3D打印技術(shù)在全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中的臨床應(yīng)用研究進(jìn)展

董佳鑫，鄒強(qiáng),，湯文麗，王洪，徐昌超，申智敏，段宜強(qiáng)

1.貴州醫(yī)科大學(xué) 臨床醫(yī)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550004；2.貴州醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院 a.骨科；b.甲狀腺外科，貴州 貴陽(yáng) 550004

引言

3D打印技術(shù)又稱(chēng)為三維打印或增材制造，是指利用塑料、陶瓷或金屬等材料將影像資料轉(zhuǎn)為數(shù)字模型文件再制造成實(shí)體物件[1]，包括將材料逐層沉積，逐步構(gòu)建固體模型，它使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，將必要的信號(hào)傳輸?shù)?D打印機(jī)，然后該打印機(jī)將計(jì)算機(jī)化的數(shù)字模型轉(zhuǎn)換為二維部分，從而生成實(shí)體層來(lái)建立所需的對(duì)象[2]。

全膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)（Total Knee Arthroplasty，TKA）是目前治療終末期膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎最有效的方法之一，它可以減輕患者的疼痛，重建下肢關(guān)節(jié)力線(xiàn)，恢復(fù)關(guān)節(jié)功能[3-4]。近年來(lái)，隨著3D打印技術(shù)的出現(xiàn)及在TKA中的逐步運(yùn)用，它利用CT及MRI影像資料，在術(shù)前打印三維立體模型，通過(guò)輔助術(shù)者觀察細(xì)微骨性結(jié)構(gòu)、明確骨缺損量及部位、術(shù)前手術(shù)模擬、決策最優(yōu)手術(shù)方案，從而縮短手術(shù)時(shí)間，減少創(chuàng)傷，增加脛股關(guān)節(jié)截骨的精準(zhǔn)度[5]。本文旨在闡述3D打印技術(shù)的發(fā)生與發(fā)展，通過(guò)對(duì)3D打印技術(shù)在TKA中的應(yīng)用方面的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，并分析3D打印技術(shù)在TKA中的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，以期為3D打印技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域的研究提供一定的理論依據(jù)。

1 3D打印的發(fā)展

20世紀(jì)80年代早期，Hull[6]發(fā)明了3D打印技術(shù)，并將其描述為立體光刻，或?qū)⑦B續(xù)的材料層相互疊加起來(lái)進(jìn)行“打印”，以創(chuàng)建一個(gè)3D物體，它最初廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、航空航天、建筑等工業(yè)領(lǐng)域。近十年來(lái)，3D打印開(kāi)始應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，并得到迅猛發(fā)展，應(yīng)用越來(lái)越廣泛[7]。3D打印醫(yī)療模型和個(gè)體化醫(yī)療器械最先被應(yīng)用于臨床及醫(yī)學(xué)教育，解決了傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)教育模式因人體標(biāo)本缺乏造成的困難，促進(jìn)了醫(yī)學(xué)教育的發(fā)展，并使精準(zhǔn)化、個(gè)體化醫(yī)療成為可能[8-9]。通過(guò)不斷的技術(shù)革新，3D打印技術(shù)已能成功搭建組織工程支架，并可攜帶特定靶向藥物對(duì)疾病進(jìn)行治療，同時(shí)有研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)3D打印所搭建的骨組織支架，可根據(jù)骨缺損形狀的不同進(jìn)行定制，并且生物相容性及抗壓能力均優(yōu)于正常骨組織，抗骨折能力比正常骨高22倍[10]。對(duì)于因創(chuàng)傷、腫瘤或解剖異常造成的關(guān)節(jié)周?chē)侨睋p，在使用批量生產(chǎn)的內(nèi)置物時(shí)，貼合度較差，術(shù)后并發(fā)癥較多，但3D打印運(yùn)用于骨科領(lǐng)域后，取得明顯成效，初步集中于骨折、骨不連、畸形和骨、軟骨和軟組織重建[11]。

