3D打印技術在成骨不全治療中的應用進展

王言之，張靜姝

1.南京醫科大學 a.第一臨床醫學院；b.公共衛生學院，江蘇 南京 211166；2.江蘇省醫藥農藥獸藥安全性評價與研究中心，江蘇 南京 211166

引言

3D打印又稱增材制造，始于20世紀末，是一種以數字模型文件為藍本，使用各種類型可黏合材料，基于光固化和紙層疊等技術來快速制作實體模型的新型手段[1]。3D打印的產品有適應性強、交互性好、能快速成型等一系列優點[2]，故在工業設計、建筑工程、航空航天、醫療器械等領域已逐步得到推廣和應用。

2012年11月，蘇格蘭科學家最先報道利用人體細胞通過3D打印機打印出人造肝臟組織，成為3D打印技術進入組織工程領域的里程碑[3]。2019年1月，美國加州大學首次報道利用3D打印技術，制造出模仿中樞神經系統結構的脊髓支架，裝載神經干細胞后將其植入脊髓嚴重受損的大鼠脊柱內，實現其運動功能的恢復，這是3D打印技術在神經外科的重大突破[4]。

當前3D打印技術在臨床尤其是骨科領域的應用出現井噴式發展[5]，主要可分為制作等比實物模型、手術器材和內置物等幾個方向[6]。以成骨不全為典型的骨病治療或可與3D打印技術緊密聯系。

1 3D打印應用于成骨不全治療的病理背景

成骨不全（Osteogenisis Imperfecta，OI）又稱脆骨癥、原發性骨脆癥等，是一種由于間充質組織發育不全、膠原形成障礙而造成的先天性結締組織疾病[7-8]。目前無根治OI的方案，常采用物理矯治結合藥物治療對患者病情進行控制、減輕患者痛苦。藥物治療能有效降低骨折再發生的概率，但對已經形成的骨畸形沒有明顯效果，手術治療是提高成骨不全患者生活質量的不二途徑。對成骨不全患者的不同癥狀需實施對癥治療，而成骨不全患者自身的骨骼結構異常、骨密度偏低增加了手術難度和手術風險。考慮到3D打印的產品具有精細化、個性化的特點[9]，將3D打印應用于成骨不全的治療有顯著的優勢。一方面，成骨不全患者骨骼結構異常，利用3D打印的等比模型有利于醫生術前進行模擬，確定手術方案、熟悉手術操作，在臨床操作時規避損傷神經血管等微細結構，同時縮短手術時間，減輕患者術中痛苦以及術中所受輻射[10]；另一方面，醫生可利用3D打印制作的模型向患者講解病情，提前告知手術過程讓其做好心理準備，這種醫患溝通[11]的過程有利于減少因患者缺少對病情的正確認知產生的醫患矛盾，提升患者的滿意度。

2 3D打印對成骨不全治療的具體臨床應用

2.1 骨折

成骨不全患者由于骨密度下降易引發脆性骨折，即生活中在輕微外力下發生骨折。脆性骨折常見于脊椎、肱骨近端、橈尺骨遠端和髖部[12]，其他部位也偶有發生。發生髖部骨折的患者在一年內死于各種并發癥的比例高達20%，脆性骨折極大降低了成骨不全患者的生活質量，帶來巨大的家庭壓力。

當前我國醫生在骨折治療中提倡四大原則，即正確的復位、良好的固定、積極的功能鍛煉和內外辨證用藥。國內研究證實，3D打印技術在手術的內固定操作中可以發揮重大作用。李豹等[13]將收治的84例髖臼骨折患者分成采用經驗性手術治療的對照組和應用3D打印骨折模型術前輔助橋接組合內固定治療的觀察組，比較發現觀察組的術中出血量、手術時間以及術中透視次數明顯少于對照組，提示3D打印技術能有效提高手術效率。李昌杰等[14]將60例橈骨遠端患者分為3D打印組和對照組，前者通過觀察利用3D打印技術等比制作的骨折模型進行手法復位，后者直接手法復位小夾板固定，跟蹤比較臨床療效發現，3D打印組在術后2月的腕關節功能評分、患肢疼痛改善、腫脹消除等方面均優于對照組，提示利用3D技術制作骨折模型有利于設計最佳手術方案指導骨折復位、減輕患者痛苦。此外，呂繼連等[15]研究發現，在處理下頜骨骨折時，3D打印技術聯合三維重建也有助于手術效果的優化和病人術后的恢復。

2.2 脊柱變形與關節脫位

脊柱側凸或后凸畸形是成骨不全患者骨骼X線影像學的主要特征之一。成骨不全患者的骨質遭到破壞，骨強度降低，在正常活動時受力可能引發脊柱變形或者關節脫位。關節脫位時，關節處疼痛劇烈，關節的正常活動喪失甚至出現畸形。關節脫位的損傷可累及關節囊、韌帶、關節軟骨及肌肉等軟組織[16]，若不及時復位，不僅對患者行動帶來極大不便，甚至可能損傷神經脊髓誘發癱瘓。脊柱畸形常使患者表現出駝背、姿勢不對稱等癥狀，對神經、呼吸、消化功能等造成一定的損傷[17]。當保守治療無效或療效不佳時，須采用手術手段進行矯治。上頸部、腰骶部等區域解剖結構復雜，手術風險較大，如置入椎弓根螺釘固定脊柱時，若不結合患者個性化的影像學資料進行模擬與評估，有可能對患者造成致死性的神經血管損傷。

