3D打印技术在骨科领域的应用进展

王春鹏，杨海娇，张成，崔建强，孟永春，徐林

(滨州医学院烟台附属医院手足外科，山东 烟台 264006)

3D打印，又称为添加制造或快速成型技术，是一种以数字模型文件为基础，运用黏合材料，通过逐层打印的方式创建实体的技术。2012年，苏格兰学者应用3D打印技术打印出人造肝脏组织，标志着3D打印技术首次进入医学领域[1-2]。近年来，3D打印技术在骨科中的应用也实现了巨大飞跃，从最初的3D打印模型到应用于临床手术操作的3D打印导板、3D打印假体，依托于CT、磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)影像学图像的3D打印技术越来越受到骨科医师的关注和重视。3D打印技术的应用使复杂的手术简单化，优化了手术方案，减少了对机体的损伤，提高了手术质量，为临床医师提供了一种新的思路和方法，3D打印技术已在假肢、人造骨、手术辅助等方面得到探索和应用，已成为满足个性化需求的重要途径[3]。现就3D打印技术在骨科领域的应用进展予以综述。

1 3D打印模型在骨科中的应用

通常可通过X线片、CT、MRI等影像学图像判读骨折的部位、范围以及严重程度。但是对于一些临床学生或低年资的医师来说，可能很难通过二维图像对骨折有一个全面的理解。与传统的影像学图像相比，3D打印的1∶1实物模型具有独特的直观性、可触摸性和体外操作性[4]。借助3D打印模型可以充分了解骨折块间的三维结构、明确骨折的分类、了解各骨折碎块间的关系[5-6]。3D打印模型还可用于术前的医患沟通，可以从多个视角对骨折进行观察，赋予了视觉上和触觉上的全新体验，简化了对复杂骨折的评估。

3D打印模型是将患者的CT、MRI影像学数据以DICOM格式导出，导入到Mimics软件中，利用该软件设计1∶1的3D虚拟模型，将其导出到STL格式文件夹内并使用3D打印机打印。随着3D打印技术的发展，越来越多的复杂骨折患者在3D模型辅助下得以更好地进行术前评估，并制订优良的手术治疗方案[7]。

术前根据3D打印模型可以推演出手术操作中潜在的困难，从而可以选择最佳的手术方案，减少对患者的损伤以及术中仪器设备的使用[8]。术前在真实比例大小的3D打印模型上模拟手术操作，可以确定手术入路、复位和内固定的理想顺序，确定内固定物放置的最佳位置并对预后进行预估。内固定物的放置由骨折线的方向和位置决定[9]，内固定物的模拟包括钢板的方向、大小，螺钉的位置、方向、长度及数量。术后许多并发症的发生与内固定物的位置、长度等有关，如螺钉过长可能会造成肌腱的磨损和断裂；螺钉进入到关节内会影响关节活动等，通过在3D打印模型上进行术前规划可避免或减少并发症发生。另有报道指出，可根据患者的具体情况，利用3D打印技术打印个性化钢板内固定物，个性化内植入物的使用可简化手术步骤，减少组织损伤。Chung等[10]报道，可使用3D打印模型在术前对钢板进行预弯。3D打印模型具有简单、方便、经济等优点，对初学内固定置钉者尤为适用，有助于克服心理难关[11]。

3D打印模型可以准确显示骨折的部位及严重程度，明确骨折的类型，提升临床教学质量，方便医师间及医患间的交流和沟通，并能够实现良好的术前规划设计，减少术中决策，降低术后并发症的发生率，提高患者的满意度。

2 3D打印截骨导板在骨科中的应用

骨骼畸形不仅影响美观，还可能导致功能受损，需要截骨矫形改变骨骼外形改善患者的功能。对于截骨矫形手术，尤其是多平面、多层次的复杂截骨矫形，如何提高截骨的精确性、减少对患者的损伤、快速安全地完成手术操作是骨科临床治疗的重点。3D打印导板辅助下的截骨矫形术为截骨矫形提供了一种新的手术操作方式。利用3D打印导板可以保证截骨矫形手术的精确性，有助于达到理想的截骨状态。

3D打印个性化截骨导板的制备首先是要获取患者的CT或MRI影像学图像，将图像信息导入Mimics软件进行三维重建，通过镜像技术将健侧与畸形侧图像进行叠加，明确畸形位置和畸形程度。随后，在畸形愈合区域设置虚拟切割平面，旋转移动切割下的骨块使其与健侧相匹配，设计出个性化的3D打印截骨导板，用3D打印机打印出导板实物。目前3D打印个性化截骨导板在临床截骨矫形中的应用越来越广泛。

