3D打印技术在骨盆髋臼骨折手术治疗中的研究进展

刘曦明，曾文波

1 3D打印技术

3D打印技术出现于20世纪80年代中期，实际上是一种利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型技术。它是以数字模型文件为基础、以数字技术材料打印机为载体、采用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式构造出三维实体的技术。3D打印在医学中最先应用于牙科及颌面外科[1-4]，近年来在骨科中的应用日益得到重视，特别是在复杂骨盆髋臼骨折手术治疗中的应用。3D打印技术作为数字化技术的集中体现， 是实现各种骨盆髋臼手术个体化、精确化的有效手段，在临床应用领域主要包括术前规划、术中导航、假体内植物以及骨组织工程等。

3D打印技术在骨盆髋臼骨折手术治疗中的应用可分为3个阶段：(1)初级阶段：利用3D打印出1∶1比例的三维实体模型，帮助骨科医生了解骨折的程度、类型及每一骨折块的移位情况，协助医生作出明确的术前诊断、评估术中可能存在的风险，为术中的骨折复位提供实物模型以供参考。(2)中级阶段：个体化置入物及假体制作、个性化治疗。3D打印技术具有加工精确、制作迅速、无需特殊模具等特点，使个体化假体设计、制备成为可能。3D打印技术可“量身定制”个体化置入物，与患者骨骼更精确的匹配，更快恢复患肢功能。目前，国内外已广泛开展了3D打印个性化接骨板、个体化人工关节假体、个体化髋关节人工垫片及半骨盆假体的临床应用研究。(3)高级阶段：生物打印人工组织和器官。3D打印与组织工程结合，将带来个体化植入物制作及组织工程技术的革命，极大地促进器官移植、组织修复重建及再生医学等多领域的进步。目前，3D打印技术还处在初/中级阶段，尚存在诸多有待研究解决的问题及限制因素。

2 3D打印骨盆髋臼模型

骨盆髋臼骨折由于解剖结构复杂、形态不规则，且周围毗邻许多重要的神经血管，手术风险高、难度大，如处理不当，可导致肢体短缩、骨盆畸形、重要神经损伤等严重并发症[5]。因此，术前充分了解骨折情况、制订精准的术前计划、进行个体化的治疗非常重要。传统X线片及二维CT仅能提供平面影像，缺乏立体感，医师在了解骨折部位及骨折线走向等具体情况及制订手术方案时面临极大困难。CT三维重建可从多角度较为清楚地显示骨盆髋臼骨折损伤的立体形态，能更加准确地判断骨盆髋臼骨折的部位、分型等，具有一定的优越性[6]。但CT三维重建仅能提供几个角度的三维图像，不能帮助手术医师从任意角度和方向观察骨折情况，也不能通过触摸了解骨折线的走行方向和骨折块的具体形态，对制定手术方案的指导意义有一定的局限[7]。经学者反复临床探索3D打印技术制造骨折模型辅助治疗复杂骨折，包括3D打印胫骨平台骨折、肱骨近端骨折、骨盆髋臼骨折等复杂骨折的诊断与治疗中作用的研究，证明了3D打印骨折模型在明确骨折类型、制订个体化手术方案、进行体外模拟手术等方面具有极大的优势，对复杂骨折的个体化治疗具有较大的临床指导意义，尤其适用于较为复杂的骨盆、髋臼骨折。近年来的研究证实借助3D打印模型治疗复杂骨盆髋臼骨折时具有如下优势：(1)可全面细致地了解骨折类型、具体的骨折形态和移位方向，辅助医师对骨盆髋臼骨折进行更加确切的分型。同时，还可通过骨折模型向患者及家属直观的介绍病情和手术方案。Hurson等[8]对20例髋臼骨折的研究发现，通过3D打印骨折模型对髋臼骨折进行分型，结果较传统依据二维影像分型更为准确。Li等[9]研究发现，使用计算机辅助血管造影及快速成型技术辅助Tile C型骨盆骨折的治疗，有助于观察骨折情况及周围血管损伤情况，可有效减少术中及术后并发症的发生，提高治疗效果，有助于患者术后康复。(2)有助于骨科医师根据患者具体骨盆髋臼骨折情况制订个体化的手术方案。通过3D打印骨折模型，可设计出最适用于患者的个体化的手术入路，通过有限显露进行有效内固定，达到安全精准治疗的效果。王锋等[10-11]对复杂髋臼骨折进行三维重建，利用Mimics14.0软件对虚拟骨块进行划分，模拟手术复位，了解髋臼骨折块复位方式及顺序、移位距离、旋转角度等，并确定骨块复位标志，减少了实际手术中的无效操作，增加了手术流畅性。Wang等[12]对9例陈旧性Tile C型骨盆骨折患者进行体外模拟手术，针对每例患者制订精确的个体化手术方案，取得了良好的治疗效果。Zeng等[13]使用3D打印技术结合腹直肌旁微创切口对38例骨盆不稳定骨折患者实施个体化手术，取得了创伤小、出血少、愈合快、复位满意率高的治疗效果。(3)术前可在模型上模拟手术操作。通过体外模拟手术，不仅可以增加手术医师的操作熟练程度，便于培养年轻医师，还可以在术前对钢板进行塑形预弯，使其最大限度与骨面服帖，减少术中透视频率，缩短手术时间，减少不必要的手术创伤，在一定程度上提高手术成功率和降低术后并发症发生率。Bagaria等[14]用3D打印技术制作了2例髋臼复杂骨折的骨骼模型，在模型上模拟手术，术前将钢板预弯，并明确螺钉的轨道和尺寸，使手术时间大大缩短，且增加了手术操作的精确度，术后X线片及CT检查显示骨折复位良好。章莹等[15]对73例患者术前采取CT三维重建、血管造影、3D打印快速成型、计算机模拟与个体化标本模拟手术，提高了复杂骨盆骨折的手术效率、减少术中出血量并降低手术并发症发生率。

