3D打印技术在骨科领域的应用研究进展

钟 山，卢庆勇，陈静洪

(1.3.梧州学院 机械与材料工程学院, 广西 梧州 543002; 2.桂林理工大学 机械与控制工程学院，广西 桂林 541006)

0前言

3D打印技术是增材制造的俗称，也叫快速原型制造(Rapid Prototyping ,RP), 名称各异的叫法从不同角度体现了该制造技术的特点[1]，它基于离散-堆积原理，由零件三维模型的CAD数据驱动直接制造零件[2]。近年3D打印技术的快速发展, 许多欧美等国家相继推出了促进3D打印产业发展的政策和措施。国内，国务院也很重示3D打印技术的发展，先后在“863计划”和《中国制造2025》强调加快增材制造技术的发展。

目前，3D打印的医疗应用可以分为几大类：3D生物打印；个性化植入物和解剖模型；辅助的医疗器械, 包括假肢、手术导板、康复辅具等；药物研究[3]。其中在骨科领域中,主要用于术前实体模型、手术导板、内置物、教育科研等,并且在已有许多医疗机构成功应用于患者。3D打印在国内外多家医院机构已经进入临床应用阶段，如国外美国康涅狄格州牛津性能材料公司和我国西安交通大学第一附属医院。与医生早期主要根据X 影像、CT或MR扫描的二维图像来洞察病态方式相比，3D打印的术前模型能够反映病患情况，可更有效帮助医生进行术前诊断规划,同时通过手术模拟，可以缩短手术时间, 降低手术风险。3D打印技术在骨科领域的应用依赖于从医学图像导出的人体解剖结构的精确数据[4]，具有很好的应用价值。 本文就与骨科相关的3D打印技术打印原理,骨科在术前实体模型、手术导板、内置物、临床教学与科研的应用状况,以及其挑战与不足进行综述，最后，对其未来进行展望。

1 基于骨科应用的3D打印原理和关键技术

基于骨科应用的3D打印主要通过逆向工程 (Reverse Engineering， RE) 和快速成型技术( rapid prototyping, RP) 实现的，流程如图1所示。

图1 基于骨科应用的3D打印流程图

1.1 逆向工程

逆向工程是按照现有实物, 利用各种数字化设备对现有的实物进行扫描和测量, 获得密集的点云资料, 然后通过计算机辅助设计技术处理得到实物的数字模型和三维实体造型的过程[5]。目前, 在逆向工程的医学应用方面, 已经开发的相关软件较多, 如 MIMICS、 Geomagic、Imageware 等,还有机械领域常用的 CAD 软件，如 UG，PRO/E， SOLID-WORKS。这些软件可对扫描得到的数据进行修补重建，以完善打印的三维模型，其中比利时 Materialise 公司的 MIMICS 软件使用较多。MIMICS 是基于医学 CT 、 MRI 图像三维重建和快速成型应用的专业软件,相比较成熟、应用功能较多，具有良好的图像编辑功能。

1.2 快速成型

快速成型技术, 又称3D打印技术，或增材制造技术, 是20世纪80年代后期开始逐渐兴起的一项新兴制造技术。3D打印技术基于层层堆积原理加工成型为实体模型，它以数字化、网络化、个性化、定制化为特点，被认为是推动第3次工业革命的核心技术。目前已被各国作为战略化新兴产业大力发展，在骨科领域展现出光明前景。

基于骨科治疗的增材制造技术主要有立体光固化成型技术(SLA)、选择性激光融化技术(SLM)、熔融沉积技术(FDM)、分层实体制造技术(LOM)等[6]。就骨科领域而言，SLA 成型精度较高，成型速度较快。骨科结合3D打印技术，手术变得相对容易，具有很大的推广价值。

2 3D打印技术在骨科各领域中的应用现状

2.1术前实体模型

3D 打印在骨科的术前实体模型应用主要体现在可以将病变部位的三维立体模型打印出来，为医生提供比医学影像资料更加详细的解剖学信息，实现了从二维到三维的转变。3D打印技术与逆向工程技术结合，可精确地打印患者病变部位实体模型，以方便医师在术前诊断病变部位的复杂关系,如3D打印的神经解剖模型反映了病变与正常大脑结构之间的关系(如图2所示)，有助于医生区分血管神经等结构,这是传统的CT图像难以做到的。这样可以更加形象、直观地为患者解释病情,也更方便术前规划和模拟，从而提高手术的成功率。应用于模型打印的3D 打印技术主要有 SLA， DLP， SLS， FDM 等。

图2 沃尔特里德国家军事医学中心的神经外科医生用于手术计划的三维模型[7]

