3D打印在骨科畸形矯正中的應用

方加虎,薛鎧嘯

南京醫科大學第一附屬醫院,江蘇省人民醫院骨科,南京 210029

3D打印技術即增材制造是基于實體自由成型制造(solid freeform fyabrication，SFF)這一技術構建復雜的生物醫學設備。該技術最初是作為術前可視化模型使用，慢慢演變為創建獨一無二的先進設備、植入物、組織工程支架、診斷平臺與藥物輸送的系統。在微觀領域，其可以將細胞、生物材料與分子精準放置在預定的空間位置，如在組織工程支架中引入適當的生物分子或生長因子，亦或將干細胞與定制的3D支架結合；在宏觀領域，其可以運用金屬粉末、塑料、新型生物材料(如凝膠、細胞或生長因子等混合材料)等，實現組織與器官的替代甚至再生。

組織工程領域的飛速進步，使制造越來越復雜的三維結構成為可能，包括攜帶多種細胞類型、細胞外基質和生物活性刺激物的支架。3D技術在構建組織和器官方面的進展，包括心臟瓣膜、軟骨、骨、心肌組織、氣管和血管，尤其在骨科領域中的應用顯得愈發重要與契合。本文就3D打印技術在骨科畸形矯正方面應用的現狀及進展進行闡述。

1 3D打印的技術工藝

1.1概述 自20世紀80年代問世，到近十年的飛速發展，3D打印技術被譽為“第二次工業革命”，該技術廣泛應用于醫療的各個領域，通過計算機輔助設計讀取影像數據，經處理后轉化為三維結構的圖像，再連接打印機，運用金屬粉末、塑料等材料將實物打印出來并黏合成型。

在制造個性化物品，例如能夠與患者匹配的假肢、骨骼、牙齒、血管等領域有著獨特優勢的SFF技術是目前研究最廣泛的3D打印技術，其根據成型材料的不同成型技術主要有五種: 三維打印技術(three dimensional printing，3DP)、熔融沉積制造(fused deposition modeling,FDM)、光固化立體成型(stereo lithography apparatus,SLA)、選擇性激光燒結/熔化(selective laser sintering/melting,SLS/SLM)、3D繪圖/直接寫入生物打印(3D plotting/direct-write bioprinting)[1]。五種成型技術各有優劣，可根據實際需求選擇，但由于3DP起步較早，且選材相較其他四種技術更為廣泛靈活，有著可直接控制微觀結構(即孔徑)和宏觀結構(即整體形狀)的優勢，因此該技術選用相對較多，應用更廣。另外，SLS技術近年來也應用廣泛。

由于對手術效果與術后恢復的期望不斷增加，因此對3D模型的功能提出了更高的要求與標準—支架的放置能夠部分或完全替代術后給藥，直接促進患處的愈合。目前來看，能夠攜帶藥物與生物制劑的多孔支架將是日后3D打印在骨科領域的發展方向，因此，在材料選擇方面更為靈活、能夠直接進行細胞結合的3D 繪圖/直接寫入生物打印或許會成為未來3D打印成型技術應用的關鍵。

1.23D打印技術的比較 3D打印技術種類繁多，包括眾多已建立及尚處于實驗階段的技術，每項技術均有優缺點。見表1。

表1 醫學領域使用的3D打印技術的比較

2 3D打印在骨科畸形矯正的應用

2.1骨科畸形定義 骨科畸形是指發生于骨、關節或軟組織的畸形，給患者帶來的不僅僅是外觀與正常人的差異，同時伴有肢體的功能障礙，造成骨組織腔室(胸腔和盆腔)器官的發育異常，從而導致呼吸、循環系統功能異常。長時間的畸形還會造成患者的心理障礙，導致患者的生活質量嚴重下降。

畸形的治療即矯形，畸形矯正雖屬于骨科范疇，但有別于傳統骨科，所以矯形醫師需要從傳統骨科的思維跳出，通過一門全新、標準化、簡潔化的通用語言此來分析和評估畸形，從而為治療提供指導。Paley[2]在總結前人經驗的基礎上，將畸形矯正領域內的名詞標準化、簡潔化，總結出了一套獨有的矯形原則，被國際廣泛接受，已成為畸形分析和矯正的通用語言。

