3D打印技術在骨科領域的應用進展

王春鵬，楊海嬌，張成，崔建強，孟永春，徐林

(濱州醫學院煙臺附屬醫院手足外科，山東 煙臺 264006)

3D打印，又稱為添加制造或快速成型技術，是一種以數字模型文件為基礎，運用黏合材料，通過逐層打印的方式創建實體的技術。2012年，蘇格蘭學者應用3D打印技術打印出人造肝臟組織，標志著3D打印技術首次進入醫學領域[1-2]。近年來，3D打印技術在骨科中的應用也實現了巨大飛躍，從最初的3D打印模型到應用于臨床手術操作的3D打印導板、3D打印假體，依托于CT、磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)影像學圖像的3D打印技術越來越受到骨科醫師的關注和重視。3D打印技術的應用使復雜的手術簡單化，優化了手術方案，減少了對機體的損傷，提高了手術質量，為臨床醫師提供了一種新的思路和方法，3D打印技術已在假肢、人造骨、手術輔助等方面得到探索和應用，已成為滿足個性化需求的重要途徑[3]。現就3D打印技術在骨科領域的應用進展予以綜述。

1 3D打印模型在骨科中的應用

通常可通過X線片、CT、MRI等影像學圖像判讀骨折的部位、范圍以及嚴重程度。但是對于一些臨床學生或低年資的醫師來說，可能很難通過二維圖像對骨折有一個全面的理解。與傳統的影像學圖像相比，3D打印的1∶1實物模型具有獨特的直觀性、可觸摸性和體外操作性[4]。借助3D打印模型可以充分了解骨折塊間的三維結構、明確骨折的分類、了解各骨折碎塊間的關系[5-6]。3D打印模型還可用于術前的醫患溝通，可以從多個視角對骨折進行觀察，賦予了視覺上和觸覺上的全新體驗，簡化了對復雜骨折的評估。

3D打印模型是將患者的CT、MRI影像學數據以DICOM格式導出，導入到Mimics軟件中，利用該軟件設計1∶1的3D虛擬模型，將其導出到STL格式文件夾內并使用3D打印機打印。隨著3D打印技術的發展，越來越多的復雜骨折患者在3D模型輔助下得以更好地進行術前評估，并制訂優良的手術治療方案[7]。

術前根據3D打印模型可以推演出手術操作中潛在的困難，從而可以選擇最佳的手術方案，減少對患者的損傷以及術中儀器設備的使用[8]。術前在真實比例大小的3D打印模型上模擬手術操作，可以確定手術入路、復位和內固定的理想順序，確定內固定物放置的最佳位置并對預后進行預估。內固定物的放置由骨折線的方向和位置決定[9]，內固定物的模擬包括鋼板的方向、大小，螺釘的位置、方向、長度及數量。術后許多并發癥的發生與內固定物的位置、長度等有關，如螺釘過長可能會造成肌腱的磨損和斷裂；螺釘進入到關節內會影響關節活動等，通過在3D打印模型上進行術前規劃可避免或減少并發癥發生。另有報道指出，可根據患者的具體情況，利用3D打印技術打印個性化鋼板內固定物，個性化內植入物的使用可簡化手術步驟，減少組織損傷。Chung等[10]報道，可使用3D打印模型在術前對鋼板進行預彎。3D打印模型具有簡單、方便、經濟等優點，對初學內固定置釘者尤為適用，有助于克服心理難關[11]。

3D打印模型可以準確顯示骨折的部位及嚴重程度，明確骨折的類型，提升臨床教學質量，方便醫師間及醫患間的交流和溝通，并能夠實現良好的術前規劃設計，減少術中決策，降低術后并發癥的發生率，提高患者的滿意度。