國內林軍華等[18]比較發現，3D打印模型輔助后路螺釘內固定術治療可復性寰樞椎脫位療效顯著，3D打印組術后VAS評分顯著低于對照組，證實3D打印技術在脊柱外科有廣闊的應用前景。而國外報道中，Lu等[19]將3D打印導航模板運用于脊柱側彎患者的矯形治療，有效提高了引導螺釘軌跡的準確度，降低了術中螺釘置入偏差率。Lin等[20]用針對患者情況個性化3D打印的截骨工具切除骶骨神經鞘瘤，術中切緣定位效果良好，跟蹤發現患者術后兩年無不良情況。相對于脊椎手術中傳統的CT計算機輔助導航，3D打印技術輔助導航能有效縮短手術時間，降低患者術中所受輻射量。

2.3 創傷性關節炎

成骨不全患者發生嚴重的或反復的關節內骨折時，可能由創傷引起關節軟骨的退化變性和繼發的軟骨增生、骨化，即導致創傷性關節炎或稱損傷性骨關節炎。根據患者的不同情況，可采用關節清理術、截骨術、閉孔神經切除術、關節融合術、關節成形術等手段進行對癥治療。對于疼痛嚴重、關節破壞嚴重的患者，可實施人工關節置換術。

國內陳擁等[21]研究發現，術前使用3D打印技術制作1：1模型和截骨導板，行全膝關節置換手術時間更短、病患出血量更少，同時術后膝關節HSS評分出現明顯增高。這一結果，與劉金輝等[22]、袁偉等[23]的報道相吻合。利用3D打印三維成像技術制作的截骨模板貼合每個患者的個性情況，同時術前利用計算機測定了截骨量和截骨角度，規避了術中多次使用髓內外導向器導致手術時間過長患者失血過多的問題。目前國外將3D打印技術應用于創傷性關節炎的對癥治療的相關報道較少，有待進一步與國內進行比較。

2.4 心臟瓣膜病變

成骨不全可能累及患者結締組織誘發心臟瓣膜病變。瓣膜病變的類型通常是狹窄或者關閉不全，會阻礙正常的血液流動，增加心臟工作負擔，從而誘發心臟功能損害，導致患者出現心力衰竭的癥狀。心臟瓣膜病變的治療包括內科治療（藥物治療）、外科手術治療和介入治療。藥物治療主要起預防和控制作用，對病變瓣膜的機械性損傷無明顯效果，傳統外科手術包括開胸、體外循環等操作，風險性較高，而隨著醫影技術的更新，介入治療受到廣泛關注。

國內研究中，黃海等[24]通過3D打印技術制作等比冠脈模型，用于不停跳冠狀動脈旁路移植術的圍術期規劃，手術獲得良好效果。國外，Olivieri等[25]將3D打印應用于制定復雜先天性心臟病的介入治療中，通過術前模擬對導管和封堵器等手術器械進行精確選擇，有效提高了手術效率。Moore等[26]為患有左鎖骨下動脈遠端主動脈弓中斷合并動脈導管未閉的7 d大新生兒構建了3D模型，術前確定了吻合升主動脈與間隙的手術方案，使手術成功進行。此外，哈佛大學Wyss研究所于2018年報道開發了一套有別于傳統的3D打印工作流程，將生成的數字小葉模型和CT數據進行合并調整，在三維印刷閥門模型中使用多材料設計，有助于預測心臟瓣膜的泄露情況。

2.5 耳聾

骨脆癥、耳聾、藍鞏膜統稱為Van der Hoeve綜合征，是成骨不全患者的典型特征[27]。成骨不全引發耳聾的原因主要是聽神經受壓和耳硬化。雖然目前國內外對成骨不全患者的耳聾治療相關論述較少，但鐘靜等[28]研究顯示，在耳缺損修復手術中，術前建模中利用3D打印技術重建缺損耳的立體結構指導耳廓支架的雕刻，減少了手術次數并且提高了手術成功率。同時，采用天然生物材料和高分子材料3D打印的外耳廓支架內部結構精細，取代了選材自患者自體肋軟骨的傳統方法，減輕了患者的術中痛苦和愈合壓力，提示3D打印技術或對治療成骨不全患者的耳聾有一定作用。

3 總結與展望

本文綜合評述了3D打印技術在對成骨不全的骨折、脊柱變形關節脫位、創傷性關節炎、心臟瓣膜病變及耳聾等一系列臨床表征的對癥治療中的應用。基于影像學數據制作的等比模型和手術器械相比于傳統手段更貼合成骨不全患者復雜畸變的骨骼結構，有減輕患者疼痛、降低手術難度、促進術后恢復的顯著優勢。從全局來看，3D打印技術的應用正得到越來越多的醫生的認可和推廣。特別是當前在我國骨科向“精準醫療”[29]發展的趨勢下，3D打印技術在成骨不全這一類骨病的治療中應當具有更廣闊的應用前景。然而，作為一種新興技術，3D打印技術在臨床工作中的應用也受到很多因素的限制。較高的生產成本增加了患者家庭的經濟壓力，復雜的三維系統操作為部分醫生群體帶來困擾，處理不當時可能出現模型與原數據有較大差異[30-31]，影響手術方案的制定。但隨著材料科學和影像技術的發展，3D技術必然日益成熟，對臨床尤其是骨科的診療做出更大貢獻。