3 D打印技术在骨科应用的研究进展

初金泽，杨雪，梅昱，徐文倩，蔡振存

3 D打印技术在骨科应用的研究进展

初金泽1，杨雪1，梅昱2，徐文倩3，蔡振存4*

（1.沈阳医学院基础医学院临床医学专业2012级22班，辽宁沈阳110034；2.医学影像学专业2014级3班；3.麻醉学专业2014级2班；4.附属中心医院骨科）

近年来，3D打印技术在医学领域应用越来越广泛，但在骨科领域的应用尚处于初步研究阶段，由于骨科解剖学特征和治疗技术的复杂性，熟悉3D打印技术的优势和特点，结合临床实际应用，在术前更加深入研究疾病的特点，做好充分的手术计划，可最终提高临床疗效。同时，也应注意到3D打印辅助手术技术的局限性，在临床工作中扬长避短，使其更好地为患者服务。

3D打印技术；骨骼模型；手术导板；个体化的假肢；个性化的植入物

3D打印技术是一种快速成型技术，其核心技术是数字化、智能化制造与材料科学的结合［1］，它的出现，更被誉为是“第三次工业革命的标志”［2］。3D打印技术最早的源头是美国科学家Charles Hull于1986年开发的第一台商用立体光敏3D打印机，自此，3D打印技术迅猛发展，近十年来，在各个领域都颇有成就。在医学领域中，应用3D打印技术打印内脏器官、血管、骨骼等模型拯救生命；其中在骨科领域中，可用于术前规划、术中导航、个性化关节置换模型和假肢的制作等，现已成功应用于临床，深受医生和患者的青睐。就目前而言，3D打印技术在骨科的发展前景是非常光明的。本文就3D打印技术打印原理，在骨科领域的应用，以及所具有的优势及局限性进行综述。

13 D打印原理和过程

传统的建模主要包括图像分割、几何重建、网格生成和分配的材料属性［3］。而3D打印技术的基本过程可以分为三步：第一步是做三维设计，即要先对患者的病变部位进行CT扫描，以便获取病变部位的相应数据，然后通过CAD软件根据CT获得的数据进行设计，最终得出所要打印物体的三维立体模型，用三角面近似模拟物体的表面，可以增大其分辨率；第二步是做切片处理，将所要打印的物品逐层进行数字编程；第三步是完成打印，即将数字程序以STL的文件格式输入到3D打印机，3D打印机就可以将所需要的材料通过相应的技术，采用“逐层打印”的方式打印出与所需要的物体呈1∶1比例的物体［4］。

2 3 D打印技术在骨科领域中的应用

2.1 打印骨骼模型以辅助骨科手术针对较为复杂的骨折和畸形，传统手术的设计主要是由术者依据患者的X线片和二维CT图像，在脑海中进行虚拟的术前设计，但是该方法有一定的局限性和不确定性［5］，而3D打印的骨骼模型可以将真实的骨骼结构更立体地呈现在临床医生的眼前，以便医生更加直观地了解病损的严重程度，可以从一定程度上弥补传统技术的缺陷［6-7］。Lin等［8］将21例骨骼模型术列入研究，术后均进行CT扫描的三维重建，结果显示接骨板、螺钉规格以及位置等均与之前在Mimics软件中模拟的预设完全一致。这说明术前数字化的设计与实际的手术实施效果十分接近，有助于术前诊断以及手术方案的设计。Zeng等［9］利用三维印刷技术辅助不稳定性骨盆骨折的内固定术，用以识别和结扎腹壁下动脉或髂外血管及闭孔，然后就可以准确地将钢板或螺钉插进安全区域。在骨科手术中利用3D打印技术可以制作术中的引导装置，这样既可以得到良好的重建效果，又可以起到指导手术的作用。

2.2 打印导板辅助骨科治疗3D打印技术可在手术过程中起到个体化的导航作用，以免在术中损伤到毗邻的重要解剖结构，还能在一定程度上提升手术效率，降低术中的一些不必要风险，减少术后并发症的发生。比如在长骨骨折的复位中利用3D打印技术定制的外固定器，可以在临床上起到良好的固定效果，并缩短了骨折愈合的时间［10］。Zhou等［11］研究表明将CT三维重建设计和3D打印的导板应用到髋臼周围截骨术，可以提高该种手术的精准性以及安全性。目前，3D打印个性化骨科植入物在髋、膝关节的置换术及骨盆骨折的手术中应用的最多。比如在全膝关节置换术中，传统的方式是要利用手术器械进行定位，这样的定位方式，即使是经验丰富的关节外科医生，其实施的置换术的下肢机械轴线的偏差大于3°的概率也高达20%～40%，而利用计算机辅助定位的下肢机械轴线偏差大于3°的概率只有10%［12］，所以3D打印技术可以明显提高截骨的准确性，另外王均等［13］研究表明，除此之外，3D打印技术还能有效促进创伤性膝内翻畸形患者膝关节的功能恢复，而患者的1年恢复优良率也可高达92.6%。