對于畸形，通常將其分為三維六軸，三維指冠狀面、矢狀面以及軸向面；但僅僅三個平面無法描述臨床上復雜的畸形，因此，六軸(以x、y、z軸為基準而誕生的傾斜矢量)應運而生，總計6個畸形參數，通過3個投影角度(旋轉)和3個投影的位移(移位)全面表達畸形的特征。復雜的畸形通過在六個軸上的3次移位加上3次旋轉復雜再定位，可以清楚地描述畸形的來源與程度，更方便對患者的畸形進行治療干預，從而改善乃至解除其痛苦。

2.2矯形治療及存在的問題 在傳統骨科領域，為方便區分畸形，將其分為先天發育異常型與后天繼發型。以后天繼發型常見，多繼發于創傷、感染、退行性病變等，其中以創傷后畸形最為復雜嚴重。其畸形角度大，畸形復雜往往不限于單平面(冠狀面)，而是復雜的三維畸形(冠狀面、矢狀面、軸向面)，單一平面畸形少見。復雜的畸形處理比較棘手。矯形方案過于復雜無法在臨床上實施，但矯形方案簡單卻又導致矯形效果不佳。因此對于復雜畸形的矯正治療，從手術前評估、手術方案的設計，到矯形方案的實施都充滿挑戰性。

矯形治療中，需要根據矯形原則，將復雜的畸形分割成三個平面(冠狀面、矢狀面及軸向面)，通過幾何分析制定矯形計劃，緊接著是矯形旋轉中心、截骨面、截骨角度和幅度的選擇以及開放性或閉合性截骨的選擇等。雖然有二維或三維圖片進行術前參考，但只有在手術實際操作時才能看到結果。借助3D打印技術對畸形進行更加直觀和精確的評估，對畸形的矯正計劃進行更加細致和快捷的制定，使得對矯形的預期結果能夠提前預知，從而大大降低矯形的難度，增加矯形的安全性。

另外，Paley矯形原則可以完美理解和計劃從髖關節到足部的整個下肢畸形的矯形手術，但其尚未擴展到上肢、脊柱、骨盆以及額面部這些領域的矯形，該領域的矯形理念與原則，同樣可以通過3D打印技術來輔助進行評估和治療，從而加深對畸形細微特征的理解，降低肢體重建的難度。

2.3臨床應用

2.3.1術前規劃：認識復雜畸形的細微特征，模擬手術。3D打印技術近年來被用于制定各種復雜手術的術前計劃及手術操作練習。矯形外科對臨床經驗要求很高，熟練的矯形醫師可以將二維平面圖像在腦海中轉換為三維立體圖像進行規劃，再將規劃好的細節輸出在二維平面圖像。而3D打印可以直接根據患者術前影像學資料(CT、MRI等)，精確地打印手術區域解剖結構，顯得更加直觀。憑借3D實體模型、復雜的畸形形態特別是關節內畸形的具體情況，展現真實的觸覺與視覺輔助，一目了然(圖1、2)。不需要術中大范圍暴露病灶位置即可在術前便做出精確的診斷，制定出較傳統方法更為詳細的手術方案，提前評估術中可能出現的風險，并通過在實物模型上模擬手術[3]，從而縮短實際的手術時間，提高手術成功率，減少術中出血量[4]。

圖1 脛骨平臺(Schatzker IV)骨折后畸形實體模型與三維重建對比圖：三維重建雖能直觀呈現畸形形態，但無法從各個角度清楚展現4個畸形骨塊；a、b.實體模型俯視觀與正面觀：可單獨觀察每一塊機型骨塊；c、d.CT三維重建后面觀與正面觀：可清楚看見脛骨結節骨塊，但無法直視其余3個畸形骨塊，通過三維重建只能判斷出有4個畸形骨塊

