骨科3D打印技術的應用研究與前景展望

溫陽陽++李文龍+范亞楠++劉又文

[摘要] 3D打印技術最早應用于工業領域。這些年來，由于3D打印材料體系的逐漸研發升級和操作控制技術的不斷完善，臨床醫師已逐漸將其應用于醫學領域。本文對與骨科相關的3D打印技術進行了介紹，3D打印技術在骨科領域中4個方面的應用：3D打印實體模型為臨床醫師提供全面精確的術前診斷，并輔助醫師進行術前規劃與模擬，從而制訂更詳細準確的手術方案；3D打印手術導航模板能對復雜骨科手術進行術中導航，簡化手術操作，降低手術難度；3D打印定制個性化及特殊需求的內置物，使之與個體匹配度更高，從而使患者獲得更好的臨床效果；3D打印模型應用于臨床解剖教學，提高學生臨床診斷能力，并為其骨科學習提供廣闊的操作空間。最后本文總結了3D打印技術的優勢和劣勢，并對其發展方向提出了探討與展望。

[關鍵詞] 骨科；3D打??；臨床應用；醫學教學；應用研究

[中圖分類號] R687 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673-7210（2017）02（c）-0041-04

3D打印最早出現在20世紀80年代后期[1]，是一種材料快速構造成型技術。它與傳統減材加工技術不同，以分層制造、疊加成型為原理，通過計算機軟件分層離散和數字控制成型系統，用激光束或其他方法將液態金屬或塑料等可黏合材料逐層的堆積成三維實體部件[2]，故又稱為增材制造技術[3]。近十幾年來，由于3D打印材料體系的逐漸研發升級和操作控制技術的不斷完善，其應用領域逐步從模具制造、工業設計等方面向醫學領域擴展。3D打印具有精確化、個體化等優點，在整形外科、顱頜面等專業率先開展了臨床應用[4]，并取得良好的臨床效果效果，為后續骨科醫師將3D打印與臨床工作相結合奠定了基礎。本文對3D打印技術在骨科方面的臨床應用進行了回顧與總結，并對其發展方向進行了探討與展望。

1 骨科相關3D打印技術介紹

根據3D打印所用材料和成型方法的不同，與骨科相關的3D打印技術主要包括以下幾種[5]：

1.1熔融沉積成型

熔融沉積成型（fused deposition modeling，FDM）采用熱熔噴頭，按照固定軌跡、固定速率，對絲狀材料如熱塑性材料或金屬的熔絲等進行熔體沉積。

1.2光固化成型

光固化成型（stereo lithography apparatus，SLA）采用可控制的紫外線激光束，按計算機切片軟件所得的每層薄片的二維圖形輪廓軌跡，對液態光敏樹脂進行掃描固化，形成連續的固化點，從而構成模型的一個薄截面輪廓，下一層用同樣的方法制造。

1.3選擇性激光燒結

選擇性激光燒結（selective laser sintering，SLS）采用激光束在指定路徑上有選擇性地掃描并熔融工作臺上很薄且均勻鋪層的材料粉末（如尼龍等聚合物、青銅合金、鈦合金、陶瓷和玻璃）。

1.4分層實體制造

分層實體制造（laminated object manufacturing，LOM）以片材（如紙張、皮毛及金屬薄片）為原材料，激光切割系統按照計算機提取的橫截面輪廓線數據，將背面涂有熱熔膠的材料用激光切割出工件的內外輪廓，并逐層切割、粘合，最終成為三維工件。

1.5 金屬直接熔融技術

1.5.1 電子束熔融（electron beam melting，EBM） 在真空環境中以電子束為熱源，對不斷在粉末床上鋪展的金屬粉末進行掃描熔化，使一個個微小的金屬熔池相互融合并凝固，這樣不斷地層面累積，即可形成一個完整的金屬零件實體。

1.5.2 選擇性激光熔融（selective laser melting，SLM） SLM成型原理與EBM成型技術相似，也是一種基于粉末床的鋪粉成型技術，兩者不同之處在于熱源由激光束替代了電子束。

在骨科領域中，可根據不同的需求選擇合適的成型技術。術前模型和術中導板對材料的精確度要求較高，SLA成型技術具有性能優異、成型速度快等優點，因此SLA成型技術應用于骨科術前模型和術中導板的設計是有理可循的。此外，對于構建精度要求不高的骨科模型，相對經濟的FDM成型技術則是最佳選擇。臨床上骨科植入物的打印與應用，是為了能夠全部或部分替代患者關節、骨骼、軟骨等骨骼系統，故其對材料的精確度和生物相容性的要求更高。在金屬直接熔融技術中，SLM成型技術精度高，在經過二次熱處理后，適用于小型、精密的植入物打印；而EBM成型技術雖精度相對遜色，但其無需二次熱處理，高溫環境下一次成型，效率較高，故適用于骨科植入物的直接制造，美國FDA及歐盟CE認證其鈦合金成型件具有良好的生物相容性[6-8]。

