快速成型技術在骨科中的應用

王小龍 郁凱 張殿英

快速成型技術在骨科中的應用

王小龍 郁凱 張殿英

快速成型(rapid prototyping,RP)技術是一項基于離散或堆積成型原理的新型數字化成型制造技術,可根據零件特點,將設計構思利用計算機輔助設計(computer aided design,CAD)電子模型,直接、快速、精確地轉變為實物原型。通過材料的精確堆積,快速生產原型,具有快速靈活、適合任何形狀的優點[1],而這也正是個性化要求的相關臨床醫療領域所需要的。骨科是臨床應用金屬植入物最多的學科,由于人骨骼的不規則性,常常遇到植入物與患區骨骼不匹配,須臨時對植入物進行塑型,這不但對植入物造成了磨損,而且難以獲得滿意的形狀,導致植入物與患區匹配不佳,既延長了手術時間,又影響手術效果[2]。若術前能針對性定制金屬植入物,不僅使植入物與患區獲得良好的匹配,而且縮短手術時間,提高手術的效率和安全性。

一、RP技術在骨科領域中的應用

(一)骨模型制作

RP制作實體骨模型可以提供骨結構的精確解剖數據,展現骨骼直觀、細微的結構,可用于輔助診斷及術前分析制定手術方案。此外還可以模擬現場手術,將實體模型消毒后置于手術臺上,提供空間位置導向,彌補術中骨骼的有限暴露。Bagaria等[3]利用RP技術制備了髖臼、跟骨和股骨內側髁等復雜骨折的模型,在術中為術者提供三維空間位置,結果明顯減少了手術時間,從而減少了麻醉劑劑量和術中的出血量。Wu等[4]根據復雜重度先天性脊柱側彎畸形CT掃描數據通過RP技術制備模型,用于術前測量椎弓根形態和椎體旋轉角度,選擇合適的內置物,術中對照模型確定螺釘進釘點、釘道和釘長,并將RP技術與傳統透視技術的手術結果進行對比,結果顯示應用RP技術可以減少手術時間和螺釘誤置率。

(二)制作內固定物及人工假體

RP技術可應用于骨科內置物的個體化制造,因其具有滿足復雜解剖部位假體制造的多樣性、復雜性和快速性要求的特點。RP技術目前可定制解剖型鋼板、人工骨盆、椎體及關節。骨吸收和假體無菌性松動是影響人工關節有效使用壽命的因素,人工關節不能確保長期穩定的原因是標準人工假體與患者骨骼之間不能精確匹配,而個體化人工關節可以最大限度的實現匹配,防止骨吸收和無菌性松動的發生[5]。

(三)手術內固定模板

目前的內固定器械常有配套的通用瞄準器械或模板系統,以輔助內固定物置入,缺點是術中需要X線透視確定內固定物位置。而利用RP技術制造個體化內固定模板則能夠與實體骨骼完全匹配,具有安全、準確等優點,減少醫務人員和患者術中放射線暴露時間[6]。在脊柱外科方面,RP個體化模板同樣為椎弓根釘或關節突螺釘的置入提供了新的置釘方法,具有置釘準確、操作簡單的優點,縮短手術時間,減少醫務人員和患者術中放射線暴露時間[7]。

(四)制備骨組織工程支架

用RP技術構建骨組織工程支架材料有著其他傳統成型工藝不可比擬的優勢,能夠制造出類似天然骨組織內部的三維孔腔結構[8]。支架材料骨架結構孔隙率及孔徑大小影響纖維血管組織向內生長。植骨材料孔徑在100～800μm,孔隙率在50%體積具有更好的骨細胞長入[1]。

二、不同的RP技術

(一)選擇性激光燒結

選擇性激光燒結是一種生產制造技術,利用激光發熱將聚合物顆粒熔融燒結為所需的形狀[9]。此技術適用于骨組織工程支架生產。該技術的局限性在于其分辨率受到激光束直徑的限制。改進選擇性激光燒結加工工藝主要包括:使用更小的激光束直徑,更細的粉末,更薄的燒結層,從而生產出分辨率更高的支架,擴大支架的表面積,有利于細胞的生長[10]。

(二)熔融沉積成型

熔融沉積成型是將熱熔性材料加熱熔化,通過噴頭擠噴出來,隨即與前一個層面熔結在一起,逐層沉積直至形成三維支架[11]。該項技術適合于生產骨模型和制造內固定模板,局限性在于其Z軸方向的運動有限,不利于三維構建。此外,用于熔融沉積成型的材料對其熔點和加工條件有較嚴格的限制[12]。