圖2 脛骨平臺(Schatzker Ⅳ)骨折后畸形3D實體模型旋轉觀。a～f.自后方到前方順時針旋轉480°：通過視覺與觸覺的聯合輔助，有助于進行科學的術前以及手術入路規劃

Buijze等[5]將3D打印技術應用于22例上肢長骨的畸形矯正，在完善術前規劃之后進行手術。結果證明，可準確矯正畸形，提高臨床療效和手術準確性，患者均獲得滿意的矯形結果，且在術后的DR中證實。另外，在復雜的創傷后畸形中，膝關節的畸形往往涉及三個平面的移位與成角，難以處理。Shi等[6]利用SLS技術打印出術前和術后截骨術的切割導向器、鎖定導向器和股骨遠端3D實體模型，在術前進行手術模擬。結果表明，與常規組比較，3D打印組手術時間縮短近30min，術中透視圖像減少多達30張，以上結果差異均有統計學意義(P<0.001)。這充分表明精確顯示手術區域解剖結構的3D實體模型在指導復雜畸形手術中具有優勢。因此，通過3D打印實體模型進行術前規劃，在實際手術操作中，可以選擇恰當的入路從而正確地手術，借此顯著減少術中透視次數，縮短手術時間，減少軟組織損傷，以便患者的愈合和功能恢復[7-10]。

2.3.2模擬手術及手術導航模板設計:在進行復雜的矯形手術時，以往矯形醫師多通過患側與健側的DR測量畸形程度，以初步規劃與確定截骨的部位與角度，術中還需要充分暴露截骨部位、多次透視以及調整截骨角度以達到理想的結果。但又因患者的個體差異，會出現術前未曾預料的結果。如今應用3D打印技術，通過預先載入的患者相關影像數據，制備1∶1的3D實體模型來進行完善的術前規劃、模擬手術，術前便可選擇合適的截骨部位與角度以及內固定鋼板、對鋼板進行個體化的塑形。在實際手術過程中，使用個體化手術導航模板，根據解剖位置實現精準導航，減小截骨角度的誤差[11]；提高截骨精確性與斷面匹配程度，有利于截骨端愈合；同時導板的應用降低了截骨術的門檻，縮短術中透視次數與手術時間，對缺乏臨床經驗的年輕矯形醫師很有幫助[12]。見圖3、4。

圖3 3D實體模型上進行模擬手術與術前規劃。a.確定截骨平面;b.復位鉗臨時固定;c.調整截骨角度;d.預彎鋼板進行內固定;e.觀測矯形術后的角度

圖4 術前與術后(模擬手術)比較圖，通過比較，驗證術前矯形規劃方案的可行性與準確性。a、b. 正面圖；c、d. 側面圖。

但個體化手術導航模板除了這些優勢之外，也有其局限性。一方面，術中導板放置的前提是主刀醫師能夠準確定位術前制作導板時所定位的解剖位置，這通常需要一名經驗豐富的臨床醫師進行分辨、定位再放置。另一方面，導板放置不可避免地要增大傷口暴露范圍，剝離更多軟組織，其對術后影響目前鮮有文獻報道。但筆者在長期臨床工作中發現這會使患者短期內傷口疼痛與腫脹更為明顯，雖不會影響傷口拆線時間，但顯著增加患者愈合期間的不適。

因此，對于復雜難處理的骨盆或四肢畸形，導航模板是最佳選擇。例如上肢畸形中，由于尺橈骨與股骨的解剖特點，術前制作導板中，通過鏡像翻轉對側健側上肢，可以獲得患側上肢正常的無畸形狀態。Takeyasu等[13]通過30例肘內翻畸形患者治療中應用3D打印截骨導板用于指導矯形手術，并在術后進行了至少12個月的隨訪，結果證明患者術后平均4個月即有骨性愈合；術后患側平均肱骨-肘-腕角由術前的內翻18.2°改善到外翻5.8°，傾斜角由術前的25°改善至38°；同時所有患者肘關節過度伸展和肩部內旋均恢復正常，僅有1例在隨訪中觀察到早期鋼板斷裂，1例出現輕度的內翻畸形復發。

