3D 打印技术在修复骨缺损中的应用研究

陈扬蓝涛钱文斌

综述与讲座

3D 打印技术在修复骨缺损中的应用研究

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1 引言

创伤、肿瘤、囊肿、结核等疾病是导致组织缺损的重要原因，特别是硬组织外科领域，选择一种合适的植入物替代组织缺损重塑结构的完整性是手术治疗的关键。组织缺损的不规则性，往往造成植入物与缺损区的不匹配，就要求手术者在术中对传统植入物的塑形与反复的匹配，对手术者提出了更高的要求，同时延长了手术时间、增加了术中的出血量，最终影响手术的效果，临床上需要一种患者个体化的植入物快速的完成缺损的修复过程。基于现代影像技术及计算机辅助设计技术对缺损区进行三维重建，利用3D打印制备患者个体化的植入物进行组织缺损的修复或制备仿生模型进行术前的手术模拟，可以大大提高了外科手术的精确性与安全性。

2 3D打印技术的原理

3D打印技术是20世纪80年代后期国际上出现的新技术，集成计算机辅助设计和计算机辅助制造（CAD/CAM）、数控技术、激光技术、高分子材料、三维CT技术等领域为一体的现代工业制造技术，主要根据离散/堆积成形原理，在计算机控制下利用零件的CAD模型所确定的几何信息，对层片材料或粉层进行二维扫描和处理，由点到线，由线到面，由面到体，层层堆积可得到一个三维实体（原型）。3D打印制备植入物可以减少物理模型或样品乃至批量产品制造所用的时间和成本，同时可以保证制造的精度[1]。

3 个体化植入物的三维数字化重建与制造

对病变缺损区域进行CT断层扫面，获得病变节段断面图像，以DICOM格式保存后输入计算机，应用MIMCS软件通过阈值分割与区域增长生成三维图像，采用完全贴合与交互式屏幕显示设计法在CAD三维模型上、缺损的周围定点并排序，通过图像分割和配准，提取兴趣区域，经过无数据损失的表面绘制得到三角化网格图像，填充后即生成三维模型。重建结果以.STL格式输出，得到修复体的三维模型数据通过数字接口输入3D打印机。对STL文件进行“切片”处理，这些片层信息经过程序处理依次控制3D打印设备，逐层堆积完成修复体的制造。

4 3D打印技术的临床应用

3D打印技术自诞生之日起，在医学领域，特别是硬组织外科领域，受到了高度重视并已应用于临床，3D打印在医学领域的应用已经取得了重大的进步，给患者、临床医生乃至整个社会带来了巨大的帮助。

4.1 3D打印技术在颌面外科的应用

2012年2月13日比利时和荷兰的医生成功为一名下颌骨坏死的83岁的老人植入3D打印的下颌骨，这是世界上首次完全使用定制植入物代替整个下颌骨。传统植入物的制备需要数天的时间，手术的过程需持续7个小时，术后尚需留院观察2～4周。而术前已经利用3D打印技术制备符合患者个性化的下颌骨，手术历时只有短短的4个小时，患者术后1天便已可以说话和吞咽，充分显示通过3D打印技术快速制作个体化医学内植物在临床实际应用过程的革命性意义。国内学者董青山等[2]对5例下颌骨下颌骨缺损需即刻行外形与功能修复的患者，现行三维CT扫面获得颌面部影像数据，在计算机内进行三维重建，应用快速成型技术制作颌面部实体模型，并运用模型进行手术部位、截骨点、钛板方向和角度模拟，结果显示手术过程快捷、顺利，手术效果满意。龚振宇等[3]运用快速成形术对43例复杂颌面骨性病变的患者设计、制作骨骼实体模型进行外科模拟，最终手术过程顺利，明显缩短了手术时间提高了手术质量。Waran[4]等报道了3D打印技术制备头颅模型协助教学、术前训练等。Lee[5]等曾利用CT扫描获得患者颌面缺损影像数据后进行三维重建，制备模型对缺损进行评估，并完成颌面部缺损的修复手术，体现了计算机技术与3D打印技术联合并应用临床工作的可行性。