3D打印技術(shù)利用患者CT或MRI影像學(xué)資料，通過(guò)電腦模擬出骨缺損部位及構(gòu)造，根據(jù)患者解剖需要打印出符合患者解剖結(jié)構(gòu)的個(gè)性化置入物，大大提高了骨面與內(nèi)置物的吻合度[12]。3D打印可以制造出人體需要的組織，并使組織功能得以恢復(fù)，這是再生醫(yī)學(xué)的一個(gè)重要組成部分。3D打印已經(jīng)在皮膚、膀胱、尿管和血管相關(guān)方面取得了一定的成效，且這些打印的組織有望成功植入患者體內(nèi)[13]。

2 3D打印在全膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)中的應(yīng)用進(jìn)展

2.1 3D打印與膝關(guān)節(jié)模型

2.1.1 醫(yī)學(xué)教育

膝關(guān)節(jié)解剖是關(guān)節(jié)外科醫(yī)師診療的基礎(chǔ)，也是手術(shù)成功最基本的保障。以往疾病的圖譜講解、影像學(xué)圖片識(shí)別等不能全面顯示膝關(guān)節(jié)三維立體情況，且難以理解和記憶。目前醫(yī)學(xué)教學(xué)模式仍主要利用人體標(biāo)本進(jìn)行教育，這也是醫(yī)學(xué)生在學(xué)習(xí)人體解剖學(xué)知識(shí)和訓(xùn)練動(dòng)手操作技能過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)。但近年來(lái)統(tǒng)計(jì)表明，遺體捐獻(xiàn)登記人數(shù)僅占我國(guó)人口總數(shù)的0.01%，且實(shí)際捐獻(xiàn)的遺體數(shù)量?jī)H占登記人數(shù)的4%～20%[14]。然而隨著醫(yī)學(xué)院校擴(kuò)招，醫(yī)學(xué)生源數(shù)量逐年增加，人體標(biāo)本教學(xué)需求量也隨之增多，遺體捐獻(xiàn)數(shù)量與需求量比例失調(diào)，導(dǎo)致人體標(biāo)本匱乏，嚴(yán)重制約了人體解剖學(xué)教育和相關(guān)研究的開(kāi)展，阻礙了醫(yī)學(xué)教育的發(fā)展。

準(zhǔn)確和高質(zhì)量的三維人體病理標(biāo)本打印較容易實(shí)現(xiàn)，模型還可以做成多種顏色標(biāo)識(shí)，用于區(qū)分不同的組織（血管或病理/健康組織），有利于本科和研究生的教育和實(shí)踐[15]。McMenamin等[16]報(bào)道3D打印模型與人體標(biāo)本的準(zhǔn)確性一致，它可以快速生產(chǎn)任何尺寸規(guī)模的任何解剖標(biāo)本的多個(gè)1∶1解剖模型，更重要的是，它避免了一些文化和倫理問(wèn)題。同時(shí)，3D打印模型可以為外科醫(yī)生提供可視化全3D細(xì)微解剖結(jié)構(gòu)，使醫(yī)生更加準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)病理結(jié)構(gòu)，縮短學(xué)習(xí)周期[9,17]。Javaid等[18]研究表明，3D打印可作為視覺(jué)和觸覺(jué)輔助工具，全面用于理解視覺(jué)和觸覺(jué)刺激的原生解剖，用于學(xué)生、外科醫(yī)生的學(xué)習(xí)和教學(xué)。Hurson等[19]研究表明，3D打印作為輔助臨床實(shí)踐的工具，有助于理解復(fù)雜病理結(jié)構(gòu)，這充分表明，這種三維模型有助于醫(yī)師對(duì)TKA過(guò)程和關(guān)節(jié)自然解剖充分了解。