关于3D 打印在骨科的术前实体模型应用比较成熟，国内外成功案例以及研究报道有很多。

(1)国内杜浩、丁焕文、于乃春、戴尅戎等研究人员应用3D打印的模型进行术前规划诊断模拟，成功完成了手术，并且效果明显。2014年8月，北医三院刘忠军教授完成世界首例 3D 打印的人工椎体置换手术；西安交通大学第一附属医院首例金属直接成型3D打印钛合金假体的植入手术——利用3D打印模型对手术规划、明确了最佳手术切口，并最终成功施行了3D打印钛合金肋骨植入手术。

(2)比利时BIOMED研究所的研究小组成功地植入了首例 3d打印的钛下颌假体。根据搜查文献发现，国外的案例学者研究还有如Liu YF, Xu LW，Sanghera，Kühl S等。其中，Liu YF等[7]利用CT扫描和逆向工程对下颌骨缺损模型进行重建打印,制定治疗计划和术前模拟,确定相关尺寸参数，为手术的成功提供了保障。数字化设计和3D打印相结合根据打印的骨关节原型，可设计插入髓腔内的器材尺寸，确定内固定器或个性化假体的参数等，提高手术安全性和精确性，从而改善手术疗效 。

外科医生用3D打印来辅助治疗如小儿脊柱和骨盆等复杂手术病例，3D打印在设计手术计划、选择种植体类型或体外固定器、术中参考病人的解剖、骨切术的准确性以及与患者的交流等方面意义重大。

2.2 手术导板

手术导板是将手术辅助定位工具。随着3D 打印技术的进步与逐步普及，手术导板的应用已成为基层骨科医生的最佳选择。3D 打印手术导航模板的优点在于 ：第一，可简化操作，具有辅助定位作用，应变性强，提高了手术的精准性；第二，降低手术风险，提高了手术的安全性,如降低血管、神经损伤程度，还有避免了伤口感染等并发症的发生； 第三，减少手术透视的时间和次数，从而保护医患人员少受辐射。

基于3D打印的骨科的手术导板应用中，主要有骨肿瘤切除，骨关节炎手术，复杂骨折手术，整形或矫正手术等。其中，导板常用的手术部位有骨盆、关节、脊柱等。

据国外学者Ast，Merc等研究发现，外科医生通过预先准备手术导板可以减少手术步骤，不仅提高了术中的效率，也节省了手术时间。根据查阅文献与报道发现，国内的陈国灿、付军、周小义、杨云强等人通过对运用手术导板进行手术治疗的患者后期追踪发现疗效明显，恢复良好。其中，付军等人选择其所在单位的同期、同部位、同类常规手术(未使用手术导板)28 例作为对照组，通过对比导板制作加工时间分析不同 3D 打印技术的效率，同时记录术前设计时间、手术时间、术中透视次数，进行比较分析,最后研究发现：

(1)不同3D打印技术制备的手术导板各有优势,需根据具体手术方式选择；

(2)3D打印手术导板很好地适应了骨肿瘤手术个体化要求,可实现术前设计；

(3)与对照组对比分析，经过合理设计并使用导板，虽然术前设计时间有所延长，但术中透视次数明显减少，手术时间缩短[8]。

2.3内置物

利用影像技术、逆向工程以及3D 打印技术相结合，制造的个性化植入体，不仅外形与真实骨骼相匹配，而且有利于患者骨骼的修复生长[9]。 3D 打印骨科内置物替代骨组织主要起两个作用，一个主要起支撑作用，；另一个不仅起支撑作用还富有生物活性。此外，预制定制植入物和3D模型帮助外科医生进行手术规划。

近几年国内外关于骨科植入物的成功手术持续有报道。比利时Hasselt大学BIOMED研究所的一个研究小组成功地完成了第一个3D打印下颌钛假体的植入，并且该多孔钛或陶瓷假肢可以作为骨骼生长的支架。据报道，Mertens、 Jardini、Peter Choong等人分别完成了钛种植体支撑内植物、颅骨、钛脚跟骨植入物手术；Dr.Jules Poukens的团队成功完成世界首例上下颌骨植入手术。

根据文献和新闻报道，国内西安交通大学第一附属医院、北京大学第三医院等医院已成功为多名患者完成植入手术。其中，北京大学第三医院成功利用世界首个3D 打印多节段胸腰椎植入物完成长达19cm大跨度椎体重建手术；第二军医大学的研究团队完成世界上首个3D打印钛合金6椎节板体一体化假体植入物手术。吴东迎等在人工全膝关节置换术中应用3D打印截骨导板辅助的全膝关节置换手术，对比发现手术时间更短、出血量更少。

这些国内外各种植入物手术成功的案例体现了3D打印在骨科植入物应用广泛并且日渐成熟。随着人口老龄化与相关技术标准的建立，骨科内植物的需求将会逐渐增加，并得到广泛的发展和应用。

