3D打印技術在骨科的應用及護理進展▲

黃式環

(廣西貴港市人民醫院，貴港市 537100)

【提要】 3D打印技術有成型精度高、個性化突出等優勢，在骨科領域中得到了廣泛的應用與發展。本文在3D打印技術的工作原理及分類的基礎上，對3D打印技術在骨科臨床以及圍術期護理、術后康復、護理教學的應用進展進行綜述，總結3D打印技術在骨科護理應用中面臨的問題，對其在骨科護理中的應用進行歸納，有助于促進護理人員及時了解及推廣3D打印技術。

三維(three dimension，3D)打印是一種高科技快速成型技術，其以三維模型為基礎，通過逐層打印的方式來構造物體[1]。隨著骨科醫療技術的進步，微創、精準化、個體化醫療成為發展的方向，3D打印技術的應用為這一目標的實現提供了可靠的技術支持，其分辨率高，能進行個體化定制，有效解決了骨科眾多疑難問題，呈現出不可估量的應用前景[2]。然而，3D打印技術作為一種新技術，護理人員對其知之甚少，影響護理人員與醫生的默契配合，從而影響手術效率和手術結局。因此，為了促進護理人員及時了解及推廣3D打印技術，迎接護理工作全新的挑戰，本文對3D打印技術在骨科的臨床以及圍術期護理、術后康復、護理教學的應用進展進行綜述。

1 3D打印技術原理

3D打印技術是集成計算機輔助設計和制造、數控技術、激光技術、高分子材料、三維CT技術等知識為一體的全新快速成型(rapid prototyping，RP)技術。在快速成型裝置內裝有液體或粉末等打印材料，將計算機設計的三維模型數據分層并逐層打印，然后疊加到一起，成為一個立體物體。分層制造、逐層疊加是其核心原理[3-4]。

2 3D打印技術的分類

在骨科應用中，3D打印技術根據制造材料及方法不同分為以下幾類：(1)熔融沉積成型法(FDM)；(2)光固化(SLA)；(3)激光選區燒結/熔融(SLS/SLM)；(4)分層實體制造( LOM )；(5)電子束熔化(EBM)。不同的3D打印技術各有優勢。FDM技術是采用絲狀的塑料、蠟、金屬材料進行制作，精度及性能較差，適用于精度要求不高的模型；SLA技術使用的材料是光固化樹脂，能承受標準滅菌程序，可打印出高精度模型及各類導板，但不可用于體內植入；SLM技術制備精度高，適用于小型、高精度內植物的打??；而EBM技術對鈦合金具有良好生物相容性，產品質量穩定，適用于骨科內植物的制備，經美國食品藥品監督管理局(FDA)及歐盟認證，得到多數骨科內植物生產企業采用[5]。

3 3D打印在骨科臨床中的應用

3.1 利用3D打印技術輔助手術設計 利用CT、MRI等影像技術，重建骨骼的三維圖像，根據人體解剖的對稱性，反求或模擬缺失部位的骨骼三維圖像進行輔助手術設計，以確定手術方案、植入物的型號以及固定位置，對植入物進行預塑形等。上海交通大學附屬第九人民醫院[6]為患者定制半骨盆假體用于半骨盆切除、髖臼側嚴重骨缺損的重建。馬向浩等[7]在鎖骨、跟骨、脛腓骨、脊柱側彎、關節翻修、骨腫瘤等手術中運用3D打印技術進行模擬手術設計后，能夠明顯縮短手術時間、降低手術創傷、減少術中出血量、提高手術質量。隨著3D打印技術的日漸成熟，以及成型設備價格的下降，越來越多的醫師借助3D打印進行復雜手術的設計與演示。

3.2 3D打印導板的設計與應用 在骨科領域基于3D打印的導板設計與應用正不斷深入，逐漸顯現其特殊的價值。陳宣煌等[8]利用3D打印技術制作導航模板輔助椎弓根螺釘置入，獲得了滿意的效果。Merc等[9]對20例多節段腰骶椎手術患者置入54枚椎弓根螺釘，通過術后影像學檢查對比，3D打印技術制作的導航導板組較徒手置釘組螺釘偏移率和穿破骨皮質風險顯著降低。謝兆林等[10]應用3D打印導航模板輔助頸椎椎弓根螺釘置入可以提高置釘的準確率，增加頸椎手術的安全性。3D打印導板輔助置釘技術實用性強，應用簡便，精確度高，明顯縮短手術時間，減少術中出血量和 X 線透視次數，降低術后并發癥發生率，利于術后患者的快速康復[11]。

