3D打印技術在骨科的應用研究

蘇煒煒，謝普生，譚晉川，王勉，黃文華

1.南方醫科大學第三附屬醫院骨外科，廣州510630；2.南方醫科大學基礎醫學院人體解剖學國家重點學科，廣州510515

前言

3D打印技術屬于快速成型技術，它是通過短時間內累加材料，制成立體的3D實體模型，故又稱作增材制造技術［1-2］。3D打印機出現于1986年，而我國于2012年8月15日才研發成功，經過短短的數年時間，3D打印技術已經有了飛躍式的發展。3D打印最先被應用于工業，隨著技術的成熟，3D打印在醫療方面的應用也逐漸受到重視并且已經取得了令人驚喜的成果。骨骼在人體中主要起支撐的作用，相對來說，我們更加重視它的結構特性。3D打印能夠制作出精細、穩固的結構，具有很好的力學特性，支撐性強，更有研究表明有望制成具有生物活性的人造骨骼。本文主要介紹了3D打印技術在骨科領域的應用近況、面臨的一些問題以及對未來的展望。

1 3D打印技術在骨科的應用現狀

1.1 術前規劃

利用3D打印技術可以在術前根據患者的影像學資料所提供的數據，構建出所需部位1：1實物模型，這對于術前規劃具有重要作用。

首先，有助于術前診斷。現有的影像學檢查只能夠提供單一的二維平面圖像，當發生復雜骨折時，這些傳統的影像學檢查并不能清晰而又直觀的顯示出三維解剖關系。而1：1實物模型則可以直觀、立體的呈現出骨折后的全貌，不易漏診一些細微的變化。特別是對于部分低年資醫師，由于他們的臨床經驗不足，容易發生誤診、漏診，而如果將患者受傷后的骨骼模型打印出來，再次進行評價，則診斷的符合率能夠大幅上升［3］。

其次，有助于設計手術方案、術前模擬手術。通過這些直觀、立體的3D打印模型，醫師可以更加容易找到手術思路、制定出切實可行的手術方案。同時，醫師還可以在這些1：1實物模型上進行手術預演，通過多次的體外手術訓練，在手術過程中做到有條不紊，簡化操作、縮短手術時間、減少患者的術中出血量［4-5］。柳鑫等［6］選取53例髖臼骨折病人，其中19例病人根據CT數據，打印3D模型、術前模擬手術；另外34例病人按照常規方法進行手術。結果表明，實驗組病人的術中出血量、圍手術期輸血量均較常規組少，并且手術用時短。

1.2 術中導航

通過收集患者的CT等影像學檢查數據，打印出3D模型、模擬復位，我們可以確定螺釘的方向軸、直徑、長度，結合軟件設計、制作出適合患者的手術導板。

黃華軍等［7］募集復雜脛骨平臺骨折患者20例，重建出三維模型、設計內固定方案、打印出手術導板，在3D模型上模擬手術。結果顯示手術效果良好，螺釘長度適合，說明手術導板的應用可以提高骨折內固定的效果。Zeng等［8］募集了10例髖臼骨折病人，打印出手術導板，術中發現預彎的手術導板與骨骼契合良好，不用再進行塑形或其他調整，手術效果基本可以達到骨折的解剖復位。而且病人在復位后產生的移位較小，均未出現螺釘穿出、畸形愈合。盛曉磊等［9］研究了導板輔助對于頸椎手術的影響程度。結果顯示，導板的應用讓手術置釘更為安全、精確，并且簡化了手術過程、有利于術后恢復。

1.3 骨科臨床教學

對于年輕醫師來說，課本的知識較為枯燥，不能夠在頭腦中形成圖像，缺乏感性認識，而這些實物模型則能夠形象的體現出我們人體的解剖結構，帶教老師還可以在實物模型上進行演示，讓實習醫師理解得更加透徹。而且，通過在3D模型上進行模擬手術，能夠加快實習醫師吸收、利用課本知識，掌握該種疾病解剖變化。這種教學方法可以明顯提高教學質量［10-11］。

李忠海等［12］將3D打印模型應用于臨床教學工作中，與傳統的教學方法相比較，這種感性的新型教學方法能夠幫助實習醫師提高讀片能力和對該類疾病的診斷能力，對于解剖關系和病變類型的理解更加深刻，此外，它使教學方式更加多元化，教學的效果顯著提升。

1.4 醫患溝通

醫患矛盾的產生，往往來自于溝通的不充分，患方一般不具備專業的醫學知識，不能夠理解復雜的解剖結構以及手術的危險性，醫方由于工作量大，不能夠一一向患方解釋醫學原理。而現在通過3D打印的1：1實物模型，醫方就可以較為清晰的向患方解釋手術的過程、手術的難點、手術存在的風險以及可能出現的并發證，患方有一個直觀的感受，也就比較容易接受手術所出現的各種結果［13］。

1.5 骨折康復支具

骨折后對骨折部位進行外固定對于骨折的愈合過程非常重要，我們傳統的外固定材料一般選用石膏、繃帶或者夾板，而這些外固定材料透氣性差、固定不牢靠、容易壓迫血管、減少血供，利用3D打印技術所打印出的康復支具，在這方面的應用則具有巨大的優勢。

