3D打印技術在全膝關節置換術中的臨床應用研究進展

董佳鑫，鄒強,，湯文麗，王洪，徐昌超，申智敏，段宜強

1.貴州醫科大學 臨床醫學院，貴州 貴陽 550004；2.貴州醫科大學附屬醫院 a.骨科；b.甲狀腺外科，貴州 貴陽 550004

引言

3D打印技術又稱為三維打印或增材制造，是指利用塑料、陶瓷或金屬等材料將影像資料轉為數字模型文件再制造成實體物件[1]，包括將材料逐層沉積，逐步構建固體模型，它使用計算機輔助設計軟件，將必要的信號傳輸到3D打印機，然后該打印機將計算機化的數字模型轉換為二維部分，從而生成實體層來建立所需的對象[2]。

全膝關節置換手術（Total Knee Arthroplasty，TKA）是目前治療終末期膝關節骨性關節炎最有效的方法之一，它可以減輕患者的疼痛，重建下肢關節力線，恢復關節功能[3-4]。近年來，隨著3D打印技術的出現及在TKA中的逐步運用，它利用CT及MRI影像資料，在術前打印三維立體模型，通過輔助術者觀察細微骨性結構、明確骨缺損量及部位、術前手術模擬、決策最優手術方案，從而縮短手術時間，減少創傷，增加脛股關節截骨的精準度[5]。本文旨在闡述3D打印技術的發生與發展，通過對3D打印技術在TKA中的應用方面的研究進展進行綜述，并分析3D打印技術在TKA中的未來發展趨勢，以期為3D打印技術相關領域的研究提供一定的理論依據。

1 3D打印的發展

20世紀80年代早期，Hull[6]發明了3D打印技術，并將其描述為立體光刻，或將連續的材料層相互疊加起來進行“打印”，以創建一個3D物體，它最初廣泛應用于汽車、航空航天、建筑等工業領域。近十年來，3D打印開始應用于醫學領域，并得到迅猛發展，應用越來越廣泛[7]。3D打印醫療模型和個體化醫療器械最先被應用于臨床及醫學教育，解決了傳統醫學教育模式因人體標本缺乏造成的困難，促進了醫學教育的發展，并使精準化、個體化醫療成為可能[8-9]。通過不斷的技術革新，3D打印技術已能成功搭建組織工程支架，并可攜帶特定靶向藥物對疾病進行治療，同時有研究發現，通過3D打印所搭建的骨組織支架，可根據骨缺損形狀的不同進行定制，并且生物相容性及抗壓能力均優于正常骨組織，抗骨折能力比正常骨高22倍[10]。對于因創傷、腫瘤或解剖異常造成的關節周圍骨缺損，在使用批量生產的內置物時，貼合度較差，術后并發癥較多，但3D打印運用于骨科領域后，取得明顯成效，初步集中于骨折、骨不連、畸形和骨、軟骨和軟組織重建[11]。

3D打印技術利用患者CT或MRI影像學資料，通過電腦模擬出骨缺損部位及構造，根據患者解剖需要打印出符合患者解剖結構的個性化置入物，大大提高了骨面與內置物的吻合度[12]。3D打印可以制造出人體需要的組織，并使組織功能得以恢復，這是再生醫學的一個重要組成部分。3D打印已經在皮膚、膀胱、尿管和血管相關方面取得了一定的成效，且這些打印的組織有望成功植入患者體內[13]。

2 3D打印在全膝關節置換手術中的應用進展

2.1 3D打印與膝關節模型

2.1.1 醫學教育

膝關節解剖是關節外科醫師診療的基礎，也是手術成功最基本的保障。以往疾病的圖譜講解、影像學圖片識別等不能全面顯示膝關節三維立體情況，且難以理解和記憶。目前醫學教學模式仍主要利用人體標本進行教育，這也是醫學生在學習人體解剖學知識和訓練動手操作技能過程中的重要環節。但近年來統計表明，遺體捐獻登記人數僅占我國人口總數的0.01%，且實際捐獻的遺體數量僅占登記人數的4%～20%[14]。然而隨著醫學院校擴招，醫學生源數量逐年增加，人體標本教學需求量也隨之增多，遺體捐獻數量與需求量比例失調，導致人體標本匱乏，嚴重制約了人體解剖學教育和相關研究的開展，阻礙了醫學教育的發展。