2.3.3個體化內植物的制作和置入:目前，應用于臨床的內植物多是為處于人群正態分布中段的患者設計的標準規格，使得處于正態分布兩端的患者難以獲得與自己適配的內植物，加上畸形的種類眾多，術中的多次塑形與調整勢必會增加手術的難度，透視次數與手術時間也隨之上升，因此，發展個體化內植物勢在必行。

近年隨著3D打印技術在分辨率與精細度上的進步，根據患者實際情況來定制個體化內植物不再是難題。Wang等[14]通過3D打印定制內植物治療Charcot踝關節畸形。術中應用個體化內植物的原材料多為聚醚醚酮和鈦合金，后者廣泛應用于接骨板、人工關節假體及脊柱植入物。3D打印的內植物較傳統內植物，不僅克服形狀不匹配的缺點，同時因為其超高的匹配度，減少了內植物-骨間接觸點的應力遮擋[15]，從而獲得傳統內植物不具有的結合強度與初始穩定性。另外，個體化內植物的孔隙結構有利于軟組織附著，誘導長期骨長入，對骨愈合有較好的效果[16]。術中3D打印鈦合金腕關節假體治療在嚴重手腕部創傷致畸形的患者中不僅消除了畸形在外觀上帶來的差異，還擁有比傳統融合術更好的解剖復位與功能恢復[17]，滿足患者對手術療效高期望的同時，也滿足了廣大矯形醫師對手術的高標準要求。Rob等[18]通過比較干預組與對照組各7例的病例研究，通過4年的隨訪，得出了3D打印內植物減少了與不適相關的內植物取出的情況，反過來又可以降低成本。因此，采用3D打印個性化內植物是行之有效的方法，而且早中期隨訪也證明其可獲得可靠的臨床療效。

2.3.43D模型應用于教學—理解運動系統的復雜空間結構:畸形矯形專科領域存在入門難的現象，教學醫院的臨床教學工作常常難以順利開展。但Manganaro等[19]在對外科實習生的教學中，發現3D 打印技術制備的模型有利于提升年輕醫師的認識，完善術前規劃的同時，可用于培訓新人。教學者還可以通過3D實體模型來更直觀地呈現畸形程度，并講解各類描述畸形的數值。手術之外，3D的實體模型能直觀展示解剖結構及病變特點,這樣在臨床教學進程中，可以激發學生的學習興趣，加深學生對疾病的認識。Wu等[20]將健康頸椎、胸椎和腰椎的CT圖像與其各自的3D打印模型進行比較，發現3D模型與實際解剖部位相比細節呈現較好，具有較高的解剖相關性。

筆者認為，復雜的骨折必定伴有畸形，其增加診斷、分析、治療的難度。Lim等[21]在教育骨科住院醫師時，設計了15個隨機測試站，每站包含DR、CT以及3D實體模型。41名醫師在對髖臼骨折的辨別與分類中，運用3D實體模型之后結果顯著精確，并且由于3D模型帶來的直接觸覺與視覺反饋，醫師們更偏向于運用3D實體模型。這證明3D模型大大降低骨折分型上入門者經驗與技術上的欠缺，一定程度上降低畸形帶來的診斷難度。

3D打印技術有助于年輕醫師的臨床教學訓練，其制備的實體模型有效地呈現畸形形態，更直觀、具體、全面地將整體形態及解剖結構呈現，提高醫師對復雜畸形空間解剖結構的理解,縮短青年醫師的學習曲線，可有效彌補術者經驗不足的缺點，完善矯形治療方案，有效預防相關并發癥發生。

2.3.5多孔支架的設計和植入治療骨缺損:感染、創傷等因素造成的大段骨缺損與畸形截骨這類患者的術后，恢復與愈合依舊是一個難題。骨移植的術后并發癥、以及矯形手術所帶來的巨大手術創傷，都是患者恢復過程中的阻礙。

通過3D打印設計的支架具有生物活性、生物吸收性，或可促進組織生長，或可誘導骨形成和血管化，這些支架通常是多孔的，由含有不同生長因子、藥物、基因或干細胞的可生物降解材料制成。與傳統支架相比，不僅保留傳統支架與患者患側解剖區域個性化的匹配這一優勢，還可以攜帶生物活性因子與細胞以獲得更好的愈合效果。