廖政文等［14］利用3D打印技術，打印出個性化前臂矯形康復支具，該支具的佩戴更加舒適、透氣性好，患者滿意度明顯增加。陸亮亮等［15］利用FDM技術打印出拇指指骨骨折康復支具。此種3D打印支具與傳統的骨折固定器具相比，它更貼合患者的骨骼生理構造，在佩戴上也更加方便、美觀，而且，該支具可承受更強外力的作用，而不會對指骨骨折部位有不良影響。

1.6 骨科金屬內植物

關于3D打印骨科金屬內植物的研究起始于歐洲，我國也很重視在這方面的探索。與傳統的金屬內植物相比較，這種個性化內植物與個體的匹配度更加高，它是根據患者所需來進行打印的，尺寸更加的適合，能夠讓患者術后功能恢復更佳。更為前沿的研究是通過在金屬內植物中添加藥物來刺激成骨、治療疾病［16-17］。

黃淦等［18］將3D打印鋼板應用于骨盆骨折病人，結果顯示，患者術中情況較常規手術的患者好、透視次數顯著減少，隨訪結果顯示愈合時間更短，療效更好。

1.7 生物打印

3D生物打印是將器官三維模型當作原型，利用可吸收材料進行打印載體支架，與細胞聯合培養，制成功能組織，或者利用患者自身的細胞直接打印，制成組織或器官的先進技術［19］。目前，3D生物打印技術已經運用于打印人體皮膚、骨骼、血管和心臟組織，雖然還沒有在臨床上廣泛運用，但是可以看出這項技術具有很好的發展前景，該項技術在骨科上的運用更是成為了一個研究熱點。

Wang等［20］利用一種新型的低溫3D打印技術制備出（rhBMP-2）-（Ca-P）納米粒子/聚L-乳酸（PLLA）復合支架，這種支架能夠指導骨髓間充質干細胞的分化、提高細胞活力、附著能力、增殖能力和成骨分化能力。張明等［21］研制出基于3D打印技術的復合鎂骨修復支架，該種支架具有生物活性，有利于植入部位骨再生及功能重建。

2 3D打印存在的一些問題及未來展望

2.1 3D打印的不足

當下，3D打印在臨床應用中依然具有一些不足:第一，造價昂貴。3D打印技術所制造的產品都是個性化的，不能夠批量制造，生產造價較高［22］。第二，定制的周期過長，不適用于急診手術。3D打印技術雖然屬于快速成型技術，但是它要根據患者情況，實現個體化打印，所以它所需要的時間還是較長。第三，對材料的要求嚴格，導致材料的研發難度大，可用種類少。目前所應用的材料包括金屬、陶瓷、光敏樹脂、石膏等。而且，使用金屬作為材料打印內植物對于一部分患者還存在金屬過敏的風險［23］。第四，機械強度不夠。利用3D打印技術所制造出的內植物是材料堆積、高溫粘合所形成的，所以它的脆性大、不能夠承受較大的外力沖擊，而骨骼是主要的承重結構，也容易受到外界的沖擊，所以要將它作為骨科內植物，還應該提升它的機械強度。

2.2 展望

3D打印的迅速發展，讓我們對以往的一些難治、不可治疾病產生了希望。近年來，3D打印在醫學方面的利用也受到了重視，在骨科的應用更是異軍突起。雖然3D打印當下依然有許多不足，但是我們相信不斷涌現的新成果必將彌補這些問題。

就目前的技術而言，大塊的骨缺損是較難修復的［24］，然而3D打印技術如果能夠實現打印具有生物活性的骨，這必將促進植骨術的迅速發展。雖然還沒有實現于臨床應用，但是我們可以看到近幾年來，關于這方面的動物研究已經取得了很大進展，有望實現臨床應用。

材料限制了3D打印的應用，然而隨著科技進步，這并不會成為一個高不可攀的難題。張海峰等［25］將3D打印的聚乳酸-羥基磷灰石（PLA-HA）作為支架載體，與細胞聯合培養，觀察細胞在PLA-HA上的生長狀況，發現細胞生長良好。

機械強度問題也在慢慢地被克服。Xie等［26］使用DMLS 3D打印技術打印鋼板，將其與傳統重建鋼板對比，觀察它們在各個方面的體外力學特性。結果顯示DMLS鋼板硬度及靜態彎曲、扭轉剛度較傳統重建鋼板更大，而在動態疲勞測試中，DMLS鋼板亦能滿足臨床固定需求。可見，3D打印鋼板的機械強度正在被提高。

另外，因意外而導致肢體殘疾的人逐年增高，肢體散失對他們的打擊不止表現在生理方面，在心理方面也會對他們造成難以彌補的創傷。目前所使用的大多是僅僅起裝飾作用的無功能假肢，還遠遠無法滿足殘疾人的生活需求，現在已有學者研究利用3D打印技術打印假肢并且配備有集成傳感器、電子控制裝置，兼顧了外觀和功能的實現，隨著技術的發展，在不久的將來，有望實現功能的完全替代，其某些性能甚至能夠超過人類的真實肢體。

要實現3D打印技術的快速發展，必須有政府支持、多方合作、自主創新，學校、醫院、企業三方如果能夠相互合作，實現研發、臨床實驗、生產的密切結合，這必將推動我國3D打印技術在醫療上的騰飛。