3D打印技術在骨科領域的應用研究進展

鐘 山，盧慶勇，陳靜洪

(1.3.梧州學院 機械與材料工程學院, 廣西 梧州 543002; 2.桂林理工大學 機械與控制工程學院，廣西 桂林 541006)

0前言

3D打印技術是增材制造的俗稱，也叫快速原型制造(Rapid Prototyping ,RP), 名稱各異的叫法從不同角度體現了該制造技術的特點[1]，它基于離散-堆積原理，由零件三維模型的CAD數據驅動直接制造零件[2]。近年3D打印技術的快速發展, 許多歐美等國家相繼推出了促進3D打印產業發展的政策和措施。國內，國務院也很重示3D打印技術的發展，先后在“863計劃”和《中國制造2025》強調加快增材制造技術的發展。

目前，3D打印的醫療應用可以分為幾大類：3D生物打印；個性化植入物和解剖模型；輔助的醫療器械, 包括假肢、手術導板、康復輔具等；藥物研究[3]。其中在骨科領域中,主要用于術前實體模型、手術導板、內置物、教育科研等,并且在已有許多醫療機構成功應用于患者。3D打印在國內外多家醫院機構已經進入臨床應用階段，如國外美國康涅狄格州牛津性能材料公司和我國西安交通大學第一附屬醫院。與醫生早期主要根據X 影像、CT或MR掃描的二維圖像來洞察病態方式相比，3D打印的術前模型能夠反映病患情況，可更有效幫助醫生進行術前診斷規劃,同時通過手術模擬，可以縮短手術時間, 降低手術風險。3D打印技術在骨科領域的應用依賴于從醫學圖像導出的人體解剖結構的精確數據[4]，具有很好的應用價值。 本文就與骨科相關的3D打印技術打印原理,骨科在術前實體模型、手術導板、內置物、臨床教學與科研的應用狀況,以及其挑戰與不足進行綜述，最后，對其未來進行展望。

1 基于骨科應用的3D打印原理和關鍵技術

基于骨科應用的3D打印主要通過逆向工程 (Reverse Engineering， RE) 和快速成型技術( rapid prototyping, RP) 實現的，流程如圖1所示。

圖1 基于骨科應用的3D打印流程圖

1.1 逆向工程

逆向工程是按照現有實物, 利用各種數字化設備對現有的實物進行掃描和測量, 獲得密集的點云資料, 然后通過計算機輔助設計技術處理得到實物的數字模型和三維實體造型的過程[5]。目前, 在逆向工程的醫學應用方面, 已經開發的相關軟件較多, 如 MIMICS、 Geomagic、Imageware 等,還有機械領域常用的 CAD 軟件，如 UG，PRO/E， SOLID-WORKS。這些軟件可對掃描得到的數據進行修補重建，以完善打印的三維模型，其中比利時 Materialise 公司的 MIMICS 軟件使用較多。MIMICS 是基于醫學 CT 、 MRI 圖像三維重建和快速成型應用的專業軟件,相比較成熟、應用功能較多，具有良好的圖像編輯功能。

1.2 快速成型

快速成型技術, 又稱3D打印技術，或增材制造技術, 是20世紀80年代后期開始逐漸興起的一項新興制造技術。3D打印技術基于層層堆積原理加工成型為實體模型，它以數字化、網絡化、個性化、定制化為特點，被認為是推動第3次工業革命的核心技術。目前已被各國作為戰略化新興產業大力發展，在骨科領域展現出光明前景。

基于骨科治療的增材制造技術主要有立體光固化成型技術(SLA)、選擇性激光融化技術(SLM)、熔融沉積技術(FDM)、分層實體制造技術(LOM)等[6]。就骨科領域而言，SLA 成型精度較高，成型速度較快。骨科結合3D打印技術，手術變得相對容易，具有很大的推廣價值。

2 3D打印技術在骨科各領域中的應用現狀

2.1術前實體模型

3D 打印在骨科的術前實體模型應用主要體現在可以將病變部位的三維立體模型打印出來，為醫生提供比醫學影像資料更加詳細的解剖學信息，實現了從二維到三維的轉變。3D打印技術與逆向工程技術結合，可精確地打印患者病變部位實體模型，以方便醫師在術前診斷病變部位的復雜關系,如3D打印的神經解剖模型反映了病變與正常大腦結構之間的關系(如圖2所示)，有助于醫生區分血管神經等結構,這是傳統的CT圖像難以做到的。這樣可以更加形象、直觀地為患者解釋病情,也更方便術前規劃和模擬，從而提高手術的成功率。應用于模型打印的3D 打印技術主要有 SLA， DLP， SLS， FDM 等。

圖2 沃爾特里德國家軍事醫學中心的神經外科醫生用于手術計劃的三維模型[7]