2 3D打印截骨導板在骨科中的應用

骨骼畸形不僅影響美觀，還可能導致功能受損，需要截骨矯形改變骨骼外形改善患者的功能。對于截骨矯形手術，尤其是多平面、多層次的復雜截骨矯形，如何提高截骨的精確性、減少對患者的損傷、快速安全地完成手術操作是骨科臨床治療的重點。3D打印導板輔助下的截骨矯形術為截骨矯形提供了一種新的手術操作方式。利用3D打印導板可以保證截骨矯形手術的精確性，有助于達到理想的截骨狀態。

3D打印個性化截骨導板的制備首先是要獲取患者的CT或MRI影像學圖像，將圖像信息導入Mimics軟件進行三維重建，通過鏡像技術將健側與畸形側圖像進行疊加，明確畸形位置和畸形程度。隨后，在畸形愈合區域設置虛擬切割平面，旋轉移動切割下的骨塊使其與健側相匹配，設計出個性化的3D打印截骨導板，用3D打印機打印出導板實物。目前3D打印個性化截骨導板在臨床截骨矯形中的應用越來越廣泛。

橈骨遠端畸形愈合是橈骨遠端骨折的常見并發癥，5%的橈骨遠端骨折會出現橈骨遠端畸形愈合[12]。實施截骨矯形手術必須進行精準的操作，利用3D打印技術可以很好地應對橈骨遠端復雜畸形的截骨矯形，優化截骨矯形術的效果[13-14]。Honigmann等[13]的研究發現，3D打印導板輔助下的橈骨遠端掌側楔形截骨矯形術的平均手術時間為60 min，不使用導板的手術時間為90 min。3D打印技術對兒童前臂畸形截骨矯形的初步效果較好，所有患兒的前臂旋轉度較前有明顯改善(均>120°)，并可提高下尺橈關節的穩定性[14]。下頜骨不僅會影響面部輪廓及美觀，還具有咬合及咀嚼等功能，Stoker等[15]率先將3D打印模型應用于顱頜面手術的術前模擬，首次將3D打印技術與顱頜面外科相結合，成功的手術不僅可以改善臉型和下頜角的形態，還不影響正常口腔的生理功能[16-17]。Xiao等[16]的研究指出，3D打印導板輔助下行截骨的患者術后恢復平穩，未出現明顯感染、面部麻痹、骨壞死或骨骼移位，下頜角的角度以及下頜骨寬度均得到明顯改善。對于脛骨截骨，選擇合適的截骨平面是成功實現高位楔形脛骨截骨術的必要條件。Yang等[18]報道了7例接受3D打印導板輔助下行脛骨截骨的患者，門診隨訪治療效果令人滿意。使用3D打印導板行脛骨高位楔形截骨可以縮短手術時間，并在減少透視次數的同時可以實現高精度軸向校正[19]。

與傳統截骨矯形相比，3D打印截骨導板輔助下的截骨矯形可以進行精確的術前規劃設計，截骨平面定位準確，減少了術中人為失誤，提高了手術的準確性，實現對手術效果的預估，降低了手術并發癥的發生率，避免術中過度矯形或矯形不足，在術后功能改善方面也取得了不錯的效果。尤其是對于復雜的多平面截骨，傳統截骨手術方式對于術者的技術要求較高，截骨難度大，截骨失敗不僅影響外形美觀，還可能損傷患者功能。此外，個體差異也會增加截骨難度，3D打印個性化導板輔助下的截骨簡化了手術流程，降低了截骨的復雜性。3D打印導板技術已經在臨床截骨矯形手術中取得了成功，3D打印導板輔助下的截骨矯形術的臨床療效肯定。

3 3D打印導航導板在骨科中的應用

3D打印導航導板為骨折內固定物的置入提供了一種新的手術操作方式，符合現代醫學個性化治療的要求。3D打印導航導板的設計是將患者CT圖像數據導入到Mimics軟件中，重建骨折的三維模型，將局部作增厚處理為底基，利用軟件操作在底基上確定導板導孔通道的方向，并且可以測量螺釘的長度和直徑，設計好的導板以STL格式導出，利用打印機進行打印。3D打印導航導板的應用降低了手術操作的難度，實現了內固定物的精確置入，減少了患者的損傷，降低了并發癥的發生率。