桡骨远端畸形愈合是桡骨远端骨折的常见并发症，5%的桡骨远端骨折会出现桡骨远端畸形愈合[12]。实施截骨矫形手术必须进行精准的操作，利用3D打印技术可以很好地应对桡骨远端复杂畸形的截骨矫形，优化截骨矫形术的效果[13-14]。Honigmann等[13]的研究发现，3D打印导板辅助下的桡骨远端掌侧楔形截骨矫形术的平均手术时间为60 min，不使用导板的手术时间为90 min。3D打印技术对儿童前臂畸形截骨矫形的初步效果较好，所有患儿的前臂旋转度较前有明显改善(均>120°)，并可提高下尺桡关节的稳定性[14]。下颌骨不仅会影响面部轮廓及美观，还具有咬合及咀嚼等功能，Stoker等[15]率先将3D打印模型应用于颅颌面手术的术前模拟，首次将3D打印技术与颅颌面外科相结合，成功的手术不仅可以改善脸型和下颌角的形态，还不影响正常口腔的生理功能[16-17]。Xiao等[16]的研究指出，3D打印导板辅助下行截骨的患者术后恢复平稳，未出现明显感染、面部麻痹、骨坏死或骨骼移位，下颌角的角度以及下颌骨宽度均得到明显改善。对于胫骨截骨，选择合适的截骨平面是成功实现高位楔形胫骨截骨术的必要条件。Yang等[18]报道了7例接受3D打印导板辅助下行胫骨截骨的患者，门诊随访治疗效果令人满意。使用3D打印导板行胫骨高位楔形截骨可以缩短手术时间，并在减少透视次数的同时可以实现高精度轴向校正[19]。

与传统截骨矫形相比，3D打印截骨导板辅助下的截骨矫形可以进行精确的术前规划设计，截骨平面定位准确，减少了术中人为失误，提高了手术的准确性，实现对手术效果的预估，降低了手术并发症的发生率，避免术中过度矫形或矫形不足，在术后功能改善方面也取得了不错的效果。尤其是对于复杂的多平面截骨，传统截骨手术方式对于术者的技术要求较高，截骨难度大，截骨失败不仅影响外形美观，还可能损伤患者功能。此外，个体差异也会增加截骨难度，3D打印个性化导板辅助下的截骨简化了手术流程，降低了截骨的复杂性。3D打印导板技术已经在临床截骨矫形手术中取得了成功，3D打印导板辅助下的截骨矫形术的临床疗效肯定。

3 3D打印导航导板在骨科中的应用

3D打印导航导板为骨折内固定物的置入提供了一种新的手术操作方式，符合现代医学个性化治疗的要求。3D打印导航导板的设计是将患者CT图像数据导入到Mimics软件中，重建骨折的三维模型，将局部作增厚处理为底基，利用软件操作在底基上确定导板导孔通道的方向，并且可以测量螺钉的长度和直径，设计好的导板以STL格式导出，利用打印机进行打印。3D打印导航导板的应用降低了手术操作的难度，实现了内固定物的精确置入，减少了患者的损伤，降低了并发症的发生率。

3D打印导航导板临床应用疗效确切。刘毅等[20]将3D打印导板技术应用于骶髂关节螺钉的置入，术后6个月随访发现，5例骨盆后环骶髂关节复合体损伤患者Maieed评分均为优。该术式极大地简化了骶髂关节螺钉置入的操作流程，与传统术式相比，具有微创等优势。吴晓宇等[21]评估了3D打印颈椎前路椎弓根螺钉导板的准确性，按照螺钉偏离椎弓根的绝对值进行评价发现，位于安全位置的螺钉占95%(19/20)。沙西卡·那孜尔等[22]发现，采用3D打印技术设计的椎弓根螺钉的直径和长度、进钉方向以及进钉点与后正中线的距离等指标手术前后使用情况一致。3D打印导航导板可以显著缩短手术时间、减少术中透视次数以及出血量。陶星光和周凯华[23]的报道指出，3D打印导板应用于骨盆骨折时，每枚螺钉的置入时间为5.1～17.5 min，平均10.3 min；每枚螺钉的透视次数为6～16次，平均9次。Zheng等[24]对股骨颈骨折病例的研究发现，在导板的帮助下，3枚螺钉可以精确地植入股骨颈以锁定加压髋钢板，并稳定骨折块，所有11例患者均一次性成功穿入螺钉。Chen等[25]将3D打印导板应用于胸椎椎弓根螺钉置入发现，置入的50枚螺钉与邻近结构(如椎体和椎管)的位置关系良好，无骨皮质穿透。3D打印导板与实际解剖部位吻合良好，固定牢靠，螺钉置入过程中位置不需调整，是一种有效的治疗方法。

当3D打印导航导板的应用足够成熟时，螺钉的置入完成仅需要进行一次透视，大大减少了患者与临床医师X线的摄入量，降低了对术者临床经验的要求，即使低年资医师也可以利用3D打印导航导板进行复杂的骨折内固定手术。尤其是在脊柱手术中，螺钉位置控制不当易造成神经损伤，而3D打印导航导板技术可以有效地减少术后并发症的发生。

4 3D打印假体在骨科中的应用

随着3D打印技术的发展和3D打印材料的更新，3D打印假体也已经开始应用于临床。目前3D打印假体的短期临床效果显著，但长期效果还有待进一步验证。将患者的CT、MRI影像学图像导入到Mimics软件中，通过与健侧对比，利用3D镜像技术对CT或MRI图像进行分割处理可以设计假体形状。

