3D打印技術在骨科臨床中的應用*

常瑞龍，張磊，顧玉彪

（甘肅省中醫院 關節骨科，甘肅 蘭州 730050）

3D 打印（3D Printing）又稱增材制造技術，以計算機的三維設計模型為藍本，運用軟件分層離散和數控成型系統，經激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、細胞組織等特殊材料進行逐層堆積粘結，最終疊加成型，制出實體產品，屬于快速成型技術的一種，起源于美國十九世紀末。近年來，科學技術的發展，跟計算機圖形學、機器人學、生命科學、材料科學等領域相結合，3D 打印呈現了日益豐富的可能性與更加廣闊的前景，在醫學、航空航天、軍事、建筑、文物保護、藝術與交叉應用等領域應用非常廣泛。其中，在醫學方面，3D 打印主要用來制作醫學教學用具與醫療實驗模型、人體組織器官再生與活體細胞培養、與人體相容性更好的植入物等，在臨床諸多領域均獲得了一定應用，在骨科臨床中輔助復雜骨折的內固定、關節假體置換、脊柱置釘等方面均起到了很好的效果。作者檢索近年國內外的文獻報道，對3D 打印技術在骨科臨床中的發展應用進行綜述，希望能給臨床骨科疾病的治療提供思路及更多的促進其技術的完善與應用。

1 創傷骨科

隨著社會科學技術的發展，人們的生活方式及人口比例都在發生著改變，臨床疾病權重也在隨著調整，日常工作中更容易碰到疑難復雜骨折、老年性患者的骨折等；從以往對創傷骨折通過X線、CT 等影像資料制定手術治療方案，到目前對部分復雜骨折通過運用3D 打印技術制造1∶1 的骨折模型，模擬復位，明確預定植入的內固定最佳位置，甚至植入物的大小、方向等；必要時還可行內植入接骨板的塑型預彎，提前進行手術的設計、預演。檢索近年來發表的文獻，3D 打印技術在治療股骨粗隆間骨折［1］、股骨頸骨折［2］、脛骨平臺骨折［3-4］、距骨骨折［5］、Pilon 骨折［6-7］、骨盆骨折［8］等方面已廣泛應用。通過對比研究，3D打印技術輔助可實現手術的精準操作，可減輕手術創傷，降低手術時間、術中出血量等，對患者術后盡快的康復、減少并發癥的發生有著重大的意義［1-8］。對部分近關節或者關節內的骨折，3D 打印技術輔助骨折內固定治療，還可以增加患肢術后的功能恢復［1,3-4,6-7］；部分骨折因為解剖結構或者創傷因素的影響，3D 打印技術對術后功能恢復的優越性干擾不強［2,5］；對復雜的骨折手術中，既往的成品接骨板難以滿足骨折的固定，3D 打印技術可以打印個性化接骨板內固定治療［4,8］，滿足臨床的需求；高科技發展的社會，高能量的損傷隨處可見，3D 打印鈦合金假體植入治療四肢大段骨缺損，可實現骨骼解剖重建與生物力學穩定重建，對患者的康復有促進作用［9］。3D 打印技術的運用，對臨床的治療方式有積極的促進作用，不僅患者得益，3D 技術的運用降低了醫護長時間受X線輻射的風險［1-2,4,8］，并且能夠幫助患方更好地理解診療方案，提高醫患溝通效果，能充分理解手術風險，可提高患方治療過程的滿意度［5,10］。

2 脊柱骨科

因脊柱的結構復雜，毗鄰著動脈、脊髓等重要結構，手術操作須慎重，尤其是頸椎、嚴重脊柱側凸畸形，手術操作難度大、風險高，手術失誤可導致動脈穿孔、刺激脊髓等嚴重并發癥［11-12］，嚴重者可致患者癱瘓、危及生命等［13］。