2.1.2 醫(yī)患溝通

TKA對(duì)患者而言是一種心理應(yīng)激，因此術(shù)前有效溝通至關(guān)重要[20]。由于醫(yī)生和患者的醫(yī)學(xué)信息存在嚴(yán)重不對(duì)等，術(shù)前術(shù)者單純依靠圖譜、影像學(xué)資料等二維圖片向患者及家屬進(jìn)行疾病及手術(shù)操作的介紹，患者及家屬往往難以理解，進(jìn)而增加了溝通的難度。而利用可視化及具有觸感的3D打印膝關(guān)節(jié)模型，通過(guò)“沉浸式”體驗(yàn)，術(shù)者可向患者及家屬更直觀地展示膝關(guān)節(jié)的三維解剖結(jié)構(gòu)及操作步驟，為患者清楚地展示計(jì)劃中的手術(shù)操作步驟及復(fù)雜性，并可根據(jù)患者自身情況，有針對(duì)性地進(jìn)行術(shù)前教育[21]。這大大降低了醫(yī)患溝通的困難度，減少了患者的心理負(fù)擔(dān)，同時(shí)增加了患者的信心。

2.1.3 術(shù)前計(jì)劃

3D打印模型有潛力作為醫(yī)生的視覺(jué)和觸覺(jué)輔助工具，允許外科醫(yī)生研究復(fù)雜的病例，在術(shù)前創(chuàng)建類(lèi)似于外科醫(yī)生在術(shù)中觀察到患者的實(shí)際解剖和病理的三維結(jié)構(gòu)，并制定術(shù)前計(jì)劃[17,22]。術(shù)前計(jì)劃包括種植體的大小、所需移植物的數(shù)量和類(lèi)型、截骨部位以及排練模型的程序，以減少術(shù)中意外和風(fēng)險(xiǎn)[23]。研究表明，與傳統(tǒng)影像學(xué)相比[24]，基于個(gè)體化3D打印模型，術(shù)前可以更準(zhǔn)確預(yù)測(cè)股骨和脛骨組件的尺寸，并且術(shù)者可利用現(xiàn)有的模型進(jìn)行手術(shù)可行性操作模擬，從而使術(shù)前規(guī)劃更完善，提高了手術(shù)的準(zhǔn)確性、安全性以及減少手術(shù)時(shí)間。同時(shí)，Wang等[25]發(fā)現(xiàn)通過(guò)使用3D打印模型制定截骨方案并在模型上模擬截骨方案后，使術(shù)中截骨更準(zhǔn)確，提高了重建后膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性。由此可見(jiàn)，術(shù)前使用3D打印模型可以使關(guān)節(jié)外科醫(yī)生更全面了解膝關(guān)節(jié)的解剖結(jié)構(gòu)，同時(shí)有助于規(guī)劃截骨量、角度，提高手術(shù)的準(zhǔn)確性，減少手術(shù)時(shí)間及失血量，使整體手術(shù)效果得到提升。

2.2 3D打印與個(gè)性化截骨導(dǎo)板

目前在傳統(tǒng)TKA過(guò)程中，多數(shù)手術(shù)醫(yī)師仍普遍采用之前國(guó)際認(rèn)可的截骨方案，即股骨遠(yuǎn)端外翻5～7°，脛骨平臺(tái)后傾角度為3°，截骨角度及大小相對(duì)固定，若患者伴有嚴(yán)重的軟骨喪失和膝關(guān)節(jié)畸形，這一標(biāo)準(zhǔn)的符合率將會(huì)大大降低[26]。目前全球范圍內(nèi)主張的是精準(zhǔn)化醫(yī)療理念，需要根據(jù)患者實(shí)際情況進(jìn)行個(gè)性化截骨。

2.2.1 傳統(tǒng)髓內(nèi)定位及計(jì)算機(jī)導(dǎo)航

傳統(tǒng)的TKA手術(shù)主要采用髓內(nèi)外對(duì)線(xiàn)導(dǎo)向器和術(shù)中計(jì)算機(jī)導(dǎo)航輔助對(duì)線(xiàn)技術(shù)。髓內(nèi)定位通過(guò)將定位桿打入股骨髓腔內(nèi)進(jìn)行反復(fù)測(cè)量下肢力線(xiàn)確定截骨，由于定位桿深度及位置變化會(huì)使截骨角度發(fā)生改變，進(jìn)而影響股骨假體安裝角度及大小[27]。髓內(nèi)定位存在手術(shù)時(shí)間長(zhǎng)、失血量多的缺點(diǎn)，若損傷血管，甚至?xí)l(fā)生脂肪栓塞。同時(shí)，它不適用于股骨嚴(yán)重外翻畸形、骨髓腔狹窄、膝關(guān)節(jié)外翻畸形伴脛骨平臺(tái)骨缺損和股骨髁發(fā)育不良等患者[28]。

