3D打印技术在骨科中的应用研究进展

越雷,孙浩林,李淳德

(北京大学第一医院，北京100011)

3D打印技术是一项能够使电子信号转化为三维实体模型或零件的技术，让人们能够把想象转化为现实物品。目前，医疗相关3D打印主要用于创建个体化的组织、器官、血管和生物再生支架以及新的植入物和修复体等方面。而在骨科领域的3D打印技术开展最早，如今运用也最为广泛。3D打印主要分为数据获取、三维模型设计、层截面的创造与增加三个主要步骤，常见的打印方式有立体光刻成型(SLA)、选择性激光烧结成型(SLS)、熔融挤压快速成型(FDM)、分层实体制造成型(LOM)、喷墨打印技术、选择性激光融合(SLM)6种，常见材料有烧结金属粉末、不锈钢、镍钛诺、钛金属、陶瓷、塑料、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PKK)。现将3D技术在骨科的应用进展综述如下。

1 医学教育与训练

3D打印模型在澳洲已经被用于学生的解剖课堂，让学生能够亲自观察学习解剖标本，特别是一些少见的、脆弱的标本[1]。另外，也有学者用3D打印模型探索尚未明确的创伤骨科分型[2]。Adams等[3]发现，3D打印模型和实际标本的形状和尺寸都没有明显差异。Guitton等[4]发现，在骨科分型方面，3D打印模型与传统影像学图像对桡骨头骨折的改良Mason分型准确性更高。而且，3D打印模型也可以用于高难度、高风险手术的训练过程[5]，这样的训练能使外科医生对患者进行外科操作时更有把握，同时也缩短了外科医生对于高难度手术的学习曲线。

2 手术模型和导板

术前规划是每一位骨科医生的基本功，传统术前规划的影像学资料往往基于X线、MRI、CT以及三维重建CT等，而这些传统的影像学资料应对复杂病例时往往捉襟见肘。基于患者资料的3D打印模型、3D打印手术导板，现在已经广泛被用于骨科手术。

术前利用3D打印模型可以让外科医生预测术中可能出现的困难和并发症，以及选择最佳手术入路和手术器械，并且这类3D打印模型可以消毒后在术中手术台上供医生参考。目前，3D打印模型已经成功被运用于脊柱、四肢和骨盆手术的术前规划当中。Guarino等[6]将3D打印模型运用于13例儿童先天性脊柱和骨盆畸形手术，结果发现3D打印模型对于改善术前规划、医患交流和手术安全性具有明显的效果。Hurson等[7]通过研究20例髋臼骨折的术前3D打印模型发现，通过术前参考模型能够减小不同医生对于分型的人为误差，这一点对于那些经验不丰富的骨科医生来说尤为关键。Li等[8]的研究纳入37例复发型腰椎间盘突出症的患者，发现术前采用3D打印模型规划者在减少手术时间和失血量方面有明显的优势。Xiao等[9]认为，对于颈椎肿瘤的椎体全切术而言，3D打印模型辅助的术前规划，可以提供更直观、更丰富的信息，并认为利用3D打印模型进行术前规划对颈椎椎体肿瘤治疗十分有必要。Hughes等[10]通过运用2例3D打印模型后进行髋关节翻修手术，术前在模型上试验内植入物和模拟手术过程，从而更好完成术前规划，提高准确性和安全性。

3D打印手术导航模板是以影像学数据为基础，通过3D建模、打印技术的一种个体化、精准化的手术辅助工具。Pérez-Mananes等[11]通过对比8例3D截骨导板引导下和20例常规方法进行开放胫骨高位截骨术，发现减少了手术时间和透视次数，同时截骨位置和角度更准确。3D打印脊柱辅助置钉导板按导板引导用途分为引导定位型、引导钻孔型、引导置钉型及引导定位、钻孔和置钉三者组合使用的复合型[12]。Shao等[13]研究发现，3D打印手术导板可使腰椎经椎弓根钉的置钉角度能够做到与PACS影像系统中的角度没有统计学差异，因此该团队认为3D打印手术导板能够提高置钉的准确性；Pijpker等[14]运用3D打印手术导板对5具尸体的颈椎和上胸椎后方进行86次置钉，发现置钉的位置和角度均接近预计范围，效果令人满意。而Merema等[15]认为，3D打印手术导板对于髋臼骨折手术的优势在于可以根据患者的骨盆形状和骨折类型个体化定制，术前就能确定置钉类型和角度，从而得到良好的临床效果。可见，3D打印手术导航模板将手术导航工作放在术前完成，对于骨折精确复位、辅助螺钉等内固定植入物能够到达既定位置，提高手术的准确率具有确切的作用，并且最大程度缩短简化了手术的过程。

3 个性化植入物

骨科手术为了纠正畸形和恢复功能，经常需要使用到内植入物和假体。常规的植入物和假体基本能满足大部分病例的需求，但是对一些常规尺寸不适用或者常规植入物或假体无法匹配疾病缺损的情况，可能需要外科医生在术中费力地去修整植入物。然而，3D打印却能术前就可以为患者量身定做个性化的植入物，从而提高手术的效率和效果。同时，内植物的微孔设计是骨科3D打印内植物最显著也是最重要的特征之一。金属微孔可供骨组织长入的现象，在金属3D打印内植物问世之前就已经被观察到，故有人形象地称之为“金属骨小梁”[16]。Feng等[17]通过对比分别采用普通钢板和3D打印钢板治疗肱骨髁间骨折，发现采用3D打印钢板可以在不影响疗效的情况下，明显缩短手术时间。Spetzqer等[18]通过采集患者影像学信息后，运用3D打印出具有骨小梁结构的钛金属颈椎椎间融合器，患者术后功能恢复理想，作者推测这种个性化的椎间融合器具有更好的生物力学稳定性。Xu等[19]对1例12岁的Ewing肉瘤患者进行C2椎体全切后，置入根据患者CT信息定制的3D打印钛椎体补充C1和C3之间的缺损，认为3D打印钛椎体紧密的贴合具有稳定性好、骨愈合佳的优势。Kieser等[20]回顾 36例接受3D打印植入物填补骨缺损的病例，发现患者术后功能和影像学表现明显优于术前，无一例发生假体无菌性松动。