2 3D打印技術在術前診斷、規劃與模擬方面的應用

2.1 術前診斷

臨床上骨科疾病的診斷，醫師除了結合專業知識和臨床經驗之外，往往還需要借助X線片、CT、MRI等影像學資料去更深入地了解患者病情。但是這些傳統的影像學檢查方法只能提供單一的二維圖像或三維平面圖像，那些精準而又立體的三維解剖關系無法被呈現。當臨床上出現復雜骨折的患者時，醫師可能會對疾病的診斷、分型、空間形態認識不充分，出現漏診或誤診，從而增加手術風險[9-10]。相比于傳統的影像學資料，詳細、直觀、立體的3D打印實體模型可以幫助醫師增強對復雜疾病的空間解剖結構的理解與認識，從而降低誤診、漏診的概率，做出全面精確的診斷。如脊柱腫瘤的鑒別、特發性脊柱側彎的分型、復雜的脊柱骨折分型等[11-13]。國外有學者運用3D打印技術分別對20例髖臼骨折患者進行髖臼模型的打印，讓高級醫師和初、中級醫師分別通過傳統影像資料和模型進行骨折分型的診斷，結果表明，對于初、中級醫師而言，3D打印模型較傳統影像資料更容易獲得準確的分型診斷，為后續治療提供可靠基礎[9]。

2.2 術前模擬與規劃

在傳統的手術流程中，醫師術前只能在腦海中對手術進行反復的想象模擬。數字化三維重建技術和相關計算機軟件的出現，為現代骨科手術提供了新的視野與途徑，為虛擬手術和現實實施之間搭了一座橋梁。醫師可在打印出的模型上進行術前操作演練，制定更詳細的手術方案。憑借術前體外熟悉的操練，醫師可根據術前規劃做到術中得心應手，減少術中誤差。同時可提前對內固定鋼板進行預先塑形[14]，在模擬中精確設計釘道，確定接骨板位置及螺釘方向軸、直徑、長度[14-15]。這些準備工作能有效縮短手術時間，提高手術的準確性，為制定康復診療方案、判斷預后提供更有力的依據。Rohner等[16]利用3D打印技術成功模擬精確腓骨截骨治療下頜骨缺損，并利用術前模擬數據指導手術實踐，獲得良好的臨床效果。Armillotta等[17]針對脊柱畸形患者，術前設計螺釘植入的先后順序及植入椎體節段，縮短了手術時間，減少術中出血，降低術中置釘的穿孔率及方向錯誤率，錐弓根置釘準確率達到了98.08%。Dennis等[18]在復雜的頜面部重建術實施之前，利用3D打印技術進行了充分的術前模擬與規劃，研究認為正確的術前模擬與規劃正是手術中皮瓣移植和骨板結合成功的關鍵所在。

3 3D打印技術在術中導航輔助中的應用

明確的術前診斷，詳細的手術方案，是手術成功的前提，但更重要的是術前的準備能夠在術中精確的實施。在手術前，醫師通過對患者的影像學資料的數據分析，利用3D打印個性化地設計出手術導板等輔助器械，有助于簡化手術操作，降低手術難度。Levine等[19]在顱頜面外科手術中應用3D打印的個性化手術導板，有效的提高了骨骼重新定位與替換的準確性，術后效果理想。Tricot等[20]報道個性化截骨矯形模板應用于肱骨遠端骨折畸形愈合的治療，可以精確指導截骨的大小及角度，術后隨訪顯示矯形效果良好。Bgaria等[21]在治療復雜的骨盆、髖臼及股骨內側髁骨折中發現導板除了有引導功能以外，還能降低術中出血量，減少麻醉藥物的使用。3D打印導航輔助的優點在于：①導板為個性化設計，可簡化操作，縮短手術時間，降低術中血管、神經損傷的風險；②減少術中透視的時間，保護患者和醫護人員少受輻射；③個性化導板不受患者體位的影響，避免一切因體位變化而產生的誤差，從而相應地提高了手術的成功率。