關于3D 打印在骨科的術前實體模型應用比較成熟，國內外成功案例以及研究報道有很多。

(1)國內杜浩、丁煥文、于乃春、戴尅戎等研究人員應用3D打印的模型進行術前規劃診斷模擬，成功完成了手術，并且效果明顯。2014年8月，北醫三院劉忠軍教授完成世界首例 3D 打印的人工椎體置換手術；西安交通大學第一附屬醫院首例金屬直接成型3D打印鈦合金假體的植入手術——利用3D打印模型對手術規劃、明確了最佳手術切口，并最終成功施行了3D打印鈦合金肋骨植入手術。

(2)比利時BIOMED研究所的研究小組成功地植入了首例 3d打印的鈦下頜假體。根據搜查文獻發現，國外的案例學者研究還有如Liu YF, Xu LW，Sanghera，Kühl S等。其中，Liu YF等[7]利用CT掃描和逆向工程對下頜骨缺損模型進行重建打印,制定治療計劃和術前模擬,確定相關尺寸參數，為手術的成功提供了保障。數字化設計和3D打印相結合根據打印的骨關節原型，可設計插入髓腔內的器材尺寸，確定內固定器或個性化假體的參數等，提高手術安全性和精確性，從而改善手術療效 。

外科醫生用3D打印來輔助治療如小兒脊柱和骨盆等復雜手術病例，3D打印在設計手術計劃、選擇種植體類型或體外固定器、術中參考病人的解剖、骨切術的準確性以及與患者的交流等方面意義重大。

2.2 手術導板

手術導板是將手術輔助定位工具。隨著3D 打印技術的進步與逐步普及，手術導板的應用已成為基層骨科醫生的最佳選擇。3D 打印手術導航模板的優點在于 ：第一，可簡化操作，具有輔助定位作用，應變性強，提高了手術的精準性；第二，降低手術風險，提高了手術的安全性,如降低血管、神經損傷程度，還有避免了傷口感染等并發癥的發生； 第三，減少手術透視的時間和次數，從而保護醫患人員少受輻射。

基于3D打印的骨科的手術導板應用中，主要有骨腫瘤切除，骨關節炎手術，復雜骨折手術，整形或矯正手術等。其中，導板常用的手術部位有骨盆、關節、脊柱等。

據國外學者Ast，Merc等研究發現，外科醫生通過預先準備手術導板可以減少手術步驟，不僅提高了術中的效率，也節省了手術時間。根據查閱文獻與報道發現，國內的陳國燦、付軍、周小義、楊云強等人通過對運用手術導板進行手術治療的患者后期追蹤發現療效明顯，恢復良好。其中，付軍等人選擇其所在單位的同期、同部位、同類常規手術(未使用手術導板)28 例作為對照組，通過對比導板制作加工時間分析不同 3D 打印技術的效率，同時記錄術前設計時間、手術時間、術中透視次數，進行比較分析,最后研究發現：

(1)不同3D打印技術制備的手術導板各有優勢,需根據具體手術方式選擇；

(2)3D打印手術導板很好地適應了骨腫瘤手術個體化要求,可實現術前設計；

(3)與對照組對比分析，經過合理設計并使用導板，雖然術前設計時間有所延長，但術中透視次數明顯減少，手術時間縮短[8]。

2.3內置物

利用影像技術、逆向工程以及3D 打印技術相結合，制造的個性化植入體，不僅外形與真實骨骼相匹配，而且有利于患者骨骼的修復生長[9]。 3D 打印骨科內置物替代骨組織主要起兩個作用，一個主要起支撐作用，；另一個不僅起支撐作用還富有生物活性。此外，預制定制植入物和3D模型幫助外科醫生進行手術規劃。

近幾年國內外關于骨科植入物的成功手術持續有報道。比利時Hasselt大學BIOMED研究所的一個研究小組成功地完成了第一個3D打印下頜鈦假體的植入，并且該多孔鈦或陶瓷假肢可以作為骨骼生長的支架。據報道，Mertens、 Jardini、Peter Choong等人分別完成了鈦種植體支撐內植物、顱骨、鈦腳跟骨植入物手術；Dr.Jules Poukens的團隊成功完成世界首例上下頜骨植入手術。

根據文獻和新聞報道，國內西安交通大學第一附屬醫院、北京大學第三醫院等醫院已成功為多名患者完成植入手術。其中，北京大學第三醫院成功利用世界首個3D 打印多節段胸腰椎植入物完成長達19cm大跨度椎體重建手術；第二軍醫大學的研究團隊完成世界上首個3D打印鈦合金6椎節板體一體化假體植入物手術。吳東迎等在人工全膝關節置換術中應用3D打印截骨導板輔助的全膝關節置換手術，對比發現手術時間更短、出血量更少。

這些國內外各種植入物手術成功的案例體現了3D打印在骨科植入物應用廣泛并且日漸成熟。隨著人口老齡化與相關技術標準的建立，骨科內植物的需求將會逐漸增加，并得到廣泛的發展和應用。