3D 打印個性化導板將頸椎、脊柱側凸畸形等手術的風險和難度大大降低，臨床上越來越多的學者將這種技術應用于脊柱手術中，3D 打印導板行頸椎后路椎弓根螺釘內固定治療［14-16］有效避免手術副損傷（血管、神經）和并發癥的發生，經后路椎弓根釘棒內固定治療強直性脊柱炎并胸腰椎骨折［17］、經皮穿刺雙節段骨質疏松性椎體壓縮骨折椎體成形［18］、脊柱側凸畸形矯形［19-20］等手術借助3D 打印技術均精準操作，相較于既往縮短了手術時間、減少術中放射暴露，驗證了其輔助置釘的安全性和準確性。但是，3D 打印導板因為工藝、技術等因素的差異，臨床效果會有所差別［20-21］，且對于術中突發情況，特別是嚴重脊柱側凸畸形復雜解剖變異者，3D 打印技術無法及時術中調整設計［17,20］，值得一提。

3 關節矯形骨科

隨著醫療水平的提高、醫學知識的普及，人們對疾病的認識和治療的接受也在發生著改變，越來越多的關節置換手術就可以說明。隨著關節置換術逐年增加，患者年齡趨于年輕化，且復雜的髖、膝等關節疾病愈發常見，關節置換術后的翻修也隨著關節置換患者的增多而逐年增長。3D打印技術借助CT 等影像資料，在三維平面的基礎上制出三維立體模型［22-25］，打印個性化鈦合金假體廣泛應用于各種類型的骨骼和關節損傷的修復和翻修治療［26-28］，重建關節功能，療效滿意。因為3D 打印個性化定制假體形態與骨缺損一致，能完美匹配患者關節骨骼缺損的部位、范圍，使得關節結構可精確還原，解決了假體的匹配問題，從而獲得假體的初始穩定性，且其表面的骨小梁多孔結構與松質骨相似，有著良好的骨長入效果，為假體的遠期穩定性提供保障［29-31］。3D 打印技術輔助制作個性化導板，輔助截骨在初次人工表面膝關節置換中運用，減少了既往的股骨開髓髓內定位等手術步驟，且截骨角度更加精準，術后康復及手術滿意度良好［32］；另外，在早期股骨頭壞死髓內減壓［33］、膝關節畸形截骨矯形［34-38］、高位脛骨截骨矯形［39］、重度踇外翻截骨矯形［40］、小兒肘關節畸形截骨矯形［41］等方面，3D 打印導板已廣泛運用，研究證實對術中透視次數、手術時間、截骨周圍組織損傷、術后感染發病率等方面的控制有明顯的優勢［32-41］。

4 腫瘤骨科

骨腫瘤原發病灶通常體積較大，多累計關節（髖、膝等），一般毗鄰有動脈、神經等重要結構，不規范的外科治療會導致肢體殘疾甚至危及患者生命［42］。腫瘤的切除手術也是一大挑戰，隨著科技進步，診療水平及化療技術等有了很大的提高，對腫瘤范圍的界定和控制有了長足的發展［43］，但大范圍的切除，會給肢體功能的重建帶來困難［44］，3D 打印技術的出現，對骨腫瘤的治療提供了新的思路。目前，臨床中在骨盆腫瘤［43,45］、髖關節腫瘤［26］、近膝關節腫瘤［46-47］、四肢長骨股骨干腫瘤［48-49］等方面應用廣泛，解決了骨骼空間的重建難題，早期臨床效果優異，有利于組織功能的康復。

5 總結

3D 打印技術的興起、發展，在醫學領域促進了新的治療方式，尤其在骨科領域得到廣泛運用，且優勢明顯：術前設計手術方案，術中精準操作、縮短手術時間、減少手術副損傷，術后更快的機體功能康復，應用前景非常廣闊。但目前技術的開發和臨床應用資料，均是對臨床應用早中期的觀察研究，缺乏大樣本、長時期的觀察研究；另外，3D 打印在術前計劃準備消耗時間，對于急診或術中突發情況及時調整較困難也需要注意。相信伴隨著科學技術的發展，材料技術的提高，高精度高定制化的3D 打印能更廣泛運用在骨科，值得發掘。