隨著醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航技術(shù)，進(jìn)一步提升了恢復(fù)下肢力線(xiàn)及旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的準(zhǔn)確性，在一定程度上避免了人為因素所造成的誤差[29-30]。但計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航設(shè)備存在價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜、學(xué)習(xí)周期長(zhǎng)等不足，同時(shí)增加了患者家庭經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，因而未被廣泛推廣運(yùn)用于臨床。

Mahaluxmivala等[31]研究表明，即使是經(jīng)驗(yàn)豐富的手術(shù)醫(yī)師進(jìn)行手術(shù)定位截骨的過(guò)程中，也只能將脛骨對(duì)線(xiàn)誤差＞3°的發(fā)生率降為10%，若術(shù)中定位不準(zhǔn)，會(huì)增加截骨板的磨損，并且不利于術(shù)后關(guān)節(jié)功能的恢復(fù)，導(dǎo)致關(guān)節(jié)假體磨損加劇，增加膝關(guān)節(jié)翻修概率。

2.2.2 3D打印個(gè)性化截骨導(dǎo)板

3D打印在TKA術(shù)中的一個(gè)主要臨床應(yīng)用是制造用于精準(zhǔn)截骨的個(gè)性化截骨導(dǎo)板（Patient-Specific Instrumentation，PSI）。PSI通過(guò)術(shù)前將患者膝關(guān)節(jié)CT或MRI影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)軟件中，并根據(jù)患者個(gè)體情況調(diào)整下肢力線(xiàn)及脛骨接觸面旋轉(zhuǎn)角度打印而成[32]。2006年，Hafez等[33]首次將PSI用于TKA。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)對(duì)PSI不斷改良，使得截骨更準(zhǔn)確，更廣泛運(yùn)用于TKA。在術(shù)中可根據(jù)PSI對(duì)患者進(jìn)行特異性截骨，無(wú)需打開(kāi)骨髓腔，具有減少出血量、降低術(shù)后出現(xiàn)脂肪栓塞風(fēng)險(xiǎn)等優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)證更廣泛[17]，同時(shí)可簡(jiǎn)化手術(shù)操作、縮短手術(shù)時(shí)間、減少術(shù)后引流量、減輕手術(shù)損傷[34]。Nizam等[35]發(fā)現(xiàn)，通過(guò)運(yùn)用3D打印制造PSI能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)股骨和脛骨切除量，優(yōu)化了由精確的骨切除所確定的組件安裝定位，實(shí)現(xiàn)整體對(duì)齊，從而減少誤差，在術(shù)中無(wú)需反復(fù)校正下肢力線(xiàn)，更不用將關(guān)節(jié)假體試模與截骨端重復(fù)對(duì)比，減少了手術(shù)時(shí)間。