4.2 3D打印技术在骨外科领域的应用

传统的假体并不能完美的匹配患者骨骼的个体差异，各种疾病导致的骨缺损使骨骼的外形更不确定。3D打印技术设计与制备的植入物能够完美解决这些问题。国内杜浩[6]等学者通过三维重建结合3D打印快速制备6位股骨头坏死实物模型进行术中定位显示术前设计、构建的实物模板对手术的效果起到了关键作用。丁焕文[7]等采用快速成型技术对106例骨病患者制作骨关节原型，进行外科手术过程设计、预演、制作外科手术辅助模板、个性化植入物等，最后精确实施骨关节外科手术，与传统手术方式相比，手术时间大大缩短，术中出血减少，术前的手术模拟更方便了外科医生对解剖结构的认识，大大降低了手术带来的副损伤。于乃春[8]等利用快速成型术对脊柱畸形的患者进行脊柱三维重建，从不同的角度与方向观察实物模型，术前建立个体化导航模板，术中引导椎弓根置钉，明显缩短手术时间，实现了准确置钉的目的。国外亦有关于在治疗儿童先天性脊柱侧凸、后凸时运用3D打印技术的病例报道[9]。Matthew[10]等利用CT三维重建与3D打印制备一名6岁小女孩肩胛骨肿瘤的模型，模型的可视化可以协助外科医生进行病情解释与术前病情分析。Debarre[11]等亦指出快速成型术对病变破坏与缺损区域进行建模比CT三维重建在临床应用方面更有优势，并对干骺端骨不连进行截骨术、肩关节成形术、股骨滑车成型术的不同患者进行术前建模，利用3D制备的模型或者植入物更加客观形象的反应病变并成功的实施手术，手术效果令人满意。

4.3 3D打印技术在组织工程中的应用

种子细胞、生物活性因子及基质材料是组织工程的三大要素[12]。组织工程支架作为组织工程学研究的核心要素之一，为细胞生长、增殖及分化提供载体，可植入机体病变部位，继续增殖、分化，形成新的与自身功能和形态相适应的组织或器官，达到修复或改善病变部位的目的。利用3D打印技术制备的生物支架，丰富的材料保证了支架具备很好的生物相容性，而且支架孔隙的大小、形状更加符合种植细胞的迁移、增殖与分化，能够为组织缺损的修复提供优良的环境。Meseguer[13]等将3D打印技术制备的羟基磷灰石/聚己内酯/脱钙骨基质植入兔子体内不仅在支架周围成功诱导骨生成，同时能够引导骨细胞在支架的孔隙内爬行并产生新生骨。Cui X[14]等用PEGDMA（聚乙二醇-二甲基丙烯酸酯）聚合支架过程中同时混合入软骨细胞制备的生物支架保证了细胞在支架内的精确分布，提高了软骨细胞的成活率，支架能够与周围组织更好的匹配并完成软骨的修复。国内学者孙梁[15]等通过3D打印技术制备的聚乳酸-聚羟乙酸/磷酸三钙生物支架复合BMP成功修复了兔子15mm的骨缺损，成骨的速度可以完美的匹配支架的降解速度。应用3D打印制备生物支架，不仅能够满足生物相容性、生物活性、力学性能等要求，而且其高孔隙率的三维立体结构更适合种子细胞增殖、分化与诱导成骨修复缺损，具有重大的应用价值。

5 展望

因创伤、肿瘤、结核等疾病所致的骨缺损往往不规则，传统的人造骨不仅来源有限，生产的周期长，产品的大小、形状往往不能完美的匹配骨缺损，最终导致手术效果不理想。个体化与精确化是21世纪医学发展的方向。3D打印技术在医学领域的应用，将会极大的推动医学的进步。3D打印技术抛弃了传统的依赖于工厂生产的模式，可以便捷、快速的为患者量体裁衣，制备个性化的植入物，生产周期明显缩短，打破了传统制造业时间和空间的限制，具有重要的社会效益。同时，集影像技术、计算机辅助技术与制造于一身的3D打印技术，可以更直观的协助医患沟通，帮助临床医生术前全面的评估病情、设计更为合理的手术方案从而使减少手术时间、术中出血及各种并发症的发生成为可能，具有显著的临床效益。3D打印技术作为一项新技术在骨科乃至整个临床中的应用，具有传统手术方法无法比拟的优势，但目前制作成本仍较高。打印过程所需的原材料不仅要求生物相容性好，还必须满足生物力学的性能，这也成为3D打印技术在临床运用的一大难题。同时新技术比要求临床医生在熟练掌握医学技能的前提下，具备一定三维重建与CAD技术。但是我们有理由相信随着生物材料知识及计算机技术的迅猛发展，3D打印技术将会更为之成熟的投入临床使用，为患者解决临床难题。

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陈扬（1965-）男，教授，硕士研究生导师，主任医师。研究方向：脊柱外科。

2013-11-25）

深圳大学医学院第一附属医院（深圳市第二人民医院脊柱外科），广东深圳518030