準確和高質量的三維人體病理標本打印較容易實現，模型還可以做成多種顏色標識，用于區分不同的組織（血管或病理/健康組織），有利于本科和研究生的教育和實踐[15]。McMenamin等[16]報道3D打印模型與人體標本的準確性一致，它可以快速生產任何尺寸規模的任何解剖標本的多個1∶1解剖模型，更重要的是，它避免了一些文化和倫理問題。同時，3D打印模型可以為外科醫生提供可視化全3D細微解剖結構，使醫生更加準確認識病理結構，縮短學習周期[9,17]。Javaid等[18]研究表明，3D打印可作為視覺和觸覺輔助工具，全面用于理解視覺和觸覺刺激的原生解剖，用于學生、外科醫生的學習和教學。Hurson等[19]研究表明，3D打印作為輔助臨床實踐的工具，有助于理解復雜病理結構，這充分表明，這種三維模型有助于醫師對TKA過程和關節自然解剖充分了解。

2.1.2 醫患溝通

TKA對患者而言是一種心理應激，因此術前有效溝通至關重要[20]。由于醫生和患者的醫學信息存在嚴重不對等，術前術者單純依靠圖譜、影像學資料等二維圖片向患者及家屬進行疾病及手術操作的介紹，患者及家屬往往難以理解，進而增加了溝通的難度。而利用可視化及具有觸感的3D打印膝關節模型，通過“沉浸式”體驗，術者可向患者及家屬更直觀地展示膝關節的三維解剖結構及操作步驟，為患者清楚地展示計劃中的手術操作步驟及復雜性，并可根據患者自身情況，有針對性地進行術前教育[21]。這大大降低了醫患溝通的困難度，減少了患者的心理負擔，同時增加了患者的信心。

2.1.3 術前計劃

3D打印模型有潛力作為醫生的視覺和觸覺輔助工具，允許外科醫生研究復雜的病例，在術前創建類似于外科醫生在術中觀察到患者的實際解剖和病理的三維結構，并制定術前計劃[17,22]。術前計劃包括種植體的大小、所需移植物的數量和類型、截骨部位以及排練模型的程序，以減少術中意外和風險[23]。研究表明，與傳統影像學相比[24]，基于個體化3D打印模型，術前可以更準確預測股骨和脛骨組件的尺寸，并且術者可利用現有的模型進行手術可行性操作模擬，從而使術前規劃更完善，提高了手術的準確性、安全性以及減少手術時間。同時，Wang等[25]發現通過使用3D打印模型制定截骨方案并在模型上模擬截骨方案后，使術中截骨更準確，提高了重建后膝關節的穩定性。由此可見，術前使用3D打印模型可以使關節外科醫生更全面了解膝關節的解剖結構，同時有助于規劃截骨量、角度，提高手術的準確性，減少手術時間及失血量，使整體手術效果得到提升。

2.2 3D打印與個性化截骨導板

目前在傳統TKA過程中，多數手術醫師仍普遍采用之前國際認可的截骨方案，即股骨遠端外翻5～7°，脛骨平臺后傾角度為3°，截骨角度及大小相對固定，若患者伴有嚴重的軟骨喪失和膝關節畸形，這一標準的符合率將會大大降低[26]。目前全球范圍內主張的是精準化醫療理念，需要根據患者實際情況進行個性化截骨。

2.2.1 傳統髓內定位及計算機導航

傳統的TKA手術主要采用髓內外對線導向器和術中計算機導航輔助對線技術。髓內定位通過將定位桿打入股骨髓腔內進行反復測量下肢力線確定截骨，由于定位桿深度及位置變化會使截骨角度發生改變，進而影響股骨假體安裝角度及大小[27]。髓內定位存在手術時間長、失血量多的缺點，若損傷血管，甚至會發生脂肪栓塞。同時，它不適用于股骨嚴重外翻畸形、骨髓腔狹窄、膝關節外翻畸形伴脛骨平臺骨缺損和股骨髁發育不良等患者[28]。

