3D打印技術在骨外科學中的應用研究進展

繆鋅，凌強，鄧高榮

(南昌大學第四附屬醫院，南昌330000)

3D打印技術在骨外科學中的應用研究進展

繆鋅，凌強，鄧高榮

(南昌大學第四附屬醫院，南昌330000)

隨著計算機技術、新材料技術的蓬勃發展，3D打印技術不斷成熟，迅猛發展。目前該技術主要用于汽車行業、航空航天、醫療行業、建筑設計等領域。醫療行業中，國際上已開始將3D打印技術應用于器官模型制造、手術分析策劃、個性化組織工程支架材料、假體植入物制造以及細胞或組織打印等方面。在骨外科學中，3D打印技術可根據患者解剖結構的個體化差異，制作立體的實物模型，從而實現個體化解剖測量，降低手術風險，提高手術成功率。

3D打印技術；創傷骨科；骨腫瘤科；關節外科；脊柱外科；個性化治療

3D打印技術根據其制造工藝又被稱為增材制造，屬于快速成型技術[1]的一種，起源于19世紀末期美國照相、雕塑和地貌成形技術，但由于價格昂貴、技術不成熟，早期并沒有得到推廣普及。隨著計算機技術、新材料技術的蓬勃發展，3D打印技術的應用領域不斷擴大，主要應用于汽車行業、航空航天、醫療行業、建筑設計等領域。目前，國際上已開始將3D打印技術應用于醫療行業中的器官模型制造、手術分析策劃、個性化組織工程支架材料、假體植入物制造以及細胞或組織打印等方面。骨外科學(簡稱骨科)臨床所使用的內置物材料都是按照尸體解剖數據，采用固定尺寸及外形進行批量生產，難以與每位患者的需求部位完美匹配，無法獲得滿意的臨床效果[2]。而3D打印技術可以彌補這一不足。本文對3D打印技術在創傷骨科、骨腫瘤科、關節外科、脊柱外科中的應用進展作一綜述。

1 3D打印技術在創傷骨科中的應用

創傷骨科是骨科中的基礎學科，由于骨折類型復雜多變，治療方式千差萬別，導致治療效果相差甚遠。在復雜的骨折手術中，術者在經驗不足且無法直視的情況下難以做到良好地對位、 對線及精準固定。粉碎性骨折復位是術中難點之一，涉及關節面的骨折要求達到解剖復位，具有創傷大、精確度差、耗時長的特點。傳統醫生憑借經驗進行操作，術中螺釘方向靠醫生的解剖知識及經驗進行確定，由于患者解剖結構個體化差異，年輕醫生經驗相對不足不足，螺釘進入關節腔的情況時有發生。隨著3D打印技術的發展，粉碎性骨折手術中可借助數字骨科技術設計手術導板，利用3D打印技術快速制作，為術中骨折精確復位、預測鋼板規格、確定釘道方向和螺釘長度等提供幫助。Brown等[3]將快速制作的導向模板應用于107例骨折患者手術中，結果表明導向模板應用效果良好，精確度滿意；其中35例髖臼骨折患者術中共打入280枚固定螺釘，未出現螺釘進入關節腔的情況。邢曉偉等[4]采用計算機輔助及3D打印技術建立股骨轉子間骨折1∶1實體模型及置釘導向模板，發現其具有提高手術操作準確性、簡化手術操作流程、提高手術安全性等特點，且術前采集圖像可術中反復使用，有助于減少術中透視對患者的放射性損傷。王懷斌等[5]利用3D打印技術制作與實物1∶1的跟骨模型，對跟骨骨折做出明確術前診斷及模擬操作以指導手術治療，能讓術者直觀觀察骨折形態，準確評估骨折情況，降低致殘率，具有較高的手術指導意義。劉百偉等[6]根據患者髖臼后緣解剖數據，利用3D打印技術個性化定制髖臼后緣解剖型鋼板，并將其應用于10例髖臼后緣骨折患者的定制鋼板手術治療，術后無血管神經損傷，螺釘準確置入，未出現螺釘進入關節腔的情況，說明3D打印髖臼后緣個性化鋼板是治療髖臼后緣骨折的一種新型內固定方法。

2 3D打印技術在骨腫瘤科中的應用

骨腫瘤有良、惡性之分，惡性骨腫瘤好發于青少年，隨著近年來新輔助化療的發展，骨腫瘤患者一般采取保肢手術治療。骨腫瘤形狀多不規則，其體積與手術方案的選擇及治療效果等密切相關[7]，如何精確切除腫瘤組織一直是骨腫瘤科醫師所面臨的挑戰；切除大面積腫瘤組織后缺損骨組織的修補、功能重建等也是保肢手術治療所面臨的難點[8]。裴延軍等[9]采用金屬3D打印技術制備出與患者鎖骨和肩胛骨完全一致的鈦合金假體，并成功植入骨腫瘤患者體內，成為世界上肩胛帶不定形骨重建的首次應用。該研究采用3D打印技術制備的鎖骨、肩胛骨等不定形骨個體化鈦合金假體匹配性高，功能及外形滿意；多孔設計石骨及軟組織附著長入率高；彈性模量降低，可減少應力遮擋并發癥；產品質量穩定，精確度高；制備周期短，費用大幅降低。付軍等[10]根據31例骨腫瘤患者的CT掃描數據，設計手術導板后采用4種打印材料進行制作，結果表明3D打印技術能滿足骨腫瘤手術的個體化要求，實現術前設計，而且不同3D打印材料制備的手術導板各有優勢。

