更精確、個性化、功能化的方向發(fā)展。3D打印技術(shù)可以制作骨科手術(shù)的模型作為術(shù)前的規(guī)劃和模擬。通過模型可以可視化患者的病理，在手術(shù)中被帶入手術(shù)室作為確認解剖結(jié)構(gòu)的指導(dǎo)適當(dāng)干預(yù)的參考。在手術(shù)導(dǎo)板的制作和定制植入物方面，3D打印技術(shù)也發(fā)揮著重大作用。它不僅可以促進術(shù)前計算機化手術(shù)計劃的執(zhí)行、縮短手術(shù)時間并改善結(jié)果，還可以通過打印植入物修復(fù)患者缺損骨的部位[4]。

13D打印技術(shù)在骨科手術(shù)中的基礎(chǔ)運用

1.1術(shù)前規(guī)劃和模擬

目前，3D打印在骨科的手術(shù)當(dāng)中得到了廣泛的應(yīng)用，在一項研究中骨科手術(shù)占關(guān)于3D打印手術(shù)文章的近 25% 。骨折的手術(shù)治療結(jié)合3D打印技術(shù)是一個特別值得關(guān)注的領(lǐng)域，形成的模型可以使手術(shù)持續(xù)時間和出血量得以減少。3D打印的骨科應(yīng)用還包括創(chuàng)建腫瘤切除的腫瘤模型；這些可以促進腫瘤切除并準確復(fù)制所要研究的病變及周圍的解剖結(jié)構(gòu)。

術(shù)前規(guī)劃的范圍包括脊柱手術(shù)、髖關(guān)節(jié)和盆腔手術(shù)等。脊柱的解剖結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，使用3D打印模型進行嚴重脊柱畸形的術(shù)前計劃是3D打印技術(shù)在手術(shù)中的主要應(yīng)用。外科醫(yī)生可以利用3D打印脊柱模型決定所需的截骨水平和程度、螺釘軌跡、固定水平等。而在髖關(guān)節(jié)和盆腔當(dāng)中，3D打印模型可以增強對髖白骨折形態(tài)的理解，幫助外科醫(yī)生確定最佳治療計劃，從而確定最佳手術(shù)方法、復(fù)位技術(shù)及最佳植入物的定位和固定。

1.2 定制化手術(shù)導(dǎo)板

在骨科手術(shù)領(lǐng)域，3D打印手術(shù)導(dǎo)板已經(jīng)用于骨切割導(dǎo)板與鋼板定位導(dǎo)板，助力畸形愈合病例的矯正截骨切割。從臨床骨科使用的3D打印手術(shù)導(dǎo)板來看，其可分為截骨導(dǎo)板、螺釘放置導(dǎo)板和其他系列導(dǎo)板這3種類型。在脊柱、關(guān)節(jié)、創(chuàng)傷及骨腫瘤等各類手術(shù)中，截骨導(dǎo)板的應(yīng)用最為廣泛。使用定制化導(dǎo)板開展骨科手術(shù)，由于不存在骨切割方面的混淆，能夠縮短手術(shù)時長、減少出血量。此外，3D打印導(dǎo)板技術(shù)可讓術(shù)前計劃更加直接，無須過度去除骨皮層或產(chǎn)生多個碎片，從而增加了手術(shù)成功的幾率。

2個性化植入物設(shè)計

2.1定制化關(guān)節(jié)植入物

人工關(guān)節(jié)置換物是由金屬、陶瓷或者高分子有機物組成的物質(zhì)，它可以根據(jù)人體的關(guān)節(jié)特點，通過外科技術(shù)移植人人體內(nèi)，代替正常關(guān)節(jié)的功能，有緩解疼痛和恢復(fù)功能的作用。

隨著人工關(guān)節(jié)置換物的應(yīng)用，人們發(fā)現(xiàn)其在人體內(nèi)并不是一直穩(wěn)定地發(fā)揮作用，而是像正常的生物體一樣有生存壽命。影響人工置換關(guān)節(jié)壽命的因素主要為無菌性松動，除此之外還有以下幾個方面： ① 醫(yī)生方面。手術(shù)操作的規(guī)范性，術(shù)前對假體的選擇。 ② 置換物方面。金屬-普通塑料墊片機械測試壽命15＼～25年，陶瓷普通塑料墊片機械測試壽命20＼～40年。 ③ 患者因素。有無關(guān)節(jié)感染史，有無其他疾病及身體素質(zhì)的狀況8

目前已經(jīng)有所研究的新型關(guān)節(jié)置換物的材料為：① 新型納米涂層材料。成骨細胞是一種電響應(yīng)的細胞，基于研究發(fā)現(xiàn)聚左旋乳酸（PLLA）可以將機械能轉(zhuǎn)化為電能，唑來膦酸（ZA）可以提高PLLA的壓電性能并可以使其緩慢釋放直接抑制骨溶解的活動。以摻雜了ZA的PLLA作為新型納米涂層，可以有效預(yù)防無菌性松動，并可以預(yù)防骨溶解活動的異常，具有安全性可降解性、來源廣泛、成本低廉的特點。 ② 多孔金屬。具有2個方面明顯的優(yōu)勢，即抗腐蝕性能和良好的生物相容性。多孔可以在強酸強堿的環(huán)境下生成超氧化膜來抵抗腐蝕，與人體組織的親和力高，可以與生物組織進行黏附生長。憑借其促使細胞黏附、生長和增值的特性及促進新骨生長的能力，多孔鈕在關(guān)節(jié)置換領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[10]。