隨著醫學技術的發展，出現了計算機輔助導航技術，進一步提升了恢復下肢力線及旋轉軸線的準確性，在一定程度上避免了人為因素所造成的誤差[29-30]。但計算機輔助導航設備存在價格昂貴、操作復雜、學習周期長等不足，同時增加了患者家庭經濟負擔，因而未被廣泛推廣運用于臨床。

Mahaluxmivala等[31]研究表明，即使是經驗豐富的手術醫師進行手術定位截骨的過程中，也只能將脛骨對線誤差＞3°的發生率降為10%，若術中定位不準，會增加截骨板的磨損，并且不利于術后關節功能的恢復，導致關節假體磨損加劇，增加膝關節翻修概率。

2.2.2 3D打印個性化截骨導板

3D打印在TKA術中的一個主要臨床應用是制造用于精準截骨的個性化截骨導板（Patient-Specific Instrumentation，PSI）。PSI通過術前將患者膝關節CT或MRI影像數據導入計算機軟件中，并根據患者個體情況調整下肢力線及脛骨接觸面旋轉角度打印而成[32]。2006年，Hafez等[33]首次將PSI用于TKA。隨著3D打印技術的發展，通過對PSI不斷改良，使得截骨更準確，更廣泛運用于TKA。在術中可根據PSI對患者進行特異性截骨，無需打開骨髓腔，具有減少出血量、降低術后出現脂肪栓塞風險等優點，適應證更廣泛[17]，同時可簡化手術操作、縮短手術時間、減少術后引流量、減輕手術損傷[34]。Nizam等[35]發現，通過運用3D打印制造PSI能準確預測股骨和脛骨切除量，優化了由精確的骨切除所確定的組件安裝定位，實現整體對齊，從而減少誤差，在術中無需反復校正下肢力線，更不用將關節假體試模與截骨端重復對比，減少了手術時間。

Shen等[36]研究表明，與傳統的TKA手術相比，使用PSI輔助TKA可明顯縮短手術時間、降低術中出血量、降低股脛角，膝關節評分法臨床評分和功能評分均顯著增高。同時，馮大軍等[37]研究也表明，與常規的TKA手術相比，采用PSI行TKA可以有效縮短手術時間，降低出血量，更有利于患者術后恢復。吳迪等[38]研究表明，PSI輔助多半徑假體TKA在重度膝關節骨性關節炎患者中效果確切，與傳統多半徑假體TKA相比，術中出血量顯著降低，明顯縮短了手術時間，疼痛緩解更明顯，并降低了手術并發癥。袁偉鵬等[39]研究也證明，TKA中使用PSI可以簡化手術步驟，縮短手術時間，進而減少手術創傷，可使患者快速康復。同樣，陳擁等[34]、顏榮耀[40]、楊凱[41]也證實了與傳統TKA相比，PSI的應用可以明顯縮短手術時間、降低出血量，對TKA起到重要輔助作用。Liu等[42]研究表明，PSI輔助TKA與傳統TKA相比，療效相當，并且明顯縮短了手術時間，降低了出血量，術后總引流量也明顯減少，更利于患者康復。Niu等[43]研究表明，在TKA中使用PSI輔助可以簡化手術過程，提高TKA的手術精度和療效，明顯縮短手術時間，術后股脛角和矢狀脛骨分量角也明顯更小，使得術后下肢力線得以恢復。但有研究者指出，對于股骨遠段矢狀面前偏角≥3°的患者，使用參考股骨機械軸線設計的PSI進行截骨，可能會增加股骨前側皮質切跡的發生風險，進而增加假體周圍骨折發生的概率[44]。

以上研究表明，與傳統TKA相比，PSI優勢顯著，可以使術中脛骨和股骨截骨更加精準，避免了因截骨導致的膝關節間隙增大或減小，從而導致關節不穩。3D打印還可以對截骨的準確性進行二次校驗，確保截骨的準確性，有利于術后膝關節恢復。由于術前已經進行了詳細的規劃，術中手術操作簡便，可明顯縮短手術時間，因此術中感染、出血風險也隨之降低。

