骨科3D打印技術的應用研究進展

骨科3D打印技術的應用研究進展

劉大海，李開南

(遵義醫學院成都大學附屬醫院，成都 610081)

摘要：3D打印技術能使產品的物理結構不發生變化，還能根據需求定制，實現材料與病變部位完全匹配。目前在骨科涉及較多的3D打印產品主要包括骨科個性化替代物、復合成骨細胞及生長因子的骨移植替代物和骨科個性化導航模板。骨科個性化替代物包括個性化髖關節、膝關節及骨盆等。復合成骨細胞及生長因子的骨移植替代物具有良好的生物力學特性及骨誘導性能。骨科手術導航模板能對復雜骨科手術進行術中導航，有助于提高手術成功率、降低手術難度。然而，目前3D打印技術在骨科的應用多限于動物實驗階段，臨床應用仍有較多局限。

關鍵詞：3D打印；個性化假體；骨移植替代物；手術導航模板

doi：10.3969/j.issn.1002-266X.2015.39.039

中圖分類號：TP334.8；R68 文獻標志碼：A

收稿日期：(2015-07-30)

3D打印技術是一種快速制造技術，其主要原理是“分層制造，逐層疊加”，即先通過3D打印機分層制造，形成二維結構的物質平面，再根據需要精確堆積材料、逐層疊加，最終形成產品的三維結構[1]。隨著3D打印理念的發展，各種制造技術逐漸形成，先是1986年，Chuck Hull發明了光固化立體印刷技術(SLA)，并產生第一臺3D打印機；1989年Deckard發明選擇性激光燒結技術(SLS)；然后是1992年Crump發明熔融沉積成型技術(FDM)；1993年Sachs發明了3D噴印技術(3DP)等[2]。3D打印技術有異于傳統的削材及鑄造技術，能使產品的物理結構不發生變化；還能根據需求定制，實現材料與病變部位的完全匹配，同時還可攜帶細胞及生物活性微球進行骨缺損部位的原位打印。現就骨科3D打印技術的應用研究進展綜述如下。

1骨科個性化替代物

目前用于臨床的骨科替代性材料均按照固定模式制造，無法滿足特殊疾病患者的需求。在髖關節置換中，假體不匹配會導致圍手術期假體失穩、肢體長度不等、假體周圍骨折，并增加再次手術的風險。小直徑髖臼假體容易獲得良好的骨性包容，但通常應力比較集中，容易對假體產生磨損，縮短假體壽命；大直徑的髖臼假體周圍骨量丟失較多，可造成假體松動[3]。

目前研究最多的骨科個性化替代物為個性化髖關節、膝關節及骨盆等，大多都限于研究階段，只有少數開始應用于臨床。目前研制的3D金屬骨小梁就是用3D打印出的多孔金屬置入物，空隙之間相互貫通，具有骨長入的能力。髖臼杯、椎間融合器及人工椎體也開始采用3D打印技術制造。程文俊等[4]將3D打印出的金屬髖臼杯用于9例患者，隨訪6個月，并未出現不穩，且有骨長入的現象。Benum等[5]用3D技術打印出股骨假體，進行了2例全髖關節置換手術，療效較理想。對于兒童股骨遠端惡性腫瘤，需切除內、外側髁及股骨下端大部分骨質，為保持下肢骨繼續生長，需保留脛骨近端，然后進行半膝關節置換。黃晨等[6]提出將雙運動軌跡半膝關節假體應用于兒童股骨下端腫瘤手術，而通過3D技術就可以打印出這種假體。