3 3D打印技術在關節外科中的應用

隨著數字骨科學的飛速發展，3D打印技術因其可為患者“私人定制”高精度的個體化植入體、提高關節外科復雜、高難度手術的成功率而得到快速發展[11]。Minns等[12]利用1例60歲女性患者術前CT數據，通過3D打印設備制備膝關節塑料模型，并對其進行膝關節置換手術，通過術前手術設計、模擬規劃，對比術后結果發現該方法精確度高，尤其適用于變形的脛骨平臺，可提前預測支撐骨塊的形狀。劉峰等[13]研究顯示，定制3D打印切模輔助膝關節置換術具有個體化、精準化、數字化、手術時間短、創傷小等優點。張偉等[14]對6例行全膝關節表面置換術的患者術前行膝關節3D打印，定制個性化膝關節假體，結果發現患者手術中假體應用與術前制定相符合，手術時間及出血量明顯減少，術后膝關節功能改善，未出現感染、假體下沉等。王臻等[15]利用3D打印技術制造了一種用于復合異體半關節移植的個體化人工半膝關節，并將其應用于1例因右股骨下段骨肉瘤保肢術后復發的患者，結果顯示患者術后膝關節功能得到明顯改善；該研究較好地解決了異體-自體關節形狀不匹配的問題。

4 3D打印技術在脊柱外科中的應用

由于椎弓根螺釘具有明顯的生物力學優勢[16]，椎弓根螺釘內固定術逐漸成為脊柱后路內固定手術的常規術式，但對復雜脊柱畸形患者進行手術治療時，椎弓根螺釘的置釘難度和風險均會增加[17～19]。肖進等[20]對6例脊柱側凸患者行PET-CT掃描，應用Mimics軟件進行脊柱三維重建，通過3D打印技術得到與病變完全一致的脊柱實體模型，并用于術前模擬和內固定植入設計，結果顯示患者術后畸形矯正滿意，認為3D打印技術有助于脊柱側凸的診斷、手術設計及內固定選擇等。張強等[21]研究顯示，3D打印技術制作椎弓根導向模板是一種新的技術方法，不需要特殊的手術經驗，可以縮短手術時間，減少術中出血，減少或避免手術中透視，可為嚴重腰椎疾病患者提供手術指導。李洋等[22]對52例經椎弓根內固定的胸腰椎手術患者通過3D打印模型輔助置釘156枚，僅3枚穿破皮質，成功率達98.08%，明顯高于傳統手法置釘的成功率(90.91%)，認為3D打印技術輔助胸腰椎椎弓根置釘可提高置釘準確率和手術安全性，符合個體化置釘，可作為胸腰椎椎弓根螺釘置入的一種新方法。戎帥等[23]以1例腰椎多節段峽部裂患者為研究對象，利用逆向工程與3D打印技術對患者的脊椎進行三維重建并制作出1∶1大小的脊柱模型，術中所見與術前模型異常及測量結果完全一致，認為3D打印技術能夠使骨科醫生在術前精確直觀地了解脊柱畸形情況，從而提高診斷率，指導制定手術計劃，模擬手術操作，增加手術精確性及安全性。

3D打印作為一項革命性的新技術，雖然可以制作立體的實物模型，降低手術風險，提高手術成功率，但也存在如下缺點：①費用較高。3D打印技術制作出來的產物都是個性化的，不能批量生產，目前僅停留在科研階段。②材料學發展不能滿足臨床醫學的需求。臨床醫學中應用的材料必須具有生物相容性和適宜的彈性模量，而目前很多3D打印材料不能滿足這些要求。③產物機械強度不足。3D打印技術的核心原理是材料堆積、高溫黏合，所以打印出來的大部分實物模型機械強度差、脆性大，無法滿足骨科內置物高強度的需求，因而其主要用于術前準備、虛擬手術操作或制作手術導向模板，而不是作為實體安放于體內。④不適用于急診手術。骨科急診手術較多，雖然3D打印技術可快速成型，但模型為個體化，制作整個模型的過程耗時較長，因而在復雜急診手術中的應用受限。

綜上所述， 3D打印技術具有自由成型的特點，特別適合復雜產品的成型；在多孔內植物及有復雜微觀結構內植物的制造等方面具有獨特優勢；不僅可以減少患者的等待時間，提高手術成功率，還可彌補傳統通用型內植物修復時形狀不匹配和力學性能差的缺點；加上3D打印技術和商業應用的發展，大批量個性化定制將成為重要的生產模式[24]。今后3D打印技術在臨床中的應用將會更加廣泛。

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江西省科技支撐計劃項目(2011BBG70072)。

凌強(E-mail： linq@163.com)

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R318.08

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1002-266X(2016)48-0100-03

2015-11-05)