Shen等[36]研究表明，與傳統(tǒng)的TKA手術(shù)相比，使用PSI輔助TKA可明顯縮短手術(shù)時(shí)間、降低術(shù)中出血量、降低股脛角，膝關(guān)節(jié)評(píng)分法臨床評(píng)分和功能評(píng)分均顯著增高。同時(shí)，馮大軍等[37]研究也表明，與常規(guī)的TKA手術(shù)相比，采用PSI行TKA可以有效縮短手術(shù)時(shí)間，降低出血量，更有利于患者術(shù)后恢復(fù)。吳迪等[38]研究表明，PSI輔助多半徑假體TKA在重度膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎患者中效果確切，與傳統(tǒng)多半徑假體TKA相比，術(shù)中出血量顯著降低，明顯縮短了手術(shù)時(shí)間，疼痛緩解更明顯，并降低了手術(shù)并發(fā)癥。袁偉鵬等[39]研究也證明，TKA中使用PSI可以簡(jiǎn)化手術(shù)步驟，縮短手術(shù)時(shí)間，進(jìn)而減少手術(shù)創(chuàng)傷，可使患者快速康復(fù)。同樣，陳擁等[34]、顏榮耀[40]、楊凱[41]也證實(shí)了與傳統(tǒng)TKA相比，PSI的應(yīng)用可以明顯縮短手術(shù)時(shí)間、降低出血量，對(duì)TKA起到重要輔助作用。Liu等[42]研究表明，PSI輔助TKA與傳統(tǒng)TKA相比，療效相當(dāng)，并且明顯縮短了手術(shù)時(shí)間，降低了出血量，術(shù)后總引流量也明顯減少，更利于患者康復(fù)。Niu等[43]研究表明，在TKA中使用PSI輔助可以簡(jiǎn)化手術(shù)過(guò)程，提高TKA的手術(shù)精度和療效，明顯縮短手術(shù)時(shí)間，術(shù)后股脛角和矢狀脛骨分量角也明顯更小，使得術(shù)后下肢力線(xiàn)得以恢復(fù)。但有研究者指出，對(duì)于股骨遠(yuǎn)段矢狀面前偏角≥3°的患者，使用參考股骨機(jī)械軸線(xiàn)設(shè)計(jì)的PSI進(jìn)行截骨，可能會(huì)增加股骨前側(cè)皮質(zhì)切跡的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而增加假體周?chē)钦郯l(fā)生的概率[44]。

以上研究表明，與傳統(tǒng)TKA相比，PSI優(yōu)勢(shì)顯著，可以使術(shù)中脛骨和股骨截骨更加精準(zhǔn)，避免了因截骨導(dǎo)致的膝關(guān)節(jié)間隙增大或減小，從而導(dǎo)致關(guān)節(jié)不穩(wěn)。3D打印還可以對(duì)截骨的準(zhǔn)確性進(jìn)行二次校驗(yàn)，確保截骨的準(zhǔn)確性，有利于術(shù)后膝關(guān)節(jié)恢復(fù)。由于術(shù)前已經(jīng)進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)劃，術(shù)中手術(shù)操作簡(jiǎn)便，可明顯縮短手術(shù)時(shí)間，因此術(shù)中感染、出血風(fēng)險(xiǎn)也隨之降低。

2.3 3D打印與個(gè)體化植入物

目前，在骨科手術(shù)中，使用植入物和假體材料來(lái)治療肌肉骨骼疾病已經(jīng)成為普遍現(xiàn)象。然而，通過(guò)器械廠(chǎng)家利用傳統(tǒng)的鑄造及粉末冶金技術(shù)批量生產(chǎn)的骨科植入物和假體的可用尺寸是有限的，不能滿(mǎn)足所有使用條件。為實(shí)現(xiàn)對(duì)特殊患者做到“量體裁衣”的假體，手術(shù)醫(yī)師需不斷探尋新的技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，3D打印技術(shù)為臨床提供了生產(chǎn)特定患者植入物的可能，其中植入物或假體是針對(duì)特定用戶(hù)身體的3D打印，從而限制了針對(duì)普通用戶(hù)“一刀切”的概念[45-46]。

2.3.1 3D打印膝關(guān)節(jié)填充材料

對(duì)于假體翻修導(dǎo)致的骨缺損，傳統(tǒng)的手術(shù)依靠骨水泥進(jìn)行填充，隨著時(shí)間增加，骨水泥與骨組織及假體的相容性逐漸降低，造成假體松動(dòng)，因此，探尋一種既能保證翻修假體的穩(wěn)定性，又能增加組織相容性的材料具有重要意義。Dion等[47]發(fā)現(xiàn)使用新型3D打印鈦增強(qiáng)劑翻修TKA早期的固定穩(wěn)定性?xún)?yōu)于傳統(tǒng)的完全骨水泥翻修TKA，同時(shí)在早期配合施加一定的壓力，就可使假體與骨組織之間固定牢固，且組織相容性也優(yōu)于傳統(tǒng)骨水泥，并可促進(jìn)骨生長(zhǎng)。Restrepo等[48]研究表明，將3D打印的非骨水泥填充物用于TKA中，并在中期隨訪(fǎng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，其非水泥填充物穩(wěn)定性強(qiáng)，持久耐用。

