骨科手术中3D打印骨科手术导板的应用进展

曹浩博 张义宝

【摘要】近年来，3D生物打印技术在医学领域取得了突破性进展，这一创新技术通过逐层堆积生物材料，成功实现了人造器官、人造组织等生物结构的制备。在骨与关节外科领域，计算机辅助设计结合三维可视化技术在临床应用中展现出了显著的优势，尤其在复杂解剖结构的理解和手术前精确计划等方面，为临床医生提供了有力支持。本文阐述3D打印骨科手术导板的发展历程、主要类别和功能，分析其优点与局限，并对其未来发展前景进行展望。

【关键词】3D打印；骨科手术导板；手术风险；术中出血

【中图分类号】R683 【文献标识码】A 【文章编号】2096-2665.2024.09.0120.04

DOI：10.3969/j.issn.2096-2665.2024.09.040

随着数字化技术的发展并不断与骨科学相融合，现代骨科的诊疗模式正逐步实现标准化、精准化、个性化和数字化。这种发展不仅提高了诊疗效率，还为患者提供了更加优质的医疗服务[1]。近年来，3D生物打印技术在医学领域的应用中取得了巨大的突破，这一创新技术通过分层堆积生物材料，实现了人造器官和人造组织等生物结构的制备[2]。在骨与关节外科领域，计算机辅助设计结合三维可视化技术在临床应用中展现出显著优势，尤其在复杂解剖结构的理解和术前精确计划方面，为临床医生提供了有力支持。在此基础上，医生可以设计出个性化的3D打印骨科手术导板，引导操作医师在手术过程中按照预先规划的步骤准确完成各项操作。这些操作包括但不限于骨折复位内固定、特定性截骨矫形、肿瘤病灶切除和结构重建等[3]。 3D打印骨科手术导板能够使医生更加精准地完成手术，提高手术的成功率，同时也能降低手术风险，缩短手术时间，能够更好地应对患者体位变化、解剖变异和术者经验不足等问题，为实现骨科的精准医疗提供了条件[4]。本文总结3D打印骨科手术导板的发展历程、主要类别和功能，分析3D打印导板的优点与局限，并对其未来发展前景进行展望。

1 3D打印骨科手术导板的发展

1.1 早期探索阶段（1990—2000年） 在这一阶段，3D打印技术刚刚兴起，研究人员开始尝试将其应用于骨科领域。这一阶段的3D打印技术主要用于制造简单的骨科植入物，如髋关节和膝关节置换术所需的假体等[5]。

1.2 技术发展阶段（2000—2010年） 随着3D打印技术的不断发展，研究人员开始关注骨科手术导板的研发。这一阶段的主要特点是3D打印技术在骨科手术导板中的应用逐渐拓展，从制造简单的植入物发展至设计复杂的手术导板。此外，计算机辅助设计（CAD）和CT等影像学技术的发展也为3D打印手术导板提供了更精确的数据支持[6]。

1.3 广泛应用阶段（2010—2018年） 这一阶段的3D打印技术在骨科手术导板领域取得了突破性进展。 3D打印手术导板在临床应用中逐渐广泛，尤其是在创伤骨科、脊柱外科和关节置换手术中。 3D打印手术导板可以实现个体化、精准化手术，展现出可提高手术的安全性和成功率、缩短手术时间、减少术中出血等优势[7]。

1.4 标准化和规范化阶段（2019年至今） 随着3D打印技术在骨科手术导板领域的广泛应用，制订相应的技术标准和规范成为迫切需求。2019年，我国发布了《3D打印骨科手术导板技术标准专家共识》[8]，为3D打印骨科手术导板在临床的应用提供了专业指导。此外，3D打印医疗器械标准陆续涵盖了骨科手术导板等相关领域，进一步推动了3D打印技术在骨科手术导板领域的规范化发展[9]。

2 3D打印骨科手术导板基本类型及作用

2.1 骨折内固定导板 骨折内固定导板主要用于手术治疗的骨折患者，通过3D打印技术定制符合患者骨折部位特点的导板，辅助医生精准完成内固定手术。该类导板可以提高手术成功率，降低术中并发症风险，加速患者康复。纪霖锋等[10]研究显示，3D打印导板辅助微创技术治疗跟骨骨折，能缩短手术时间、减少透视次数及减少潜在并发症，有助于提高Sanders Ⅱ型跟骨骨折治疗的疗效。Lelij等[11]的研究结果也显示，基于3D打印引导的经皮内固定术是一种安全有效的技术，可用于治疗舟状骨腰小移位骨折患者，可提高螺钉放置准确率，提高手术精度，减轻患者疼痛感，减少术后并发症。