目前，3D打印模型在临床推广应用中也存在一些不足。首先打印模型时间长，费用高，打印的材料稀缺昂贵，限制了其广泛应用。但随着3D打印技术的不断成熟及新型打印材料的研发，逐渐降低了打印费用，加快了打印速度。其次由于切口、软组织及合并症等条件的限制，实际手术操作较模拟手术复杂，难度更大；术中需要根据实际情况对预先设计的手术方案进行适当修正和调整，避免因术中操作不当加重损伤。最后模型和实际骨盆髋臼仍有一定的差别，术前预弯的钢板与实际骨盆不一定完全服帖，实际手术固定后应对骨折固定情况进行检查，如未达到足够稳定，应进一步调整。笔者认为，3D打印骨盆髋臼模型能帮助骨科医师更全面的了解具体骨折情况，帮助术前分型，辅助术前个体化手术方案设计，提高手术效率，降低术后并发症的发生率。相信随着影像技术精度的提高、3D打印技术的的不断成熟以及新型材料的研发，3D打印骨盆髋臼模型能更好的指导手术，更好的服务于骨科医师。

3 3D打印骨盆髋臼手术导板

虽然切开复位内固定目前仍是大部分骨盆髋臼骨折的首选治疗方案，特别是髋臼骨折[16]，但传统切开复位内固定有暴露广、创伤大、并发症多等问题。近年来闭合复位经皮空心螺钉固定作为骨盆骨折的微创手术方法，能有效缩短手术时间，明显减少手术区域解剖显露过程中神经、血管、组织等损伤，很大程度上降低术后感染等并发症发生率，获得了广大骨科医生的青睐，但是其对骨折认识和手术操作的要求较高[17]。随着透视技术及计算机技术的发展，导航下微创治疗骨盆、髋臼骨折逐渐兴起[18-20]。计算机辅助导航技术可以在术中实时监控螺钉的位置，减少了患者和术者的辐射暴露；同时术者通过观察二维的矢状面、冠状面、横断面以及三维立体模型实时反馈的图像信息，借助虚拟手术工具进行螺钉方向的预测，提高了螺钉置入的准确率和安全性。但是计算机辅助手术导航也存在很大的局限性，如对导航硬件要求高，设备昂贵，县市级医院没有购买昂贵导航仪器的条件；仪器占地面积大，操作繁琐，术中图像配准精度不高，图像存在“漂移”等问题[18,20-23 ]。随着3D打印技术的逐步普及,导板的加工难度逐渐降低,3D 打印手术导板技术已成为基层骨科医生闭合复位微创治疗骨盆髋臼骨折的最佳选择。佟矿等[24]设计的骶髂关节骨折固定手术导向模板为骶髂关节拉力螺钉的顺利置入提供了帮助。穆卫庐等[25]和张元智等[26]通过3D模型充分了解骨盆骨折情况，制作导航模版，在模板辅助下精确置入了骶骨拉力螺钉，缩短了骶髂螺钉置入时间[27]，减少了透视频率[28]，并不增加术后并发症发生率。一些学者正致力于借助3D技术研究适合不移位或轻度移位的髋臼骨折闭合复位经皮导板辅助髋臼前、后柱螺钉置入的个性化导板，希望能为没有导航设备的基层医院骨科医生提供精准、安全、微创治疗移位不明显的髋臼骨折的技术支持。