3.3 3D打印骨科金屬植入物的研發 目前3D打印在骨科最有價值的應用方向是研制金屬植入物和個性化假體，在國內3D打印制造的骨科內植物已獲國家食品藥品監督管理總局批準。目前醫療企業提供骨科的內植物只有為數不多的幾種型號，對于解剖結構變異、病損復雜的患者，內植物與機體骨骼表面的貼合度差，影響使用的安全有效性和術后愈合效果。根據患者自身特點和實際需要定制個體化、符合解剖特性及生物力學特性和適于骨長入的內植物是亟待解決的問題。Phan等[12]對1例65歲C1～C2疾病的女性患者應用3D打印技術打印個性化內固定材料行后路融合術，取得了良好效果。北京大學第三醫院研究團隊[13]設計制作了世界首例全微孔型3D打印鈦合金人工椎體作為內植物，對脊椎腫瘤進行穩定性重建。目前越來越多的醫療機構、科研單位、骨科產品生產企業投入到3D打印內植物的研究中，實現材料、設備、應用產業鏈的全覆蓋，臨床上也不斷涌現出定制骨科內植物應用成功的報道[14]。

3.4 3D打印技術的基礎研究 3D打印技術基礎研究的熱點之一是3D打印構建的金屬微孔表面改性問題。第四軍醫大學西京醫院與上海交通大學的研究團隊[15-16]在3D打印的多孔鈦合金表面涂層，經過改性后在糖尿病誘導損傷狀態下提升骨整合效應。另外，可降解生物材料的3D打印也是基礎研究的熱點。張維杰等[17]將3D打印的軟骨復合支架應用于兔軟骨缺損模型中，發現軟骨的骨微結構參數與軟骨修復關系密切，但距離臨床轉化還有相當的距離。無論如何，3D打印技術將是中國骨科內植物器械制造趕上國際步伐的一個良好機遇。

4 3D打印技術在骨科護理的應用

4.1 3D打印技術在骨科圍術期護理的應用

4.1.1 術前心理護理 骨科手術屬于高難度、高風險的手術，不同患者對手術必要性和風險性的理解能力存在差異，無法準確理解會使患者及家屬承受巨大的精神壓力，既對手術寄予很大的希望，又心存疑慮和恐慌。術前如何與患者家屬進行有效溝通，做好心理護理、緩解患者及家屬的焦慮不安情緒，是減少醫患糾紛的關鍵[18]。使用3D打印技術打印出患者目標部位，以1 ∶1的實物模型和數字三維圖像，向患者介紹3D打印技術的優勢、應用3D打印技術治愈患者的案例和經驗，幫助患者樹立積極的心態，給患者及家屬講解術前注意事項、手術過程，減輕患者的恐懼，提高患者自我參與意識，使其更好地配合護理工作，提高患者滿意度[19]。Kong等[20]報道用3D模型展示，幫助患者及家屬了解手術基本原理、流程，消除緊張、焦慮等不良情緒。馬利群等[21]報道3D打印輔助教育干預的方法，可有效控制急性創傷患者的焦慮情緒、緩解疼痛、提高睡眠質量。

4.1.2 術前指導 應用打印出來的實物模型，根據患者病情作出相應的指導，可以減輕患者痛苦以及促進手術早期進行。王樹芬等[22]報道根據3D打印模型幫助護理人員全方位觀察骨盆骨折移位情況，根據移位情況做好翻身前的患肢牽引制動、骨盆環穩定等輔助工作，有效降低術前護理翻身所造成的傷害。李卉等[23]報道了3D打印模型用于復雜Pilon骨折患者的術前護理，實施個性化健康教育，讓患者及家屬直觀地了解骨折的部位、特點及需要配合的注意事項，取得其理解與配合；在進行跟骨牽引前，通過3D模型講明牽引的原理及必要性，指導康復運動，縮短術前準備時間。

4.1.3 術前模擬演練 組織護理人員學習骨科3D打印技術相關知識，參與術前討論，配合醫生使用患者的3D打印實物模型進行術前模擬演練。護理人員通過積極參與，清晰了解患者的病情、手術方式、配合要點，提前熟悉步驟以及知曉定制器械的使用方法，可以節約手術時間、減少術中出血，有助于手術的順利完成[24]。