3D打印導航導板臨床應用療效確切。劉毅等[20]將3D打印導板技術應用于骶髂關節螺釘的置入，術后6個月隨訪發現，5例骨盆后環骶髂關節復合體損傷患者Maieed評分均為優。該術式極大地簡化了骶髂關節螺釘置入的操作流程，與傳統術式相比，具有微創等優勢。吳曉宇等[21]評估了3D打印頸椎前路椎弓根螺釘導板的準確性，按照螺釘偏離椎弓根的絕對值進行評價發現，位于安全位置的螺釘占95%(19/20)。沙西卡·那孜爾等[22]發現，采用3D打印技術設計的椎弓根螺釘的直徑和長度、進釘方向以及進釘點與后正中線的距離等指標手術前后使用情況一致。3D打印導航導板可以顯著縮短手術時間、減少術中透視次數以及出血量。陶星光和周凱華[23]的報道指出，3D打印導板應用于骨盆骨折時，每枚螺釘的置入時間為5.1～17.5 min，平均10.3 min；每枚螺釘的透視次數為6～16次，平均9次。Zheng等[24]對股骨頸骨折病例的研究發現，在導板的幫助下，3枚螺釘可以精確地植入股骨頸以鎖定加壓髖鋼板，并穩定骨折塊，所有11例患者均一次性成功穿入螺釘。Chen等[25]將3D打印導板應用于胸椎椎弓根螺釘置入發現，置入的50枚螺釘與鄰近結構(如椎體和椎管)的位置關系良好，無骨皮質穿透。3D打印導板與實際解剖部位吻合良好，固定牢靠，螺釘置入過程中位置不需調整，是一種有效的治療方法。

當3D打印導航導板的應用足夠成熟時，螺釘的置入完成僅需要進行一次透視，大大減少了患者與臨床醫師X線的攝入量，降低了對術者臨床經驗的要求，即使低年資醫師也可以利用3D打印導航導板進行復雜的骨折內固定手術。尤其是在脊柱手術中，螺釘位置控制不當易造成神經損傷，而3D打印導航導板技術可以有效地減少術后并發癥的發生。

4 3D打印假體在骨科中的應用

隨著3D打印技術的發展和3D打印材料的更新，3D打印假體也已經開始應用于臨床。目前3D打印假體的短期臨床效果顯著，但長期效果還有待進一步驗證。將患者的CT、MRI影像學圖像導入到Mimics軟件中，通過與健側對比，利用3D鏡像技術對CT或MRI圖像進行分割處理可以設計假體形狀。

Kienb?ck病是由月骨缺血性壞死造成的，將缺血壞死的月骨切除后，利用3D打印假體填補腕部空隙，可以避免相鄰關節骨關節炎的發生，使用3D打印月骨假體可以對Kienb?ck病進行解剖重建[26]。Unkovskiy等[27]研究報道，與傳統方法相比，早期直接應用3D打印的硅膠假體修復鼻部缺損是一種有效的治療方式。對于手部部分截肢的患者，使用3D打印硅膠假體的患者可以完成許多復雜的任務，如釘釘子、打開塑料袋等[28]。對于腫瘤患者，利用3D打印技術可以最大限度地保留腫瘤周圍軟組織，降低腫瘤切除風險[29]。骨腫瘤患者在腫瘤切除術后會導致骨骼缺損，可使用3D打印假體進行修復處理。利用3D打印骨盆假體重建骨盆腫瘤切除后骨缺損的短期隨訪中未見假體松動、斷裂或移位，其具有良好的穩定性及力學傳導性能，個體化定制的鈦合金3D打印假體已經進入臨床試驗階段，并取得了成功[30-31]。