2.4 临床教学与科研

3D 打印在骨科的临床教学与科研应用主要体现在教学病例模型的设计与选择。医学骨科涉及的知识点较多, 还有运动医学和生物力学的相关知识，并且结构较为复杂,内容较抽象。因此,可以在传统的多媒体教学的基础上, 病例设计根据骨科教学大纲要求,选择能体现本专业特点的临床常见病、多发病的3D打印模型, 让每个学生对其进行全方位的观察，加深学生对骨科疾病的认识, 激发学生学习专业知识的好奇心和主动性,得到预期的教学目的[10]。

解剖学教学一直是社会争议的主题，特别是在专业医疗和专业训练中使用尸体材料的情况下。应用3D打印快速生产标本的优点包括耐久性、准确性、易于复制、成本效益，不论规模大小,应该适合在任何国家任何教学设施,从而避免一些文化和伦理问题与潮湿的保存尸体标本或塑化标本有关的健康和安全问题[11]。

国外，Jordan B等人通过将尸体与3D打印的复制模型骨科手术教学比较发现，3D打印与相关培训体系相结合更有优势，并可能减少病人的暴露风险。最终，这些模型又可用于培训、继续教育，并可能成为认证的组成部分[12]。国内，管华清、杜恒等人对3D打印模型应用于骨科教学评估对比发现，3D打印技术制作的骨骼模型使学生更好地以医生的角度去进行完整的临床诊治过程，再现患者病患部位的详细信息，建立正确的临床诊断，制定治疗方案，模拟手术操作，有助于培养医学生骨科临床工作兴趣。

3D打印技术具有很多教学手段难以替代的优点,是未来骨科临床课教学发展的必然趋势。最适合制作教学标本的打印机类型为粉末成型、塑料挤出等，各有各优缺点，对于粉末成型式打印机，本质上是利用胶水(粘合剂)将一层精细的石膏粉打印出来，运行起来比较经济，而且制造时间短。塑料挤出打印有稍高的分辨率，但消耗更大，打印时间更长，颜色选择也有限制[13]。

3 3D打印技术在骨科应用存在的问题和前景展望

3.1 3D打印技术在骨科应用存在的挑战与不足

3D打印技术在骨科应用广泛，但是由于技术的瓶颈等问题，存在着挑战与不足。

(1)材料的限制，这是最重要的不足。一方面，打印的模型缺乏感性接触，3D打印模型无软组织附着,不能完全真实地再现骨头周边肌肉、血管和神经的走形和分布[14]。部分打印材料不足以满足安全性、生物相容性等要求。还有，模型或者模板的消毒还未完全，有待寻求开发符合要求的新打印材料。

(2) 3D打印模型模拟手术的截骨及内固定物植入操作与实际人体内的操作过程相比,可能达不到理想状态，并且有可能延缓了手术时间。

(3)委托非医学人员或机构的缺点是无法从专业角度进行重建、设计和打印。

(4)前期模型设计制造的时间长了，并且导板与植入物相关的灭菌技术仍然不足,对病人可能有感染风险。

(5) 3d打印定制物的设计和制造方面的一些监管考虑仍然对医院具有挑战性[14]，技术标准指导还相对缺乏。

3.2 3D打印技术在骨科应用前景展望

基于3D打印技术在骨科各领域的应用优势，具有很好的应用前景和市场价值。下面针对前文提到的挑战与不足，提出以下展望。

3.2.1 3D打印仿生材料的发展将是未来3D打印技术在患者专业骨科领域发展的一个重要方向。

3D打印的人工骨应该包括具有与原生骨相似的力学性质的材料，这可能有助于恢复骨的解剖结构和生物力学功能，并且该材料应具有生物相容性和可消毒性。可进行以细胞、支架和细胞因子为重点的软骨生物材料的临床研究,开发微/纳米生物打印材料等。

3.2.2 建立相关技术标准，以提升打印的精度和安全性。

3.2.3 需要进一步研究3D打印在骨科应用中的临床效果。

3.2.4建立云端网络数据库，向智能化专业化生物增材制造系统方向发展。

在医疗3D打印未来的发展趋势中, 在拥有完善的行业准入标准及监管措施的前提下,医院可与独立的、专业的3D打印机构合作建立云端网络数据库, 实现网络数据的共享。或者从图像采集到快速原型的整个打印过程实现自动化系统集成。这样医务人员就不需要3D打印培训,既可减少模型订制的时间、提高工作效率, 又能缩短患者的住院时间,而且规模制造的优势可以提供廉价定制的3D打印产品[15]。

虽然3D打印技术的应用受诸多因素的制约, 但相信随着材料学、生物材料、干细胞以及组织培养等多学科的相关技术突破，3D打印技术将更好、更全面地应用于骨科等相关领域,从而更好地服务于患者。