2.2 关节置换手术导板 关节置换手术导板主要用于帮助医生在手术过程中精确切除病变关节，并将定制的人工关节部件安装至正确的位置。通过3D打印技术，可实现关节置换手术导板的个性化定制，提高手术成功率。李杨等[12]研究显示，与传统器械手术相比，采用3D打印的个性化截骨导板进行全膝关节置换术能有效恢复患者术后下肢冠状位力线，并呈现出降低力线偏移的趋势。Jang等[13]的研究显示，采用3D打印导板辅助慢性外侧踝关节不稳定患者外侧踝韧带重建，显著缩短了手术时长并降低了辐射暴露，表明3D打印导板是治疗慢性外侧踝关节不稳定的优选方案。

2.3 脊柱手术导板 脊柱手术导板主要用于辅助医生在手术过程中精确切除病变组织、置入植骨材料和内固定设备。 3D打印技术可以实现个性化导板设计，降低手术风险，提高手术效果。由于螺钉可以穿过脊柱的前柱、中柱和后柱，所以使用椎弓根螺钉代替其他固定装置可以更好地矫正和稳定脊柱。 3D打印导板摒弃了先前的椎体解剖定位，克服了空间椎体结构的变化。赵永辉等[14]回顾性分析了16例强直性脊柱炎患者的临床资料，发现使用了3D打印导板置入椎弓根螺钉的位置更准确。Wu 等[15]研究显示，引导组的螺钉放置准确率为96.1%，显著高于徒手组的82.9%，脊柱矫正率为60.0%，证明了3D打印导板代替传统徒手螺钉放置技术的可行性。

2.4 创伤手术导板 由于骨折类型的复杂性和多样性，创伤手术具有广泛的治疗选择，导致治疗效果差异较大。一些复杂的粉碎性骨折需要术者拥有扎实的解剖学知识和丰富的手术经验，但即使如此也很难实现良好的对线和精确的固定，常导致骨折重新定位不理想、模板错位和螺钉固定错位等情况。创伤手术导板主要用于辅助医生在创伤骨折等急诊手术中快速、准确地进行固定。 3D打印技术可以快速定制合适的导板，帮助医生在紧急情况下实现精准手术。任原等[16]的研究结果显示，采用Kocher-Langenbeck入路手术复位治疗，结合术前3D打印技术和T型钢板弹性支撑固定，应用于后柱复杂性髋臼骨折患者的治疗可达到缩短手术时间，减少术中出血量、输血量的目的，进一步提高骨折复位的质量，对于促进髋关节功能的恢复具有重要意义。相较于单纯采用T型钢板弹性支撑固定治疗，术前3D打印技术具有显著的优势，并且安全性良好。廖雄等[17]回顾性分析了20例Ⅱ型老年脆性骨盆骨折患者的临床资料，发现基于三维CT个体化数据设计的3D打印导板进行手术，可达到操作简便、精准导向的效果。在CT引导下，实施经皮逆行耻骨上支螺钉内固定治疗Ⅱ型老年脆性骨盆骨折手术，具有创伤较小、手术安全性高、早期缓解疼痛和促进患者迅速康复等优势。

2.5 骨肿瘤手术导板 骨转移瘤、骨肉瘤、良性和恶性骨肿瘤等肿瘤发病率虽较低，在所有新诊断癌症患者中的占比<1%，但其5年生存率仅为50%[18]。近年来，随着新辅助化疗的进步，保肢手术已逐渐成为大多数患者的首选治疗方式。然而，骨肿瘤形状奇特且术前影像大多定位模糊，导致外科医生仅能在肉眼直视下进行肿瘤切除。因此，精确切除肿瘤组织一直是骨科肿瘤医生所面临的挑战之一，手术方案的选择、大肿瘤组织切除后骨缺损的修复和功能重建也是保肢手术的难点。骨肿瘤手术导板主要用于协助医生在手术过程中精确切除肿瘤组织，保护周围正常组织。曲扬等[19]回顾性分析了行活检穿刺的11例患者，包括股骨4例、骨盆3例、胫骨2例、肩胛骨及掌骨各1例，3D打印个体化导板基本贴合患者穿刺部位解剖结构，进针方位深度均与术前设计方案一致，穿刺术中无重要解剖结构损伤，穿刺术后未出现血管、神经损伤症状，认为基于影像图像数字化处理和三维打印技术设计的个性化定制导板能够实现骨肿瘤的精准穿刺。这一发现对于提高骨肿瘤术前诊断和优化治疗方案质量具有重大意义。Mustahsan等[20]的研究发现，骨肿瘤手术导板在盆腔肿瘤切除过程中能有效减少出血量，提高操作便捷性，降低肿瘤复发风险，并提升肿瘤切除的精准度。