2.3 3D打印與個體化植入物

目前，在骨科手術中，使用植入物和假體材料來治療肌肉骨骼疾病已經成為普遍現象。然而，通過器械廠家利用傳統的鑄造及粉末冶金技術批量生產的骨科植入物和假體的可用尺寸是有限的，不能滿足所有使用條件。為實現對特殊患者做到“量體裁衣”的假體，手術醫師需不斷探尋新的技術。隨著科學技術的發展，3D打印技術為臨床提供了生產特定患者植入物的可能，其中植入物或假體是針對特定用戶身體的3D打印，從而限制了針對普通用戶“一刀切”的概念[45-46]。

2.3.1 3D打印膝關節填充材料

對于假體翻修導致的骨缺損，傳統的手術依靠骨水泥進行填充，隨著時間增加，骨水泥與骨組織及假體的相容性逐漸降低，造成假體松動，因此，探尋一種既能保證翻修假體的穩定性，又能增加組織相容性的材料具有重要意義。Dion等[47]發現使用新型3D打印鈦增強劑翻修TKA早期的固定穩定性優于傳統的完全骨水泥翻修TKA，同時在早期配合施加一定的壓力，就可使假體與骨組織之間固定牢固，且組織相容性也優于傳統骨水泥，并可促進骨生長。Restrepo等[48]研究表明，將3D打印的非骨水泥填充物用于TKA中，并在中期隨訪時發現，其非水泥填充物穩定性強，持久耐用。

2.3.2 3D打印定制假體

由于脛骨近端及股骨遠端骨缺損、關節嚴重畸形術中截骨改變，術中利用常規假體很難實現完美匹配，由于這種機械匹配不當，骨負荷不足并受到應力屏蔽，導致術后發生骨吸收，長期以來，造成種植體移位、無菌性松動、假體周圍的骨折等情況發生。目前，3D打印技術可根據患者自身骨缺損情況，設計與其匹配的個體化假體，打印出孔隙大小及間隙受控、與人體骨組織彈性模量匹配、形狀合適及抗疲勞程度優化的關節假體，從而有效解決常規植入物與宿主骨組織形態與力學不匹配的難題[12]。趙巍等[49]將3D打印的個性化定制假體用于TKA，他們發現定制假體能以合適的尺寸和精確的設計實現解剖結構的完美重建，恢復關節功能。

膝關節嚴重畸形和骨缺損限制了傳統常規假體的應用，既往研究發現，3D打印膝關節假體已廣泛應用于膝關節翻修所致嚴重骨缺損的重建，并取得了良好的療效[50]。王順利等[51]應用3D打印膝關節組配式假體，術后發現自體骨可與3D打印袖套和股骨殘端可實現自體骨長入，形成皮質外骨橋，為假體提供了長期穩定的生物力學環境，增強了骨水泥界面的穩定性，進而延長假體的使用壽命，重建后膝關節功能良好。在膝關節翻修術中，Yin等[52]根據患者骨缺損情況利用3D打印制造個體化的多孔隙膝關節假體，多孔隙結構可誘導骨長入，通過生物力學測定發現，其力學強度與松質骨相似，并且低彈性模量避免了應力遮擋，防止骨負荷不足造成的骨吸收發生，在術后隨訪發現膝關節功能良好。

以上研究表明，使用3D打印技術生產填充材料及特異性骨科植入物，其3D鈦增強材料與傳統骨水泥相比，優勢明顯。個性化假體的使用有利于增加骨與關節假體的相融性，恢復原有的生物力學環境，延長假體壽命。

