3D打印技術在骨關節炎中的研究進展*

【摘要】 骨關節炎（osteoarthritis，OA）是一種臨床上常見的逐漸進展的慢性骨關節病變，是以關節軟骨損害為主的非炎性退行性關節病，常常累及整個關節面組織，最終導致關節疼痛、活動障礙，甚至畸形。三維（three-dimensional，3D）打印技術是快速成型技術工藝中的一種，指以數字模型的數據文件為基礎，粘合粉末狀的各類金屬及塑料顆粒等物質，并通過逐層打印制作的方式，來構建數字模型所設計的物體結構的技術。近年來，3D打印技術在醫學領域應用相對廣泛，特別是等比例打印骨與關節模型在骨關節炎治療過程中體現了其獨特優勢。骨與關節模型的制作，不僅能更加直觀詳細地展現骨與關節的解剖結構、明確破壞部位及程度，而且能明顯縮短手術時間、減少術中出血量及縮短術后恢復時間。因此，本文通過近年來3D打印技術在骨關節炎中的應用研究進行綜述。

【關鍵詞】 3D打印技術 骨關節炎 關節置換 髖關節 膝關節

Research Progress of 3D Printing Technology in Osteoarthritis/JIANG Yulin， LAN Fengjun， TIAN Zhiyong， DENG Jin. //Medical Innovation of China， 2024， 21（28）： -174

[Abstract] Osteoarthritis （OA） is a common and progressive chronic osteoarthropathy in clinical practice. It is a non-inflammatory degenerative joint disease mainly involving articular cartilage damage， which often involves the entire articular surface tissue and eventually leads to joint pain， mobility impairment， and even deformity. Three-dimensional （3D） printing technology is one of the rapid prototyping technology process， refers to the data file of digital model as the basis， bonding various powdery metals and plastic particles， and through the way of layer by layer printing， to build the object structure of the digital model design technology. In recent years， 3D printing technology has been widely used in the medical field， especially the equal proportion printing of bone and joint models has reflected its unique advantages in the treatment of osteoarthritis. The production of bone and joint models can not only display the anatomical structure of bone and joint more intuitively and in detail， determine the location and degree of damage， but also can significantly shorten the operation time， reduce the intraoperative blood loss and shorten the postoperative recovery time. Therefore， this paper reviews the application of 3D printing technology in osteoarthritis in recent years.

[Key words] 3D printing Osteoarthritis Joint replacement Hip joint Knee joint

First-author's address： Department of Orthopaedics， the Affiliated Hospital of Guizhou Medical University， Guiyang 550004， China

doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2024.28.040

骨關節炎（osteoarthritis，OA）是一種漸進性、以關節軟骨損害為主的慢性疾病，幾乎可以發生于任何關節，但以膝關節和髖關節等負重關節常見，主要表現為關節疼痛、僵硬及活動受限[1-2]。根據流行病學調查研究發現，骨關節炎呈現明顯地域差異，且它是以老年性退行性改變為主要致病因素的骨關節病，發病率隨著年齡增長而不斷增高[3-4]。骨關節炎常發生于大關節，以膝關節及髖關節為主，脊柱及其他關節相對較少[5]。Verma等[6]研究也發現，骨關節炎是全球各種肌肉骨骼疾病中最常見的疾病，且其發生率隨著年齡增長而增加。

3D打印技術是一種使用計算機以數字文件為基礎制造各種結構和不同幾何形狀物體的新興技術。1986年，美國科學家Charles Hull通過引入立體光刻技術，成功研制出了世界第一臺商業3D印刷機[7]。隨著科學技術的不斷創新和進步，3D打印技術逐漸在航天領域、軍事領域及醫學生物領域等發揮至關重要的作用[8-10]。在醫學領域，特別是骨科、神經外科及心內科，3D打印技術應用廣泛[11-13]，因3D打印技術能夠精準地制作出組織的組成部件、空間結構及相應的分布位置，從而打印出目標器官和組織的生物形狀和構成結構[14]。