Kienböck病是由月骨缺血性坏死造成的，将缺血坏死的月骨切除后，利用3D打印假体填补腕部空隙，可以避免相邻关节骨关节炎的发生，使用3D打印月骨假体可以对Kienböck病进行解剖重建[26]。Unkovskiy等[27]研究报道，与传统方法相比，早期直接应用3D打印的硅胶假体修复鼻部缺损是一种有效的治疗方式。对于手部部分截肢的患者，使用3D打印硅胶假体的患者可以完成许多复杂的任务，如钉钉子、打开塑料袋等[28]。对于肿瘤患者，利用3D打印技术可以最大限度地保留肿瘤周围软组织，降低肿瘤切除风险[29]。骨肿瘤患者在肿瘤切除术后会导致骨骼缺损，可使用3D打印假体进行修复处理。利用3D打印骨盆假体重建骨盆肿瘤切除后骨缺损的短期随访中未见假体松动、断裂或移位，其具有良好的稳定性及力学传导性能，个体化定制的钛合金3D打印假体已经进入临床试验阶段，并取得了成功[30-31]。

3D打印假体能够很好地恢复骨骼的形状和位置，在改善患者的功能方面起重要作用，术中可实现精确匹配，短期并发症少，稳定性可靠，安全性高。

5 3D生物打印在骨科中的应用

3D生物打印技术作为一种三维生物加工技术，可以精确地分配载有细胞的生物材料，具有将生物材料支架和细胞同时沉积到指定位置，进而产生三维结构的能力，这是传统组织工程的巨大改革。利用3D打印技术通过使用各种生物材料作为生物油墨可以实现对具有特殊孔径、孔隙率、几何形状的结构的打印。典型的3D生物打印过程一般包括三个阶段，即预处理、处理和后处理阶段。预处理涉及医学图像获取、设计以及合适的3D打印材料选择；预处理后，将设计的图像传送到生物打印系统，并加载生物墨水进行处理；在后处理阶段，将印刷结构转移到生物反应器中用于组织成熟。目前3D生物打印技术已广泛用于血管、肌肉、软骨、骨等功能组织的构建。

合适的生物材料和合适的细胞类型是打印骨组织的两个关键因素。水凝胶在骨再生方面具有广阔的应用前景。Huang等[32]用聚乙二醇双丙烯酸酯水凝胶、丙烯酸酯精氨酰-甘氨酰-天冬氨酸以及金属蛋白酶共同打印骨组织，以促进细胞黏附、存活和分化。喷墨生物打印具有直接修复软骨组织的能力。研究表明，打印的软骨细胞均匀分布在3D水凝胶中，且90%的细胞具有较高的活力[32]。原发性骨肿瘤给患者带来了巨大痛苦，肿瘤手术造成的骨缺损，应使用具有良好的成骨能力以修复骨缺损的生物材料。同时，为了防止肿瘤复发，最重要的一点是骨缺损周围的剩余肿瘤细胞要被完全杀死。Ma等[33]制作了一个3D打印生物陶瓷支架，其表面为均匀的自组装钙-磷/多聚多巴胺纳米层。3D打印生物陶瓷中的贻贝激发纳米结构表现出显著的肿瘤治疗和骨再生能力，为广泛治疗肿瘤导致的组织缺损提供了一种新型的双功能生物材料。用于填补大节段骨缺损的材料应具有较高的机械稳定性，并且具有允许骨、组织和细胞向内生长的多孔结构。3D打印技术是一种制造骨组织工程中三维多孔支架简单有效的技术，聚乳酸是一种很有前景的生物打印材料，可通过水解降解为无害和无毒的物质[34]。

3D打印的支架优于传统支架，能够满足不同骨缺损面积患者的个性化需求，临床应用的优点包括易于手术操作，手术时间较短，具有良好的外形效果等。对于含细胞的生物打印而言，被用作生物墨水的物质主要包括水凝胶、胶原、聚乳酸-羟基乙酸共聚物以及聚乙二醇等合成聚合物[35]。3D打印技术能够构建载有生物活性药物、细胞和蛋白质的个性化内植入物。

6 问题与展望

目前3D打印技术尚不成熟，3D打印的活细胞和生物活性因子应用于临床实际操作的报道较少，3D打印技术的应用还有待于进一步的探索。3D打印材料有限，根据临床用途的不同，打印材料也存在差异，目前打印骨科内植入物最常用的是金属钛合金粉末，新的材料的研发决定着3D打印技术在骨科中的发展前景。目前无论是3D打印模型、截骨导板还是3D打印假体耗时均较长，费用比较昂贵，在临床的应用需征得患者及家属的同意。

3D打印技术为临床医师提供了一个新的思路和方法，在临床上的应用已经取得了阶段性的成功，为临床工作带来了便利，随着3D打印技术的日臻完善，将会在骨科领域发挥更大的作用。