2.6 畸形矫正手术导板 畸形矫正手术导板可以根据患者骨骼特点进行个性化定制，为医生提供精准的手术操作指引。在手术过程中，畸形矫正手术导板可以帮助医生准确定位病变部位，避免对患者正常组织的损伤，提高手术安全性。并且3D打印技术可使手术导板与患者骨骼完美匹配，提高手术的适应性和舒适度。张永红[21]的研究显示，3D打印截骨导板应用于辅助Chevron截骨手术中，对矫正患者足外翻畸形表现出一定的可行性与有效性，能够缩短手术时长并减少术中出血量，为临床优化截骨精度和提高治疗效果提供可选策略。Cheema等[22]的研究也显示，采用镜像3D打印技术应用于锁骨畸形愈合的矫正性截骨或锁骨不连的内固定治疗，能有效恢复锁骨原生解剖结构，从而达到较理想的临床疗效。

3 3D打印骨科手术导板的优势与不足

3.1 优势 ⑴精准性：3D 打印骨科手术导板可根据患者的具体病情和影像学数据进行定制，能够精确地辅助医生完成手术，提高手术成功率。⑵降低手术风险：3D 打印骨科手术导板有助于医生更准确地定位病变部位，减少术中探查时间，降低手术风险。⑶减少术中出血：应用3D 打印骨科手术导板引导的手术可减少对周围组织的损伤，从而减少术中出血量。⑷加速康复：3D 打印骨科手术导板有助于提高手术精确性，减少术后并发症，加速患者康复。⑸个性化定制：3D 打印骨科手术导板可以根据患者具体情况进行个性化定制，能精准定位，优化治疗效果[23]。

3.2 不足 ⑴技术门槛较高：3D建模和打印技术对操作人员的要求较高，需要具备专业知识和技能。此外，术前数据采集、建模和导板设计等环节也需要大量时间和精力投入。⑵成本较高：3D打印设备、材料和相关软件的费用较高，加之研发和生产成本较高，导致3D打印骨科手术导板的价格也相对较高。这可能限制其在临床应用中的普及程度。⑶生物相容性：虽然3D打印技术可以生产出具有高精度、个体化的骨科手术导板，但部分3D打印材料仍存在生物相容性不佳的问题。部分材料在长时间植入体内后，可能引发炎症反应，甚至组织增生等并发症。⑷法规和标准不完善：3D打印技术在骨科手术中的应用尚处于发展阶段，相关法规和标准亟待完善。监管部门的审批流程、产品质量控制、售后服务等方面都需要进一步明确责任范围。⑸医学伦理问题：随着3D打印技术在骨科手术中的广泛应用，医学伦理问题亦逐渐凸显。如何在尊重患者意愿的基础上，合理使用3D打印技术，确保医疗服务的社会效益最大化，是目前临床需要探讨的问题。

4 展望

4.1 拓展使用领域 3D打印骨科手术导板目前主要应用于创伤、肿瘤和关节置换等手术类型。然而，随着技术的不断发展，其应用领域将不断拓展，包括神经外科、心血管外科等其他外科手术。

4.2 推动产业创新 3D打印骨科手术导板技术的发展将带动相关产业的创新与发展，包括医疗器械生产商、软件开发商和生物材料研发企业等。这将推动生物材料领域的技术创新，为骨科手术提供更多的选择和可能性，3D打印骨科手术导板产业将呈现出良好的发展态势。

4.3 技术创新 随着3D打印技术的进步，未来3D 打印骨科手术导板将具备更多功能，可能融入智能传感器和实时导航技术。通过在导板上安装微型传感器，医生可以在手术过程中实时监测患者的生理状态，如血压和心率等，从而及时调整手术策略。同时，结合实时导航技术，医生可以更加精确地定位手术器械，避免误伤周围重要组织。这些创新功能将进一步提高3D 打印骨科手术导板的应用价值，为患者提供更优质的医疗服务。

4.4 跨学科合作 3D打印骨科手术导板的发展将促进跨学科合作，如医学、材料科学和机械工程等领域的专家共同参与研发和应用。这均有助于推动3D打印技术在骨科手术导板领域的发展。

4.5 普及和推广 随着3D打印技术在骨科手术导板领域的优势逐渐凸显，越来越多的医疗机构采用这一技术。未来，3D打印手术导板有望成为常规手术的一部分，惠及更多患者。

4.6 政策支持 我国政府高度重视3D打印技术在医疗领域的应用，这为3D打印骨科手术导板的发展提供了有力保障。在国家政策的推动下，3D打印骨科手术导板的研发和应用将得到更好的发展。

5 总结

综上所述，3D打印骨科手术导板技术在未来发展中具有巨大的潜力和广阔的应用前景。随着技术的不断创新和政策的有力支持，3D打印骨科手术导板将成为医疗领域的一大亮点，为患者带来更加优质、高效的医疗服务。

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