近年來，國內外關于3D打印技術在骨科中的應用報道較多，特別是在骨關節病（膝關節、髖關節）中的應用。Hall等[15]研究發現，膝關節骨關節炎和髖關節骨關節炎是全球導致殘疾的主要原因之一。筆者查閱3D打印技術在膝關節骨關節炎和髖關節骨關節炎中的應用的相關文獻發現，參與研究的機構和國家越來越多，且發表的文獻數量逐年增長。本文通過闡述3D打印技術在骨關節炎診斷和治療中的作用，以期為3D打印技術在骨關節炎中的診治提供新的思路。

1 3D打印技術在膝關節骨關節炎中的應用

由于社會人口老齡化程度日益加劇，骨關節炎的發病率呈現上升趨勢[16]，而膝關節骨關節炎是目前臨床上最常見的骨關節炎之一[17]。膝關節骨關節炎是一種以膝關節骨關節面軟骨退行性改變和繼發性骨質增生為特征的慢性骨關節病，主要表現為膝關節疼痛、活動受限、腫脹或畸形、骨摩擦音，以及無力和肌肉萎縮等[18]。結合人體解剖，人體最大且最復雜的關節是膝關節，其周圍韌帶組織及其他輔助結構最多。故而，膝關節骨關節炎治療難度較大，特別是膝關節置換術，需要對其解剖結構足夠熟悉及大量的手術操作經驗才能實現手術的完美成功。3D打印技術在醫學領域的應用實現了膝關節個性化復刻，它不僅克服了傳統二維空間上的成像不足，還能選擇更優的手術方式和模擬手術過程。膝關節置換主要分為全膝關節置換和單髁置換，結合3D打印技術不僅能提高手術的成功率和患者的生活質量，還能促進3D打印技術的發展。

1.1 3D打印技術在全膝關節置換中的應用

全膝關節置換術（total knee arthroplasty，TKA）是指用人工膝關節假體與膝關節進行表面置換，去除損毀嚴重的關節軟骨，達到治療疼痛、恢復關節穩定性和活動度、矯正關節畸形形態及改善患者生活質量的目的。膝關節功能的完整性與解剖結構、周圍韌帶及其他輔助結構密切相關[19]。通過對膝關節骨結構及軟組織功能的研究發現，任何結構單元發生功能失調或結構異常都可導致膝關節骨關節炎的發生[20]。隨著3D打印技術在臨床工作中的不斷應用，膝關節骨關節炎的治療方案也得到了優化，使得全膝關節置換治療方案更加精細化、程序化及微創化。與此同時，3D打印出的結構模型與人體結構一致，不僅可以為外科醫生提供立體可視化的詳細解剖結構，而且可使年輕外科醫生能夠更精確認識相應的病理結構并縮短學習周期[21-22]。

近年來，TKA結合3D打印技術治療膝關節骨關節炎的方式逐漸得到廣大臨床醫生的認可，并在治療過程中取得了良好的結果。通過3D打印技術制訂個體化手術程序、截骨模板，能夠真正做到個體化治療，從而使手術效果更佳并減少手術時間、術中出血量，降低手術并發癥風險[23-24]。Bonny等[25]應用3D打印儀器空間聯動裝置技術測量TKA在脛股關節的屈伸軸和旋轉軸的變化情況，驗證了該方法的準確性。Vaishya等[26]研究發現，3D打印在TKA中的應用意義重大，特別是在尺寸大小預測和膝關節力線機械性對準方面。Niu等[27]通過對比研究結合3D打印技術的TKA與傳統手術發現，3D打印技術在TKA中應用可以簡化手術過程，提高手術的精度和手術療效。隨著3D打印技術在醫學領域中的應用越來越廣泛，使得術前談話更清晰可靠、更容易被接受，術前討論更有針對性、更能制訂出最佳手術方案，有利于手術順利進行。而3D打印個性化的醫療策略不僅可以使復雜手術具有可重復性，還能提高患者的安全性和治療的有效性。Fernandes等[28]研究發現3D成像個性化骨骼重建技術不僅能用于術前談話、討論及制訂手術計劃，還能提高手術的精準度，增加手術的可靠性。