3D打印导板在临床中应用越来越普遍，但其推广应用还存在一定的挑战：(1)导板的前期设计繁琐，增加了骨科医生的工作量；(2)导板设计需考虑患者的具体情况，需同时考虑手术方式、部位、术野周围软组织等几方面问题，临床中需要个体化设计，不利于全面推广应用；(3)导板的设计者需同时具备一定的临床专业、计算机技术、相关软件的应用等知识，对大部分临床骨科医师是严峻的挑战，需要多专业人才合作。但相信随着 3D 打印技术的不断发展和普及、材料技术的不断进步，这些问题都能迎刃而解。

4 3D打印骨盆髋臼假体植入

近年来骨盆髋臼假体得到了较多的应用。应用假体重建可实现早期活动、良好的外观、持久的力学稳定性及满意的功能状态[29-31]，已成为骨盆髋臼骨折后骨缺损的主流重建方式。常规使用下的标准尺寸的假体能满足大部分患者需求，但也有少数患者因解剖结构特殊或疾病的特异性需要定制个体化植入物，且人数不断增加。文献报道多种重建骨盆髋臼缺损的假体获得了较好的临床效果，但仍存在松动、感染、脱位、断裂等假体并发症[29,31-34]。3D打印骨盆髋臼假体能根据患者骨盆髋臼解剖特性及实际病损个体化制作出满足实际需要的假体重建骨盆髋臼形态，能够比较完美地解决传统假体不能完全匹配等问题。3D 打印技术可制造任意形状的假体以实现假体与截骨面的精确配对；同时可于假体上预留任意方向的钉道用于固定以恢复正常力学传导；还能制造出固定孔径及孔隙率的表面结构以诱导骨长入和融合[35-39]，最终在假体重建的基础上实现生物重建。Hughes等[40]和Schwartz等[41]报道3D打印人工髋臼垫块的应用能明显缩短手术时间、减少术中出血量，降低术后并发症，增加固定的稳定性和假体的活动度，提高手术的精确性。Dai等[42]采用3D打印技术为10例严重骨盆损伤需行半骨盆切除置换术的患者制备了骨盆模型，设计手术方案，同时设计并植入个体化假体，术中操作顺利，假体匹配良好，术后X线片示假体固定确切，无松动、移位等情况。

虽然3D打印假体在骨盆髋臼病损中应用具有巨大的潜力，但其临床应用仍然存在一些问题。(1)3D打印的机器昂贵，打印材料都比较昂贵和稀缺。(2)生物力学性能和组织相容性较差:虽然目前3D打印骨盆髋臼假体植入体内已取得了很大进步，但要达到临床应用还远远不够，假体的生物学性能及组织相容性仍有些欠缺。(3)隐私及伦理问题。(4)3D打印假体作为一种新型产品、一项临床新技术，无论个体化定制或规模化制造，目前国际上仍无严格的技术标准和产品质量控制，导致了临床应用的安全隐患。但随着影像学、生物工程、生物材料等学科的发展和交叉学科的兴起及3D打印技术的逐步成熟，3D打印技术能做到高效、高精度、低成本，而且可对特定患者定制个性化植入物甚至组织器官。

5 展望与前景

3D打印技术可以将复杂的骨盆髋臼骨折情况更直观地展示在骨科医师面前。复杂骨盆髋臼骨折的评估及分型变得容易，术前诊断更加明确，而且术前可以进行手术模拟，对术中用到的固定接骨板进行预塑形。术中导航模板可以通过3D打印进行快速制作，精确的术中定位明显减少骨盆髋臼术中的透视频率，降低了患者及医师的射线暴露。个性化骨盆髋臼假体的使用能更完美的匹配患者骨骼的个体差异。总的来说，3D打印技术的应用使复杂的骨盆髋臼手术变得相对容易，提高了手术效率，降低了术后并发症，具有临床推广的价值。随着3D打印技术的不断成熟及高分子材料的不断进步，3D打印技术应用的期限及材料价格变的越来越低，3D打印有望在骨盆髋臼人工假体、手术器械、骨移植物等领域实现快速制造。随着生物材料、干细胞、组织培养等多学科的科技突破，具有生物活性人工替代骨组织的制造方面也将发生巨大的进步，相信不久的将来，3D打印出替代坏死、缺损的骨盆髋臼骨组织部分的具有生物活性人工骨组织将逐步实现，实现缺损部分的生物重建，更好的为患者服务。

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