骨盆內置物主要用于骨盆惡性腫瘤、先天性骨盆畸形及骨盆骨質缺損導致的骨盆不完整的患者。骨盆腫瘤需要進行擴大切除，盡量保留正常組織，以降低復發率，延長患者壽命，但不同患者的骨盆尺寸及形態差異很大，缺損部位形態不規則，增加了骨盆重建的難度。而3D打印技術能對患者病變范圍進行量身定制，通過多層螺旋CT進行薄層掃描，三維數字建模，對獲取信息進行數控編程，將數據轉化格式后輸入3D打印機，然后選擇合適的材料就可以打印出目標產品[7]。戴尅戎等[8]從2005年開始，用3D打印技術打印的骨盆替代物進行了首例半骨盆置換手術。裴延軍等[9]用3D打印鈦合金骨盆假體，精確完成了人工骨盆的植入手術治療，同期又完成了鎖骨和肩胛骨假體植入手術。3D打印技術還可用于先天性髖關節發育異常患兒手術方案的制訂，燕華等[10]應用該技術為8例患兒打印與體內形狀、大小相同的骨盆指導手術，縮短了手術時間，減少了出血量。除此之外，3D打印技術還可用于顱骨及頜面骨的修復，顯示出更大的發展空間。

2復合成骨細胞及生長因子的骨移植替代物

個性化金屬骨移植替代物大多使用不可降解材料，在體內需要長期保留，不具備促進骨修復的能力或能力十分有限。如果骨移植替代物使用生物材料，同時添加不同的干細胞和生長因子，通過干細胞分化、新生的骨細胞貼附于支架表面及長入支架內[11，12]，可誘導骨組織再生，對解剖結構進行永久性重建。

較為理想的復合骨替代物應具備良好的生物力學特性、生物可降解性、組織相容性、骨誘導生成能力及骨傳導性，選材和制作工藝都直接影響替代物的生物特性。目前運用較多的材料包括羥基磷灰石(HAP)、聚富馬酸二羥丙酯(PPF)、聚碳酸酯、聚乳酸酯、殼聚糖(CS)、碳酸三鈣、聚乙醇酸、水凝膠等[13]。Shin等[14]將光敏修飾的聚富馬酸二羥丙酯(PPF)用SLA技術制備了多孔支架，后者與人體松質骨有著極為相似的生物力學特性，可促進成纖維細胞的黏附與分化，可明顯促進兔血管生成及結締組織形成。Wang等[15]將HAP和CS混合后用3D打印技術制成HAP-CS復合多孔支架，并在支架中添加Ⅰ型膠原蛋白，移植于犬橈骨缺損部位進行原位修復，結果顯示，復合Ⅰ型膠原蛋白的HAP-CS支架表面的成骨細胞可促進堿性磷酸酶分泌，與未添加Ⅰ型膠原蛋白的支架相比，堿性磷酸酶的分泌能力提高23%。

要使新生骨能完全長入骨缺損部位，骨移植物還應有使骨細胞和血管長入替代物內的能力。正常的松質骨是由大量片狀和針狀骨小梁連接成的多孔網狀支架，其孔隙率一般為50%~90%，孔徑約1 mm，孔隙呈三維立體網狀結構，空隙之間相互連通。因此，類松質骨也要有與正常松質骨相似的結構，才能促進與骨界面融合[16，17]。Williams等[18]將脂肪族聚酯和PCL混合后用SLS技術制得了與人體松質骨結構相似的三維多孔支架。有學者[19]在PCL中加入80%的NaCl，支架中制孔劑被完全析出后，獲得了孔徑為1 mm、孔隙率為90%的多孔支架，將成肌細胞與支架同培養21 d，發現成肌細胞布滿整個支架。支架孔隙率較大，只能達到松質骨的強度，但骨長入能力強、可完全降解，因此只能用于不承重的部位。如要獲得強度較高的替代物，則要通過降低孔隙率來達成，但這將影響骨長入能力。