4 组织工程

组织支架是细胞生长、增殖、分化的承载体，与相应的细胞有效结合后，细胞分化与分裂可形成组织和器官。将此复合体植入体内替代病变组织或填补缺损时，细胞在体内微环境中依附支架继续生长、增殖，直至达到修复病变组织的目的。Lee等[21]利用生物材料经3D打印多孔半月板支架，当从3D打印的人类半月板支架的微通道释放结缔组织生长因子和转化生长因子β3时，内源性间充质干细胞受到诱导分化并合成区特异性Ⅰ型和Ⅱ型胶原，同时内源性细胞通过区特异性基质表型再生弯月面可见主要在外区的Ⅰ型胶原和在内区的Ⅱ型胶原，这与正常的半月板的组织结构几乎相同。Tarafder等[22]在大鼠股骨内采用磷酸三钙、氧化锶和氧化镁3D打印制作的多孔支架内可见明显骨形成和矿物质形成，能较常规支架更快促进骨缺损修复。Ding等[23]采用3D打印技术利用聚乳酸和羟基磷灰石制作组织支架，然后将软骨细胞和骨髓基质细胞接种至支架中，在山羊股骨头内得到了与天然股骨头相似的刚性骨样组织，研究者推测3D打印组织支架形成的再生生物关节可能对于受损关节的治疗具有重要作用。但是，目前此类试验仍局限于动物和人体外试验，能否将结果复制于人体亟待进一步研究。然而，Jariwala等[24]认为3D打印骨支架很可能将来彻底改变骨缺损的治疗方式。

5 个性化支具

支具治疗作为骨科疾病的一种重要的保守治疗方式，在治疗骨折、畸形、运动损伤等方面具有确切的效果。但是，传统制作支具工艺繁琐、制作者水平参差不齐、治疗效果有限。近年来3D打印逐渐运用于支具的设计和生产当中，相比传统获取的资料更准确、工艺制作耗时更短、制作的误差更小[25]。Dombroski等[26]通过对比传统方法和3D打印技术制作足踝支具发现，3D打印支具对于内侧纵韧带的活动限制作用优于传统支具。Weiss等[27]认为，对于脊柱侧弯患者而言，传统对称的Boston支具治疗有效率约为72%，而根据侧弯设计的不对称Chêneau支具有效率约为80%；然而，根据患者个体情况3D打印的支具能够在保证矫形的情况下，同时具有佩戴轻盈舒适可调节的优点，增加了患者的佩戴时间和依从性，其治疗有效率可达90%。

6 手术器械

为了更好地满足个性化医疗的需求，适应个性化材料的使用，必然需要与之相配套的个性化的手术器械，而3D打印使之成为可能。同时3D打印可以降低手术器械的成本。Timothy等[28]研究发现，采用FDM技术打印聚乳酸制成的手术拉钩，制作时间平均为90 min，成本为同型号的不锈钢拉钩的1/10，且具有良好的力学特性。而Mayilvaganan等[29]应用SLS技术打印手术器械(止血钳、持针器、手术刀柄、拉钩、镊子等)，通过评估发现，与传统的手术器械相比，3D打印手术器械能够减少制作时间，同时也能按照外科医生偏好进行手术器械调整、创新甚至推广。同时，对于一些昂贵手术器械，基层医院可通过3D打印技术以较低的成本使用这些原来难以获取的手术器械。

综上所述，由于骨组织为固态组常涉及植入物，3D打印在骨科中运用甚为广泛。在医学教育和操作的培训中，3D打印模型可以让学员通过更形象的方式学习人体形态学知识或者在零风险的打印模型上进行有创操作以缩短学习曲线；3D打印也能让患者对于自己体内的病变部位有一定的了解，从而改善医患关系。根据术前患者资料而个体化打印出的模型可以增加外科医生对于手术部位结构的认识，特别是对于畸形结构、复杂骨折和翻修手术的术前规划；而根据个性化的手术导板能够让手术大到与术前在影像上设想几乎相同的效果，让手术更加精准也更加安全。内植入物为目前3D打印应用最广也是最重要的领域，2010年美国FDA批准3D打印钛合金髋臼关节杯InteGrip的使用，2013年美国FDA批准3D打印腰椎椎间融合器Tesara的使用，而在2015、2016年中国药监局批准了3D打印人工髋关节和3D打印人工椎体的使用。在此基础上，更多的关节和脊柱外科的内植入物正在研发过程之中，如膝关节假体、关节修补垫和自稳型人工椎体等。生物工程为当前骨科3D打印技术的另一个热门领域，3D打印出的含有分化和生长因子的多孔微结构构建生物相容性支架已经在研究中被证实可以诱导干细胞分化、生长。目前生物工程组织支架的两个最大的制约因素为有限的分辨率和屈指可数的材料种类。3D打印支具也因准确性高、舒适，同时也能合理地腾出伤口恢复的窗口，被证实有更好的依从性和临床疗效。3D打印手术器械在能够保证功能的条件下，最大程度削减了成本，对于个性化医疗及新兴手术器械的推广具有深远意义。