2.4 臨床教學與科研

3D 打印在骨科的臨床教學與科研應用主要體現在教學病例模型的設計與選擇。醫學骨科涉及的知識點較多, 還有運動醫學和生物力學的相關知識，并且結構較為復雜,內容較抽象。因此,可以在傳統的多媒體教學的基礎上, 病例設計根據骨科教學大綱要求,選擇能體現本專業特點的臨床常見病、多發病的3D打印模型, 讓每個學生對其進行全方位的觀察，加深學生對骨科疾病的認識, 激發學生學習專業知識的好奇心和主動性,得到預期的教學目的[10]。

解剖學教學一直是社會爭議的主題，特別是在專業醫療和專業訓練中使用尸體材料的情況下。應用3D打印快速生產標本的優點包括耐久性、準確性、易于復制、成本效益，不論規模大小,應該適合在任何國家任何教學設施,從而避免一些文化和倫理問題與潮濕的保存尸體標本或塑化標本有關的健康和安全問題[11]。

國外，Jordan B等人通過將尸體與3D打印的復制模型骨科手術教學比較發現，3D打印與相關培訓體系相結合更有優勢，并可能減少病人的暴露風險。最終，這些模型又可用于培訓、繼續教育，并可能成為認證的組成部分[12]。國內，管華清、杜恒等人對3D打印模型應用于骨科教學評估對比發現，3D打印技術制作的骨骼模型使學生更好地以醫生的角度去進行完整的臨床診治過程，再現患者病患部位的詳細信息，建立正確的臨床診斷，制定治療方案，模擬手術操作，有助于培養醫學生骨科臨床工作興趣。

3D打印技術具有很多教學手段難以替代的優點,是未來骨科臨床課教學發展的必然趨勢。最適合制作教學標本的打印機類型為粉末成型、塑料擠出等，各有各優缺點，對于粉末成型式打印機，本質上是利用膠水(粘合劑)將一層精細的石膏粉打印出來，運行起來比較經濟，而且制造時間短。塑料擠出打印有稍高的分辨率，但消耗更大，打印時間更長，顏色選擇也有限制[13]。

3 3D打印技術在骨科應用存在的問題和前景展望

3.1 3D打印技術在骨科應用存在的挑戰與不足

3D打印技術在骨科應用廣泛，但是由于技術的瓶頸等問題，存在著挑戰與不足。

(1)材料的限制，這是最重要的不足。一方面，打印的模型缺乏感性接觸，3D打印模型無軟組織附著,不能完全真實地再現骨頭周邊肌肉、血管和神經的走形和分布[14]。部分打印材料不足以滿足安全性、生物相容性等要求。還有，模型或者模板的消毒還未完全，有待尋求開發符合要求的新打印材料。

(2) 3D打印模型模擬手術的截骨及內固定物植入操作與實際人體內的操作過程相比,可能達不到理想狀態，并且有可能延緩了手術時間。

(3)委托非醫學人員或機構的缺點是無法從專業角度進行重建、設計和打印。

(4)前期模型設計制造的時間長了，并且導板與植入物相關的滅菌技術仍然不足,對病人可能有感染風險。

(5) 3d打印定制物的設計和制造方面的一些監管考慮仍然對醫院具有挑戰性[14]，技術標準指導還相對缺乏。

3.2 3D打印技術在骨科應用前景展望

基于3D打印技術在骨科各領域的應用優勢，具有很好的應用前景和市場價值。下面針對前文提到的挑戰與不足，提出以下展望。

3.2.1 3D打印仿生材料的發展將是未來3D打印技術在患者專業骨科領域發展的一個重要方向。

3D打印的人工骨應該包括具有與原生骨相似的力學性質的材料，這可能有助于恢復骨的解剖結構和生物力學功能，并且該材料應具有生物相容性和可消毒性。可進行以細胞、支架和細胞因子為重點的軟骨生物材料的臨床研究,開發微/納米生物打印材料等。

3.2.2 建立相關技術標準，以提升打印的精度和安全性。

3.2.3 需要進一步研究3D打印在骨科應用中的臨床效果。

3.2.4建立云端網絡數據庫，向智能化專業化生物增材制造系統方向發展。

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,醫院可與獨立的、專業的3D打印機構合作建立云端網絡數據庫, 實現網絡數據的共享。或者從圖像采集到快速原型的整個打印過程實現自動化系統集成。這樣醫務人員就不需要3D打印培訓,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,而且規模制造的優勢可以提供廉價定制的3D打印產品[15]。

雖然3D打印技術的應用受諸多因素的制約, 但相信隨著材料學、生物材料、干細胞以及組織培養等多學科的相關技術突破，3D打印技術將更好、更全面地應用于骨科等相關領域,從而更好地服務于患者。