2.3.2 3D打印定制假體

由于脛骨近端及股骨遠(yuǎn)端骨缺損、關(guān)節(jié)嚴(yán)重畸形術(shù)中截骨改變，術(shù)中利用常規(guī)假體很難實(shí)現(xiàn)完美匹配，由于這種機(jī)械匹配不當(dāng)，骨負(fù)荷不足并受到應(yīng)力屏蔽，導(dǎo)致術(shù)后發(fā)生骨吸收，長(zhǎng)期以來(lái)，造成種植體移位、無(wú)菌性松動(dòng)、假體周?chē)墓钦鄣惹闆r發(fā)生。目前，3D打印技術(shù)可根據(jù)患者自身骨缺損情況，設(shè)計(jì)與其匹配的個(gè)體化假體，打印出孔隙大小及間隙受控、與人體骨組織彈性模量匹配、形狀合適及抗疲勞程度優(yōu)化的關(guān)節(jié)假體，從而有效解決常規(guī)植入物與宿主骨組織形態(tài)與力學(xué)不匹配的難題[12]。趙巍等[49]將3D打印的個(gè)性化定制假體用于TKA，他們發(fā)現(xiàn)定制假體能以合適的尺寸和精確的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)解剖結(jié)構(gòu)的完美重建，恢復(fù)關(guān)節(jié)功能。

膝關(guān)節(jié)嚴(yán)重畸形和骨缺損限制了傳統(tǒng)常規(guī)假體的應(yīng)用，既往研究發(fā)現(xiàn)，3D打印膝關(guān)節(jié)假體已廣泛應(yīng)用于膝關(guān)節(jié)翻修所致嚴(yán)重骨缺損的重建，并取得了良好的療效[50]。王順利等[51]應(yīng)用3D打印膝關(guān)節(jié)組配式假體，術(shù)后發(fā)現(xiàn)自體骨可與3D打印袖套和股骨殘端可實(shí)現(xiàn)自體骨長(zhǎng)入，形成皮質(zhì)外骨橋，為假體提供了長(zhǎng)期穩(wěn)定的生物力學(xué)環(huán)境，增強(qiáng)了骨水泥界面的穩(wěn)定性，進(jìn)而延長(zhǎng)假體的使用壽命，重建后膝關(guān)節(jié)功能良好。在膝關(guān)節(jié)翻修術(shù)中，Yin等[52]根據(jù)患者骨缺損情況利用3D打印制造個(gè)體化的多孔隙膝關(guān)節(jié)假體，多孔隙結(jié)構(gòu)可誘導(dǎo)骨長(zhǎng)入，通過(guò)生物力學(xué)測(cè)定發(fā)現(xiàn)，其力學(xué)強(qiáng)度與松質(zhì)骨相似，并且低彈性模量避免了應(yīng)力遮擋，防止骨負(fù)荷不足造成的骨吸收發(fā)生，在術(shù)后隨訪(fǎng)發(fā)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)功能良好。

以上研究表明，使用3D打印技術(shù)生產(chǎn)填充材料及特異性骨科植入物，其3D鈦增強(qiáng)材料與傳統(tǒng)骨水泥相比，優(yōu)勢(shì)明顯。個(gè)性化假體的使用有利于增加骨與關(guān)節(jié)假體的相融性，恢復(fù)原有的生物力學(xué)環(huán)境，延長(zhǎng)假體壽命。

2.4 3D打印與關(guān)節(jié)軟骨修復(fù)