3D打印假體能夠很好地恢復骨骼的形狀和位置，在改善患者的功能方面起重要作用，術中可實現精確匹配，短期并發癥少，穩定性可靠，安全性高。

5 3D生物打印在骨科中的應用

3D生物打印技術作為一種三維生物加工技術，可以精確地分配載有細胞的生物材料，具有將生物材料支架和細胞同時沉積到指定位置，進而產生三維結構的能力，這是傳統組織工程的巨大改革。利用3D打印技術通過使用各種生物材料作為生物油墨可以實現對具有特殊孔徑、孔隙率、幾何形狀的結構的打印。典型的3D生物打印過程一般包括三個階段，即預處理、處理和后處理階段。預處理涉及醫學圖像獲取、設計以及合適的3D打印材料選擇；預處理后，將設計的圖像傳送到生物打印系統，并加載生物墨水進行處理；在后處理階段，將印刷結構轉移到生物反應器中用于組織成熟。目前3D生物打印技術已廣泛用于血管、肌肉、軟骨、骨等功能組織的構建。

合適的生物材料和合適的細胞類型是打印骨組織的兩個關鍵因素。水凝膠在骨再生方面具有廣闊的應用前景。Huang等[32]用聚乙二醇雙丙烯酸酯水凝膠、丙烯酸酯精氨酰-甘氨酰-天冬氨酸以及金屬蛋白酶共同打印骨組織，以促進細胞黏附、存活和分化。噴墨生物打印具有直接修復軟骨組織的能力。研究表明，打印的軟骨細胞均勻分布在3D水凝膠中，且90%的細胞具有較高的活力[32]。原發性骨腫瘤給患者帶來了巨大痛苦，腫瘤手術造成的骨缺損，應使用具有良好的成骨能力以修復骨缺損的生物材料。同時，為了防止腫瘤復發，最重要的一點是骨缺損周圍的剩余腫瘤細胞要被完全殺死。Ma等[33]制作了一個3D打印生物陶瓷支架，其表面為均勻的自組裝鈣-磷/多聚多巴胺納米層。3D打印生物陶瓷中的貽貝激發納米結構表現出顯著的腫瘤治療和骨再生能力，為廣泛治療腫瘤導致的組織缺損提供了一種新型的雙功能生物材料。用于填補大節段骨缺損的材料應具有較高的機械穩定性，并且具有允許骨、組織和細胞向內生長的多孔結構。3D打印技術是一種制造骨組織工程中三維多孔支架簡單有效的技術，聚乳酸是一種很有前景的生物打印材料，可通過水解降解為無害和無毒的物質[34]。

3D打印的支架優于傳統支架，能夠滿足不同骨缺損面積患者的個性化需求，臨床應用的優點包括易于手術操作，手術時間較短，具有良好的外形效果等。對于含細胞的生物打印而言，被用作生物墨水的物質主要包括水凝膠、膠原、聚乳酸-羥基乙酸共聚物以及聚乙二醇等合成聚合物[35]。3D打印技術能夠構建載有生物活性藥物、細胞和蛋白質的個性化內植入物。

6 問題與展望

目前3D打印技術尚不成熟，3D打印的活細胞和生物活性因子應用于臨床實際操作的報道較少，3D打印技術的應用還有待于進一步的探索。3D打印材料有限，根據臨床用途的不同，打印材料也存在差異，目前打印骨科內植入物最常用的是金屬鈦合金粉末，新的材料的研發決定著3D打印技術在骨科中的發展前景。目前無論是3D打印模型、截骨導板還是3D打印假體耗時均較長，費用比較昂貴，在臨床的應用需征得患者及家屬的同意。

3D打印技術為臨床醫師提供了一個新的思路和方法，在臨床上的應用已經取得了階段性的成功，為臨床工作帶來了便利，隨著3D打印技術的日臻完善，將會在骨科領域發揮更大的作用。