4 個性化內置物材料打印的應用

目前應用于臨床的標準化內置物能滿足大部分患者的需求，這些統一設計的產品幾何形態基本一致，僅有尺寸大小的差異。而一些比較復雜的患者，如關節畸形嚴重、骨髓腔過粗或過細等，就成了這種單一化醫學模式的受害者。在髖關節置換術中，假體的不匹配會導致圍手術期假體失穩、肢體長度不等、假體周圍骨折等，增加了二次手術的風險[22]。

3D打印技術可根據患者實際情況定制個性化及特殊需求的內置物，使之與個體匹配度高，從而使患者獲得更好的臨床效果。骨盆腫瘤的患者除了要徹底的切除腫瘤，還要盡可能的使患者得到可靠有效的功能重建。骨盆腫瘤切除重建術較為復雜，Sun等[23]對骨盆腫瘤患者的整體病灶數據進行分析，利用3D打印技術設計個性化人工半骨盆假體，在保證髖臼部件位置與方向準確的同時，還可確定假體良好的固定效果，降低手術風險，有利于手術的順利進行。孫海濱等[24]的臨床研究結果表明，利用3D打印技術制作的臨時抗生素骨水泥占位器能滿足患者個性化需求，具有手術時間短、便于二期翻修、費用低等優點，是術后關節功能恢復良好的關鍵。

5 3D打印在骨科臨床教學中的應用

數字技術的飛速發展不僅為骨科疾病的基礎研究和臨床診療提供新的手段，而且也為臨床教學提供了新的方法和空間。主要表現在以下幾個方面。

5.1 直觀生動，利于解剖基礎知識與臨床相結合

在傳統教學中，主要依靠圖片、視頻、實體標本或單一模型等進行授課。人體骨骼解剖結構不同，其鄰近的神經、肌肉、血管又錯綜復雜，傳統教學手段不能將之準確的呈現，學生難以理解[25]。3D模型打印技術可將骨骼及其周圍復雜的神經血管等相關組織直觀、生動地展現在學生面前，便于記憶及應用。McMenamin等[26]將3D打印模型應用于解剖教學，不僅提高了教學效率，而且有效的避免了傳統教學中存在的經濟、健康安全和社會倫理等方面的問題，取得理想效果。

5.2 結合病例，整合臨床思維，提高診療能力

3D打印可將骨折類型真實得反映在模型上，使學生可直觀地去分析患者的骨折診斷分型及模擬治療措施。此外，還可先通過分析影像學資料并對臨床資料進行討論，再用3D實體模型進行對比與反思，此種新型教學模式既能極大的提高學生閱片能力，又能增強其對此類疾病的臨床診斷及分析能力[27]。

5.3 提供廣闊的操作空間

骨科臨床教學過程中要求學生具備良好的動手操作能力，3D打印的實體模型則能滿足此類教學需求。對于高層次的規培生、研究生及博士生來說，3D打印骨科模具能滿足術前鋼板塑形、螺釘長度及方向選擇的需求，并可進行專業的手術演練，這對于臨床技能的提高有著不可忽視的作用。

6 探討與展望

總之，我國3D打印技術在“產、學、研、用”等方面均得到廣泛的關注。3D打印最大的優點在于能直觀、立體地展示病變情況，便于精確地研究病變部位的微細變化，模擬手術過程，從而為臨床醫生提供更加準確的判斷，為手術切口、術前材料準備提供依據，而這些與目前所推崇的精準醫療概念不謀而合。

然而，3D打印在實際應用中還面臨著諸多問題與挑戰。如：價格昂貴、定制周期長；缺乏完善的準入標準及監管措施、法律法規；并且對所用材料的無毒害性、生物相容性、生物力學性能等均有嚴格的要求，導致材料的研發難度較大、種類較少；另外如何提高打印效率也是亟需解決的問題。

在醫療3D打印未來的發展趨勢中，在擁有完善的行業準入標準及監管措施的前提下，可考慮成立獨立的、專業的3D打印機構。醫院可與此類機構合作建立云端網絡數據庫，實現網絡數據的共享。此類機構可依據需要打印3D模型患者的數據資料，迅速打印出臨床所需的模型或內置物，這樣既可減少模型訂制的時間、提高工作效率，又能縮短患者的住院時間，減輕社會經濟負擔及醫療負擔。

雖然3D打印技術的應用受諸多因素的制約，但相信隨著相關技術的發展、材料學的進步，其在骨科領域中的應用將會進一步深入和擴展，從而更好地服務于患者、社會。

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（收稿日期：2016-10-20 本文編輯：蘇 暢）