直接攜帶細胞生長因子打印的骨替代物具有更好的骨誘導性能，對促進細胞與細胞間、細胞與材料間的作用有重要意義。Wu等[20]用膠原-HA/BMP復合材料植入兔橈骨缺損處，與膠原-HA材料相比，前者兔血清Ca、P濃度和ALP活性高于后者，說明膠原-HA/BMP復合材料有更強的成骨能力。李翠笛等[21]以磷酸鈣骨水泥(CPC)、介孔硅酸鈣(MCS)為原料，用3D打印技術構建不同孔道結構的MCS-CPC復合支架，同時復合BMP-2植入動物體內，初期即可見纖維組織在孔道中生長；12周時，MCS-CPC-rhBMP-2支架新生骨量明顯高于CPC支架和MCS-CPC支架，具有仿生效應。Cui等[22]以甲基丙烯酸酯封端的聚乙二醇(PEG-DMA)和軟骨細胞混合成細胞溶液，用SLA技術對天然牛股骨髁軟骨缺損模型進行原位打印，打印出來的PEG水凝膠與天然關節軟骨的彈性模量相似，細胞存活率較高，這使人體內原位打印、組織原位修復變為可能。

雖然復合成骨細胞及生長因子的骨移植替代物具有良好的生物力學特性及骨誘導性能等優點，但目前僅限于動物實驗階段，尚無產品用于人體。如何在3D打印中及打印后處理過程中保持復合細胞的存活率及生長因子的生物活性，以及闡明材料與細胞及生長因子之間的相互作用機制，還有待進一步研究。

3骨科個性化導航模板

近年來，隨著3D打印技術在骨科領域的發展，有學者提出利用該技術制造手術導航模板的構想。對解剖結構比較復雜、需要精確定位的手術進行術中導航，有助于提高手術成功率、降低手術難度、確保患者安全[23]。因此，學者們先后設計并制造了股骨頸空心螺釘的導航模板、腰椎及寰樞椎椎弓根釘的導航模板、枕骨髁螺釘的導航模板。

在臨床中運用空心螺釘固定股骨頸骨折，手術效果多依賴于醫師的技術和經驗，手術失敗的病例也不少見。如進釘點、進釘方向及進釘深度判斷錯誤，可導致螺釘穿破股骨頸皮質或直接穿破股骨頭進入關節腔，甚而進入骨盆[24]。曹振華等[25]篩選出18例(32側)股骨上端樣本，運用導航模板進行模擬手術，術中僅1例螺釘穿破骨皮質，認為導航模板有一定的應用價值。黃軒等[26]選取20例枕頸部尸體樣本，運用數字化設計和3D打印技術打印出枕骨髁導航模板，對20具尸體枕骨髁螺釘置入進行導航；術后CT掃描發現，40枚螺釘均在枕骨髁內，未發生螺釘侵犯舌下神經管、髁導靜脈管及寰枕關節面情況；操作中導航模板與枕骨髁骨面接觸良好，未發生移位，較X線透視下置釘時間縮短(僅需60~70 s)，再次證明導航模板輔助置釘的快速性、準確性及可行性[27]。在電腦模擬及體外模擬手術的基礎上，寧金沛等[28]對7例需要胸椎及頸椎椎弓根螺釘置入的患者設計個性化導航模板進行術中導航，共植入24枚椎弓根螺釘，其中23枚螺釘在椎弓根內，僅1枚螺釘穿破椎弓根骨皮質，操作中均未出現血管、神經損傷，說明個性化導航模板的臨床應用已取得初步成功，為臨床廣泛使用奠定了基礎。

但是，骨科個性化導航模板的3D打印還面臨著以下問題：①需要有熟練掌握Mimics14.0軟件及一定手術經驗的人員，才能順利完成導航模塊的設計，保證建模數據的準確性；②導航模塊固定穩定性較差，需要有標志性的解剖結構作為錨定點，防止導航模塊移動；③打印精度要求較高，打印精度將影響導航模塊的質量及手術人員操作的準確度。

目前，3D打印技術在硬組織工程材料的制備方面獲得了較多新進展，并開始運用于臨床。然而，國內3D打印還處于初始研發階段，技術不夠成熟，應用的設備及材料大多由國外廠家提供，在一定程度上限制了3D打印技術在骨科的廣泛應用。隨著我國數控技術、生物材料制作的進一步發展，個性化組織工程有望應用于更多的患者，滿足廣大患者的需要。

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