2.2 生物活性3D打印植入物及制造

脊柱植入物的個性化設(shè)計所用的傳統(tǒng)材料可以分3種：不可降解金屬植入物、不可降解非金屬植入物、可降解植入物。根據(jù)研究調(diào)查金屬植入物多為多孔植入物的設(shè)計，非金屬材料則多為陶瓷和PEEK，可降解材料多為高分子材料，如聚乳酸（PLA）聚己內(nèi)酯（PCL）蛋白質(zhì)多糖等。

對運用最為廣泛的多孔植入體進行研究可以得出，其機械性能和生物學(xué)性能與多孔的機構(gòu)和設(shè)計有關(guān)。采用nTopology對體心立方、泰森多邊形、面心立方和正十二面體進行結(jié)構(gòu)建模的有限元分析，通過模擬不同結(jié)構(gòu)的線彈性行為，研究應(yīng)力分布，最終可發(fā)現(xiàn)泰森多邊形結(jié)構(gòu)強度最高、應(yīng)變最大、應(yīng)力分布較其他更加均勻[。由此得出，需要運用3D打印的技術(shù)方式生產(chǎn)泰森多邊形的空洞結(jié)構(gòu)，對應(yīng)的生產(chǎn)方式有激光粉末床熔融（Laser-PowderBed Fusion，L-PBF）和新型擠出成形的3D打印技術(shù)等。

L-PBF本質(zhì)上是液態(tài)成形的方法，將金屬植入物由粉末材料融化和凝固后獲得。它使用聚焦激光束在3D計算機輔助設(shè)計（CoumputerAidedDesign，CAD）模型的橫截面切選定區(qū)域內(nèi)融化金屬粉末，然后在高冷卻速率下使熔池固化。在一層掃描結(jié)束后，構(gòu)建平臺會降低一定厚度，之后再涂蓋一層新的粉末重復(fù)一層層的沉積過程直至完成所有的CAD輪廓的切片。典型的L-PBF系統(tǒng)如圖1所示[1]。

擠出成形3D打印技術(shù)主要包括3個階段：漿料準備，擠出成形3D打印，支架燒結(jié)。將一定量的1799型聚乙烯醇（PVA，上海阿拉?。┯嬋敕兴?， 0% 貯存得到PVA水凝膠。將Ti6A14V粉末加入PVA凝膠得到鈦合金漿料。之后用自制擠出成形3D打印設(shè)備進行打印，最后放入干燥箱中干燥。具體流程如圖2所示[13]。

3組織工程與3D打印技術(shù)

3.13D打印與骨組織工程概述

骨組織工程是由支架材料、種子細胞和細胞因子組成。而3D打印的骨組織工程即為運用支架材料通過3D打印技術(shù)來制造骨組織工程支架，從而運用到臨床達到骨缺損修復(fù)的目的。具體路徑如圖3所示[14]。

目前選用的支架材料主要為金屬材料、非金屬物質(zhì)和可降解高分子化合物，與之相匹配的3D打印技術(shù)主要為擠出成型、粒狀物料成型、光聚合成型和其他成型技術(shù)。

3.23D打印支架在骨缺損中的應(yīng)用

3D打印在骨缺損中的應(yīng)用主要依靠不同的支架材料在顱骨、脊柱等部位實現(xiàn)功能的恢復(fù)。根據(jù)缺損部位切除的情況和解剖的形態(tài)學(xué)特點設(shè)計出符合要求的人工骨，最大面積貼附骨界面，減少人工骨的塌陷。與傳統(tǒng)的骨缺損修復(fù)相比，3D打印技術(shù)的優(yōu)勢在于：允許個體化定制人工骨，改變孔隙率和孔徑，減少免疫排斥反應(yīng)，減少應(yīng)力屏蔽問題，更好地適應(yīng)人體內(nèi)環(huán)境[15。目前除了對支架材料的聯(lián)合應(yīng)用，還延伸到了將骨髓間充質(zhì)干細胞（BMSCs）、化學(xué)物質(zhì)等非材料物質(zhì)加用到3D打印技術(shù)當(dāng)中。根據(jù)研究表明，BMSCs引用到磷酸鈣支架中會提高干細胞的增殖與成骨的效率，提高磷酸鈣支架的生物相容性；通過合適比例的羥基磷灰石和 β- 磷酸三鈣制作出來的物質(zhì)結(jié)合光固化3D打印出三重周期極小曲面構(gòu)型，聯(lián)合人身皂苷 Rg1 制造增強支架植入物，可以有效地促進新骨和血管構(gòu)成[7]。

4結(jié)論

雖然3D打印在骨科中的應(yīng)用日趨完善，但仍存在著一些困難。目前應(yīng)用于重建材料的種類還依然缺乏，由于材料的不同和人體之間的差異，導(dǎo)致了每個人對每種材料的適應(yīng)性不同，同時也對患者產(chǎn)生了不同程度的經(jīng)濟負擔(dān)。因此還需要找到更加合適的材料，能完美被人體適應(yīng)的同時，其價格也能被患者接受[8]。未來還需要提高3D打印的維度。3D打印只是在空間上的靜態(tài)模型，對于仍在發(fā)育的患者而言，3D打印的模型并不能隨著人體長大，因此需要將其拓展到時間的維度上，使其能在之后的時間里隨人發(fā)育改變自身形態(tài)以適應(yīng)人體的變化8。還應(yīng)該發(fā)展體內(nèi)3D打印。3D生物打印通常在活體外打印出人體需要的結(jié)構(gòu)，然后再移植到體內(nèi)，這會增加打印體與外界環(huán)境的接觸時間，增大被污染風(fēng)險，因此可將3D打印直接在生物體內(nèi)進行，將生物材料直接打印到器官或者骨骼上[19]。

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