2.3 制订个体化的假肢现阶段临床所应用的假肢均是通用的几种标准，很难满足于患者的个体化需求，而3D打印技术可以在常规的设计理念基础上，参考患者个体解剖结构特点进行假肢的优化设计、制作和置入，以符合不同的解剖及生物力学的需求，可以达到满足不同性别、人种、运动习惯和职业的个体目的［14］。此外，3D打印还可应用于儿童假肢的制作，因为儿童时期的骨骼在不断地生长，传统的假肢很难满足其需求，而3D打印技术可以制作出固定性良好的、较轻的、便于拆卸的以及成本较低的儿童假肢［15］，2014年10月，医生和科学家们利用3D打印技术成功地为一名5岁的先天性左臂残疾的女童装上手掌［16］。

2.4 组织工程领域的个性化应用及辅助癌症的相关研究在骨组织工程领域，以往的组织工程支架大多为批量生产，规格有限，不匹配的植入物则会影响手术效果，也可能会引起二次手术等不良后果。而3D打印技术可以用于制作结构较为复杂、大小形状各异的组织工程支架［17］，甚至可以根据医学影像学数据在计算机的辅助设计技术下制造出与患者的解剖学结构相匹配的支架，以满足患者的个体化需求［18］。Lee等［19］以聚乙酸及壳聚糖为原材料，通过3D打印技术构建了个体化的髁突支架，并取得了满意的效果。2014年8月，北京大学研究团队成功地为一名12岁男孩植入了3D打印脊椎，这属全球首例，而且预后十分良好［20］。Ding等［21］利用3D打印技术将软骨细胞和骨髓基质细胞分别植入到具有特定形状和结构的聚乳酸涂层的聚羟基乙酸和聚己内酯/纳米羟基磷灰石的支架中，分别用于骨和软骨的再生。

对于乳腺癌来说，骨是最容易转移的部位，故Zhu等［17］利用3D打印技术研制出了一种“好骨”环境，希望以此来研究骨转移瘤的生物学特性，而他们的研究成果同样也将适用于其他癌症研究者的工作。

3 3 D打印技术的优势与局限

首先和其他技术相比，3D打印技术的打印精度更高，目前上市的主流3D打印机精度基本控制在0.3 rain以下，个别精度较高的可实现600 dpi的分辨率，打印厚度只有0.01 mm；其次从理论上来讲，3D打印机可以打印出计算机设计的任何形状的模型，故能满足医生和患者的个性化需求，而且打印的骨骼中有可供患者本身骨细胞生长的孔隙，这样就可以使打印的骨骼与患者本身骨骼融合，有助于患者康复，提高稳定性；同时，3D打印导板技术还可以提高截骨的精准性和安全性；另外，3D打印因其增材制作的特性，因此在生产中不会产生边角料，从而会提高材料的利用率，而且打印速度也很快，操作也很简单［1，22］。

虽然可以实现个性化是3D打印技术的一个绝对优势，但是正因为它的个性化太强，从另一角度来讲就不利于大规模的批量商业生产。此外，目前的3D打印技术仍属于发展初期，经验相对不足，且缺乏专业型的人才，如果一旦出现问题，打印的模型就可能会变形；另外，3D打印相比较于普通的X线、CT扫描以及MRI等影像学检查，价格仍稍显昂贵，其推广度和认可度仍有待加强；而且由于模型的前期准备时间比较长，不适用于急诊手术；如果一旦中途手术计划发生改变，也无法在术中重新进行设计［23］。

4 展望

目前的3D打印技术有优势也有劣势，所以将其成功地应用于骨科的各个领域仍有很长的一段路要走，而一旦成功应用，将具有传统手术方法无法比拟的优越性。随着其技术的发展，在不久的将来很可能会逐步实现组织工程支架、植入物、人工关节、假肢等的私人定制，甚至可以使基于3D打印技术的生物组织、器官再生成为可能，3D打印技术给人类带来无尽的想象和可能。

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Re s e a r c hPr o g r e s s o f 3 D Pr i n t i n g T e c h n o l o g y i nO r t h o p a e d i c A p p l i c a t i o n

CHU Jinze1，YANG Xue1，MEI Yu2，XU Wenqian3，CAI Zhencun4*
（1.Grade 2012 Class 22，Shenyang Medical College，Shenyang 110034，China；2.Grade 2014 Class 3；3.Grade 2014 Class 2；4.Department of Orthopaedics，The Central HospitalAffiliated to Shenyang Medical College）

Recently，3D printing technology has been applied more and more widely in medical field，but in the orthopaedic field，it is still in the primary stage.Because of the orthpaedic anatomy feature and the complexity of treatment technology，we must be familiar with the advantage and characteristic about 3D printing technology，do more thorough preparatory work about disease features before the surgery，make a sufficient surgery plan and aims to improving the clinical curative effect.At the same time，we should also pay attention to the limitation of 3D printing technology，make the best use of the advantages and bypass the disadvantages in the clinical work，eventually offer better service to the patients.

3D printing technology；skeleton model；operation guide；individualized artificial limbs；personalized implants

R687.4

A

1008-2344（2017）02-0182-03

2016-08-09

（文敏编辑）

沈阳医学院科技基金项目（No.20166057）；沈阳医学院大学生科研立项项目（No.20160826）

蔡振存（1980—），男（汉），副主任医师，研究方向：骨科关节疾病与创伤.E-mail：caizhencun@126.com

d o i：10.16753/j.cnki.1008-2344.2017.02.033