2.4 3D打印與關節軟骨修復

關節軟骨損傷修復一直是骨科領域研究的難題，關節軟骨損傷的本質是軟骨細胞分泌的細胞外基質合成與軟骨遭受的破壞力失衡。對關節軟骨微觀結構研究發現，關節軟骨無血管、神經及免疫系統，軟骨細胞代謝活動較低，修復緩慢。即使在關節軟骨損傷后，經過長時間的自我修復或通過傳統的手術治療方法（如微骨折術、軟骨下鉆孔術）等，可形成纖維軟骨，在結構穩定性與力學承壓性能方面遠不如正常軟骨組織，因此療效欠佳[53]。近年來，科學技術的蓬勃發展，3D打印生物支架為關節軟骨損傷修復帶來了新的希望。劉曉云[54]利用3D打印技術構建聚己內酯加固的網格框架及微孔道結構的丁基殼聚糖-納米短纖維復合水凝膠模擬關節軟骨生存的微環境及力學強度，從而靶向調控人間充質干細胞的分化，通過3D打印構建生物復合支架與軟骨力學性能相似，能在體內誘導軟骨形成，為軟骨損傷的治療提供了理論依據。Yang等[55]開發了一種基于適配體HM69介導的MSC特異性刺激軟骨生長因子并促進細胞軟骨生成3D生物打印雙功能支架，應用于全層軟骨缺損的兔模型中，他們發現該雙功能支架不僅能特異性識別、結合并招募間充質干細胞到軟骨缺損部位，還能在體內和體外促進軟骨分化，極大地改善了軟骨修復。

軟骨作為人體相對簡單和直接的組織結構，較其他人體組織更容易被修復，通過3D打印已能成功地重建關節軟骨。但局限于打印材料的選擇，材料的降解周期及壓縮模量限制了其在部分組織修復中的應用，尋找降解周期與軟骨再生速度匹配同時具有力學支撐的生物材料是未來的關注重點。未來可以向生物3D打印技術專注于特異性功能選擇或特定區域的軟骨結構的打印方向發展，優化添加劑，增加組織相容性，以促進臨床關節軟骨缺損的治療，從而解決軟骨修復困難的難題。

2.5 3D打印與關節假體材料

目前，3D打印技術發展迅速，要求醫學植入物需要更好地去適應患者。在3D打印的概念中，許多制造技術需通過附加工藝（線沉積、激光燒結、電子束熔化等）和制造材料（塑料、金屬等）完成，特別是在骨科領域，通過使用傳統金屬材料（不銹鋼、鈷鉻合金或鈦）和增材制造技術（如熔體電子束或選擇性激光熔化）參與實現定制的植入物，原因為使用這樣的材料，可打印出高質量的植入物[56]。研究發現，金屬3D打印材料具有優異的生物相容性和強度，因此通常被用于關節置換和骨折固定植入物，以促進骨愈合[57]。通過3D打印出的帶微孔金屬膝關節墊片，匹配度良好，維持了軟組織及韌帶的張力，并在很大程度上維持了膝關節穩定性并恢復膝關節功能[58]。然而金屬材料缺乏生物降解性，不太適合骨組織工程[59]。醫用3D打印工程塑料聚醚醚酮，因具有良好的生物相容性而成為理想的人工骨替換材料，可用于填充膝關節周圍骨缺損[60]。目前最新研究的用于生物工程材料的生物凝膠，能有效促進細胞黏附和生長，生物降解性好，可用于藥物的可控釋放[61-62]。對于因腫瘤導致的膝關節置換術，聯合使用這種生物材料可能是一種很有前景的腫瘤局部化療藥物載體。

盡管3D打印技術的進步使復雜膝關節置換手術的順利完成成為可能，但在膝關節組織相容性、關節表面光潔度、穩定性和力學支撐功能等方面，創新3D打印技術和材料的需求仍然在不斷增加，未來仍需進行更深入的研究。

3 小結與展望

3D打印技術在TKA中的應用進展及與傳統方式的比較如表1所示。3D打印技術發展迅速，在膝關節置換及骨與軟骨修復方面意義重大。對于膝關節置換，充分展現了現代精準醫療這一概念的精髓。3D打印組織工程支架，優良的生物相容性和力學效能，有望解決骨與軟骨缺損及再生困難的難題。相信隨著生物材料學、3D打印技術、干細胞技術、三維培養技術等相關技術的不斷發展，通過生物打印技術打印人工再生膝關節假體，有望達到膝關節的自體原位修復。

表1 3D打印技術在TKA中的應用進展及與傳統技術的比較