4.1.4 術后指導 利用3D打印模型對患者及家屬進行針對性的康復教育，演示如何保持正確體位及進行體位轉換，以防止不正確的體位導致骨折移位、內固定不穩或斷裂，讓患者及家屬理解并重視。覃柏良等[25]用3D髖關節模型指導術后患者體位變換，可保持關節的基本軸線不發生改變，展示不同強度、角度以及運動量對患者康復的影響，快速有效地促進髖關節功能康復，縮短住院時間。

4.2 3D打印在骨科術后護理康復的應用 骨科疾病患者很多時候需要康復輔助支具來幫助恢復正常的功能，目前臨床一般采用石膏進行外固定，由于石膏比較硬，與皮膚貼合度差，患者感到不舒適，影響患肢功能訓練的依從性，導致患肢肌力減弱，關節活動度低。結合患者資料，用3D打印技術個性化設計和制造的康復支具外形仿真人體解剖形態，與人體結構更貼合，在不影響生物力學強度情況下，支具制作呈多孔或呈網狀，保持透氣性。3D打印支具穿戴方便，可以洗澡，材料較剛硬的3D打印支具對患肢起到支撐、保護作用，材料較柔韌的可以輔助進行關節功能訓練。3D打印支具在不久的將來可能成為骨骼外固定的主流[26]。Mavroidis等[27]用3D打印技術個性化設計和制造踝支具，對受試者佩戴后進行步態分析，結果符合步態生物力學曲線，受試者感到更貼合和舒適。曾輝等[28]報道3D打印外固定支具應用于手足骨折患者，支具輕便、堅固、舒適、透氣性好，符合患者個性化需求，有效減少住院時間、術后恢復時間，減輕患者痛苦。

4.3 3D打印在骨科護理教學中的應用 骨科相關疾病的解剖結構、部位相對抽象，傳統的護理教學方法學生不易理解。根據醫院真實的骨骼疾病案例影像學資料，設計并完成3D打印，將患者的骨骼病變情況從二維圖像轉變為三維實體，體內傷情可視化且生動形象地展現出來，使得教學更加貼近現實。而3D打印耗材來自玉米粉、聚乳酸等物美價廉而且耐保存的材料，具備教材所展示的典型病理骨骼的各種特征，避免了普通制作模型的不真實感及成本高等問題，為學生提供更合理的教學模具。更重要的是，各種真實的骨骼疾病數字三維圖像及3D實體模型豐富了骨科護理教學的病例數據庫，實現護理教學中典型病例資料的獲取與分析，加深了學生對疾病的認識。同時，3D打印技術應用到臨床護理教學中，能幫助護理實習生理解骨科的?？浦R與專科技能。朱菁菁等[29]將3D打印技術聯合常規教學應用于人體護理解剖教學中效果理想，提高了教學質量和教學滿意度。目前3D打印技術已應用于骨科創傷、脊柱、關節、足踝等領域的護理教學。

5 3D打印在骨科護理應用中面臨的問題

在臨床應用中發現，雖然3D打印技術在骨科護理中取得一定的效果，但是仍然存在一些不足：(1) 3D打印制作一個模型需要一定的時間，而且需要專門人員操作，因此對于急診手術患者術前無法使用3D打印模型；(2)目前打印骨骼模型基本能滿足骨科臨床的需求，但是對于一些特殊病變或損傷，需要打印出骨骼病變部位及周圍組織、血管、神經時，就會需要更長的時間，而高精度的材料成本較高；(3)如果開始在臨床各領域大范圍的應用，如何收費也是需要我們考慮的問題[30]。

6 前景與展望

3D打印因具有高精度、個體化突出等優勢，滿足了骨科眾多患者差異化的需求，其臨床實踐的效果也越來越明顯。隨著3D打印設備價格的合理化，打印材料的日漸豐富，制作軟件的無縫對接，國家有關法規、標準的逐步完善，其應用前景不可估量。因此，筆者認為3D打印可以由臨床醫護人員向數字醫學3D中心提交打印申請，在患者進行影像學檢查后，數字醫學3D中心自動獲取影像學數據進行設計，在最短的時間內打印出3D模型交付臨床使用，這樣節省了中間環節，縮短了不少等待的時間；另外，3D打印模型的收費項目列入影像學科的后期設計制作，可以對3D打印在臨床各領域大范圍的應用起到很好的推動作用。