當然，對于復雜的TKA，特別是全膝關節置換翻修術（revision total knee arthroplasty，rTKA），常常出現脛骨近端骨缺損或丟失并導致固定不牢固或內固定裝置脫落等可能[29]。故而，需要開發新的植入物或手術方式來提高植入物的穩定性和時效性。Dion等[30]發現生物力學結合3D打印脛骨缺損部位的rTKA手術優于傳統骨水泥型rTKA，同時發現3D打印的修復體能促進骨內向生長，有利于關節的穩定性和可靠性。Savov等[31]研究發現，通過3D打印技術制訂個性化的rTKA內植入物，提高了rTKA的安全性，降低了致殘率。TKA后假體周圍感染（prosthetic joint infection，PJI）是rTKA最主要的原因[32]。骨水泥間隔器常用于關節置換感染后二期翻修，但由于藥物釋放效能較差，導致翻修手術有效性不足。Kong等[33]通過對比3D打印輔助抗生素釋放的關節間隔器與傳統骨水泥間隔器發現，前者手術時間、術中失血量及術后骨質丟失顯著縮短、降低，膝關節功能和患者滿意度明顯增加。Allen等[34]研究發現3D打印含有儲存層的墊片，通過調整儲存參數如藥物釋放通道的長度、直徑及數量，可以長期且有效地釋放抗生素來治療假體周圍感染。

綜上所述，3D打印技術在全膝關節置換中發揮著舉足輕重的作用。對于患者，不僅能夠清晰直觀地了解病變部位、手術部位及手術方式，而且還能增強患者對手術的信心，減輕手術心理應激反應。對于術者，不僅可以詳細了解解剖結構、制訂最佳手術方案、模擬手術，還能降低手術難度、縮短手術時間及提高手術成功率。

1.2 3D打印技術在單髁置換中的應用

膝單髁置換術（unicompartmental knee arthroplasty，UKA）主要目的是重建患肢膝關節形態和解剖結構，以更好地維持膝關節的原生物力學力線。UKA是一種新興的手術理念，通過人工膝關節假體與部分膝關節進行表面置換，主要應用于膝關節單側間室的年輕骨關節炎患者。由于膝關節外側髁和內側髁在生物力學和解剖學上不同，而目前常用的標準化單髁植入物，其貼合度可能未能達到最佳。隨著3D打印技術的不斷應用，3D打印截骨導板在UKA中得到了廣泛的應用，不僅截骨準確、創傷小、出血少，而且近期療效好[35-36]。

3D打印技術在UKA中的應用包括特制截骨導板和個性化單髁植入物，其中關于3D打印截骨導板在UKA中的應用報道越來越多，取得的臨床療效有目共睹。Gu等[37]通過對比研究發現，在行UKA時結合3D打印特制的截骨導板能夠縮短手術時間、減少失血量、提高手術臨床效果。Jiao等[38]發現，3D打印技術在UKA中的應用展現了精準、高效和安全等特點，經驗不足的醫生通過導板引導能有效提高內植入物放置的精確度。定制膝單髁置換術（custom unicompartmental knee arthroplasty，C-UKA）是利用3D打印技術根據個體情況制作的特定植入物，目前在臨床應用中相對較少。Demange等[39]進行前瞻性研究發現，3D打印的定制外側髁置換假體與標準化的外側髁置換假體相比，貼合度及覆蓋面明顯更優，短期臨床治療效果更佳。Pumilia等[40]通過臨床研究發現，C-UKA根據個體解剖結構制作的植入物更加符合膝關節的功能結構，療效、術后關節功能及膝關節使用時間均明顯優于傳統手術。根據以上研究表明，3D打印技術的可靠性、模型結構的可重復及實用性、3D假體的穩定性均呈積極表現。

隨著3D打印技術不斷成熟及流程模塊化后，所需時間和耗材成本不斷降低，有利于提高患者的認可度。同時，3D打印技術設計的個體化截骨導板用于指導術中截骨定位和截骨操作過程，可使截骨過程依據客觀數據進而降低人為誤差，提高截骨的精確度和手術操作過程的準確性。