(三)立體光刻技術

立體光刻技術是以光敏樹脂為原料,紫外激光器發射激光,在光樹脂表面進行逐點掃描,使被掃描區域的樹脂薄層發生光聚合反應而固化,形成一個薄層。一層固化完畢后,工作臺下降一個凝固層的厚度,在原先固化好的樹脂表面再敷上一層新的液態樹脂,然后進行下一層的掃描加工。新固化的一層牢固地黏在前一層上,如此反復直到三維構建完成[13]。此類技術適用于生產人工假體及骨骼支架,其局限性在于樹脂類材料不具有生物可降解性[14]。

(四)3D打印技術

3D打印技術采用離散堆積的方法,可以制造任意復雜的三維結構,成型過程與工件的復雜程度沒有直接的關系。根據孔隙率、微孔的大小和調節支架材料粉末顆粒的大小[15],制造出適應細胞生長的活性骨骼,非常適合制造人體骨骼[10]。3D打印技術制造人體骨骼與傳統的人體骨骼制造技術相比,不需要制造人體骨骼的模具,具有生產周期短和成本低等優點。與其他RP技術相比,3D打印成形技術由于其設備和材料相對便宜,運行成本較低,打印速度快,可制作精細、復雜的實體,已成為近年來RP行業研究和應用的熱點[16]。

三、3D打印技術的難題

(一)三維建模的難度

目前CT機的接口為DICOM格式,由CT機得到的骨骼斷層圖像,經過MIMICS軟件導入DICOM格式文件,軟件自動設定CT原始掃描參數,每層原始圖像灰度值以內插值處理,達到亞體素的精度。調整窗位及窗寬,使對比度達到最佳可視度,調整方向和閾值[14],轉化為3D打印機所用的STL文件,用MAGICS軟件對STL格式文件進行處理得到SLC格式的加工文件。骨骼數據轉化的困難是當前CT機最小每層掃描厚度是0.3 mm,而3D打印的每層掃描厚度減小到0.02 mm,在0.3 mm內的變化無法在三維重構中體現,這會造成關節曲面沒有實物光整[17]。

(二)高成本、高費用、高耗材

目前,國內3D打印技術并不成熟,原材料都由國外廠家直接提供,尚未實現第三方供應原材料的模式,直接推高了原材料的價格[8]。

(三)工藝難度高

國外進口設備廠通常將最優化的方案提供給用戶,并將設備與工藝參數綁定,任何一個工藝參數的更改都需要廠家專業人士的參與,并通過嚴格實驗的驗證。此舉雖保障了產品質量的穩定,卻提高了技術封鎖,也增加了使用者的成本[18]。

四、骨骼3D打印技術的發展趨勢

3D打印技術因無需模具,制造快捷、準確、獨特的優勢,在制造個性化骨科植入物方面推動技術的全面革新[19]。

(一)人工骨骼預培養

該技術可與醫院儲存的患者CT數據相結合,在患者住院治療之前做好需要替換的人工骨骼,以便減少患者等待的時間,減少住院日,節約寶貴的醫療資源。為保證人工骨骼植入后能夠迅速活化,將人工骨骼在無菌環境中進行體外培養[20],選用利于成骨細胞附著、增殖和分化的培養液和環境條件,使人體骨骼在體外初步活化,增加人體骨骼替換的成功率。

(二)材料

3D打印技術首要解決的問題就是材料問題,相對于其他RP技術,3D打印技術可供選擇的材料范圍很小。Poldervaart等[21]使用含骨形成蛋白2(BMP-2)的硅酸鹽顆粒打印出的硅酸鈣骨骼植入大鼠和小鼠的體內,結果顯示利用3D打印技術打印出的骨骼在BMP-2刺激下很快長入血管纖維組織。羥基磷灰石作為活性骨骼的材料,不屬于光敏材料和黏結性材料,需加入光敏劑或黏結劑,但這樣會影響骨骼活性,造成組織排異反應,增加植入失敗的風險,進一步限制使用光敏材料黏接材料打印人體骨骼的臨床應用。因此,需要RP技術材料工程學進一步研究開發具有良好綜合性能的人體骨骼成形材料,以滿足醫用骨骼的需要。

RP技術正朝著精密化、高精度、標準化、低成本等方向發展,采用新型材料直接3D打印出個性化金屬植入物將是RP技術在骨科應用的發展方向。

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2014-08-28)

(本文編輯:劉揚)

10.3877/cma.j.issn.2095-5790.2014.04.012

天津市濱海新區衛生局科技項目(2011BHKY008,2012BWKZ002)衛生公益性行業科研專項(201002014,201302007);教育部創新團隊(IRT1201);北京市科委重大專項(Z101107052210001)

300450 天津市第五中心醫院骨科

張殿英,Email:zdy8016@163.com

王小龍,郁凱,張殿英.快速成型技術在骨科中的應用[J/CD].中華肩肘外科電子雜志,2014,2(4):260-262.