Zhang等[22]應用浸漬法制成的載銀納米氧化石墨烯，制造出了一種新型多孔支架，在抑菌實驗評估中，證實其具備優秀的抗菌能力。將其同兔的骨髓基質細胞共同培養,發現成骨基因與堿性磷酸酶活性均有顯著提高。Dong等[23]依靠3D打印定制Mg/PCL復合支架(鎂微粒包埋的PCL基支架)，并分別觀察體外細胞培養與體內骨再生的方式，得出該新型支架比普通PCL基支架更好的生物相容性、生物礦化能力和生物降解性，在成骨和血管生成活性以及新骨形成能力方面更具優勢。

3D繪打印技術的最新進展中，允許在制造過程中同時印刷制藥和生物制劑。Markstedt等[24]通過以軟骨細胞與納米材料等制備的生物墨水打印出半月板及人耳，經過1周的培養后，證實仍具備86%的細胞活性。Zhang等[22，26-27]還通過擠壓4℃的細胞-海藻酸鹽溶液到-10℃的環境中，打印出高密度的細胞水凝膠，從而形成一個可承載細胞的結構。海藻酸鹽交聯到CaCl2溶液中，可以增加其結構強度。同時人骨髓間充質干細胞和人成骨樣細胞經處理后，細胞活性仍良好。最后，交替沉積軟骨細胞凝膠液滴(海藻酸鹽或脫細胞細胞外間質生物墨水)和PCL來構建一個承載細胞的多孔支架。可見，3D打印技術在給再生醫學和組織工程領域帶來革命性的變化——構建適合細胞生長和血管形成的生物兼容支架[28]。目前這些成果還處于實驗室中，尚未進行臨床試驗，仍需要更加深入的研究。筆者相信將來攜帶各類生長因子與細胞的多孔支架必定可以在臨床大范圍投入使用，為骨缺損的患者帶來福音。

2.3.6提升與患者及家屬溝通滿意度：3D打印技術制備的實體模型不僅可以應用于臨床教學與手術規劃，也可以將抽象的平面影像具體化、實物化，讓患者及家屬直觀、深入地了解。林鋼等[29]在10例復雜股骨髁上骨折中，術前通過3D模型與患者及家屬進行溝通，使患者及家屬理解力與滿意度有明顯的提升，醫患雙方達到良好的溝通效果。畸形矯正領域也應當進行嘗試與應用。

3 小結與展望

3D打印技術作為一種新型的快速成型技術，與醫學的結合帶來了傳統醫療無法替代的優勢，其在專科領域中，無論是術前、術中以及術后都發揮著不同以往的作用，為矯形醫師在進行疾病診斷、術前規劃設計、術中導航、內植物定制、臨床教學等方面提供了一種新的途徑。

3D打印技術仍然存在著不足，目前為止，3D打印定制內植物的強度與孔隙性無法同時到達一個高度，以及術前準備時間過長。同樣，在實驗室中的多孔支架，雖已開始進行攜帶生長因子與干細胞的嘗試，但均未取得更好的突破，無法到達開展臨床試驗的程度。因此3D打印技術仍然存在著高成本、高耗時、髙技術要求以及分辨率依舊存在上限偏低等缺陷，這要求影像學、生物工程、生物材料等學科的發展和3D打印技術的進一步成熟。

另外，尚無文獻明確報道3D打印輔助截骨術下肢力線優于傳統截骨方法，需要進一步加大樣本量以證明。3D打印技術給醫學帶來了革新與進步，并提出更高的要求：醫師們要與工程師深入合作，提供本專業的意見；解決應用3D打印技術治療患者的長期隨訪等問題；進一步健全3D打印技術應用的相關法律法規及指南共識；醫師們也要主動學習并運用新興技術，才能進一步推動該技術的發展與進步。

作者貢獻聲明：方加虎：文章撰寫和指導、審閱及修訂；薛鎧嘯：文章起草、文獻檢索及修訂