2 3D打印技術在髖關節骨關節炎中的應用

髖關節骨關節炎是指由一種或多種因素引起的髖關節退行性改變，導致上下關節面軟骨和周圍骨結構進行性損害。然而，目前髖關節骨關節炎的病因尚不明確，可能與年齡、創傷、代謝、遺傳、關節發育異常及感染等因素有關，主要表現為關節疼痛和功能受限[41]。髖關節骨關節炎屬于退行性病變，目前臨床上暫無根治的方法，大多只能通過物理、藥物及手術治療等方法緩解癥狀、保持或改善關節功能。晚期髖關節骨關節炎治療多以藥物為輔、手術為主，手術治療主要包括關節置換術、關節成形術、骨融合術及截骨術等。晚期髖關節骨關節炎是人工關節置換的首選適應證之一，手術方式主要包括全髖關節置換術和半髖關節置換術。當然，隨著科技的不斷發展，3D打印技術的不斷優化，使得髖關節手術方式也在向著微創化、精細化發展，為髖關節疾病的治療提供新的思考。

3D打印技術的不斷應用，讓大家清晰地認識到它不僅能夠展現精確的可視化解剖結構，而且還具備手術過程的可重復性，可降低手術風險、提高手術成功率[42]。Facco等[43]研究發現，3D打印的髖關節模型可重復和持續地在術前談話和手術規劃過程中起到重要的作用。Paish等[44]通過實驗研究發現，3D打印可用于醫療領域金屬合金植入物的制造，可用于定制個性化關節置換模型。Xia等[45]通過研究3D打印技術在髖關節手術中的應用發現，它不僅可以3D打印等比例模型、定制植入物和定制特定器械，還能有效提高手術效率、減少輻射暴露次數、縮短手術時間。可見，通過術前建模更有利于術前評估和手術計劃方案的制訂。Ranzzi等[46]通過對兩個髖關節置換術后翻修的病例的研究發現，術前使用3D打印技術制作等比例個性化置換物，有利于手術操作并縮短手術時間。雖然，單病例的對比研究不能代表整體，但是也間接表明3D打印技術在髖關節置換翻修術中應用的可行性，有利于推進該技術在髖關節置換術中的應用。Liang等[47]研究發現，3D打印技術在髖關節周圍疾病中的應用主要包括打印骨骼模型、制訂手術方案、定制手術導航模板及定制特定器械。這間接證明了3D打印技術可以作為髖關節疾病治療的新選擇，具有良好的發展潛力和應用前景。

綜上所述，3D打印技術在臨床上的應用，為復雜的髖關節疾病治療方案的制訂提供了新的方向和思維。

3 小結與展望

3D打印技術是一種在各學科領域受到廣泛關注的新興技術，特別是在航空、軍事及醫學領域[48-50]。在醫學領域，3D打印技術不僅能夠打印出個性化的器官組織，而且能夠精細地展現所需結構組織的解剖結構。目前3D打印技術在骨關節炎手術中的應用非常廣泛并發揮著重要的作用，主要包括TKA、UKA、全髖關節置換術及半髖關節置換術等。根據3D打印技術在骨與關節領域的應用頻率和取得的治療效果來看，成果一目了然。而且3D打印技術在骨與關節中的應用，還體現了醫患溝通、術前的規劃模擬、手術方式的選擇、植入物的選擇、關節解剖結構的展示、術中導航，以及術后并發癥的預測等的獨特優勢。當然，3D打印技術在骨科中的優勢是顯而易見的，但也不是所有骨科疾病都適用，我們應該在適用過程中發揚它的優勢、彌補不足，促進3D打印技術在醫學領域的進步，并不斷優化改進。總之，伴隨著科學技術的進步，3D打印技術不足之處將得到不斷改善和進步，為全球醫療衛生事業的各個領域帶來發展，越來越多的患者也將會因該技術的發展進步而獲益。

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（收稿日期：2024-02-02） （本文編輯：陳韻）