關(guān)節(jié)軟骨損傷修復(fù)一直是骨科領(lǐng)域研究的難題，關(guān)節(jié)軟骨損傷的本質(zhì)是軟骨細(xì)胞分泌的細(xì)胞外基質(zhì)合成與軟骨遭受的破壞力失衡。對(duì)關(guān)節(jié)軟骨微觀結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)，關(guān)節(jié)軟骨無(wú)血管、神經(jīng)及免疫系統(tǒng)，軟骨細(xì)胞代謝活動(dòng)較低，修復(fù)緩慢。即使在關(guān)節(jié)軟骨損傷后，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的自我修復(fù)或通過(guò)傳統(tǒng)的手術(shù)治療方法（如微骨折術(shù)、軟骨下鉆孔術(shù)）等，可形成纖維軟骨，在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與力學(xué)承壓性能方面遠(yuǎn)不如正常軟骨組織，因此療效欠佳[53]。近年來(lái)，科學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，3D打印生物支架為關(guān)節(jié)軟骨損傷修復(fù)帶來(lái)了新的希望。劉曉云[54]利用3D打印技術(shù)構(gòu)建聚己內(nèi)酯加固的網(wǎng)格框架及微孔道結(jié)構(gòu)的丁基殼聚糖-納米短纖維復(fù)合水凝膠模擬關(guān)節(jié)軟骨生存的微環(huán)境及力學(xué)強(qiáng)度，從而靶向調(diào)控人間充質(zhì)干細(xì)胞的分化，通過(guò)3D打印構(gòu)建生物復(fù)合支架與軟骨力學(xué)性能相似，能在體內(nèi)誘導(dǎo)軟骨形成，為軟骨損傷的治療提供了理論依據(jù)。Yang等[55]開(kāi)發(fā)了一種基于適配體HM69介導(dǎo)的MSC特異性刺激軟骨生長(zhǎng)因子并促進(jìn)細(xì)胞軟骨生成3D生物打印雙功能支架，應(yīng)用于全層軟骨缺損的兔模型中，他們發(fā)現(xiàn)該雙功能支架不僅能特異性識(shí)別、結(jié)合并招募間充質(zhì)干細(xì)胞到軟骨缺損部位，還能在體內(nèi)和體外促進(jìn)軟骨分化，極大地改善了軟骨修復(fù)。

軟骨作為人體相對(duì)簡(jiǎn)單和直接的組織結(jié)構(gòu)，較其他人體組織更容易被修復(fù)，通過(guò)3D打印已能成功地重建關(guān)節(jié)軟骨。但局限于打印材料的選擇，材料的降解周期及壓縮模量限制了其在部分組織修復(fù)中的應(yīng)用，尋找降解周期與軟骨再生速度匹配同時(shí)具有力學(xué)支撐的生物材料是未來(lái)的關(guān)注重點(diǎn)。未來(lái)可以向生物3D打印技術(shù)專(zhuān)注于特異性功能選擇或特定區(qū)域的軟骨結(jié)構(gòu)的打印方向發(fā)展，優(yōu)化添加劑，增加組織相容性，以促進(jìn)臨床關(guān)節(jié)軟骨缺損的治療，從而解決軟骨修復(fù)困難的難題。

2.5 3D打印與關(guān)節(jié)假體材料

目前，3D打印技術(shù)發(fā)展迅速，要求醫(yī)學(xué)植入物需要更好地去適應(yīng)患者。在3D打印的概念中，許多制造技術(shù)需通過(guò)附加工藝（線(xiàn)沉積、激光燒結(jié)、電子束熔化等）和制造材料（塑料、金屬等）完成，特別是在骨科領(lǐng)域，通過(guò)使用傳統(tǒng)金屬材料（不銹鋼、鈷鉻合金或鈦）和增材制造技術(shù)（如熔體電子束或選擇性激光熔化）參與實(shí)現(xiàn)定制的植入物，原因?yàn)槭褂眠@樣的材料，可打印出高質(zhì)量的植入物[56]。研究發(fā)現(xiàn)，金屬3D打印材料具有優(yōu)異的生物相容性和強(qiáng)度，因此通常被用于關(guān)節(jié)置換和骨折固定植入物，以促進(jìn)骨愈合[57]。通過(guò)3D打印出的帶微孔金屬膝關(guān)節(jié)墊片，匹配度良好，維持了軟組織及韌帶的張力，并在很大程度上維持了膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性并恢復(fù)膝關(guān)節(jié)功能[58]。然而金屬材料缺乏生物降解性，不太適合骨組織工程[59]。醫(yī)用3D打印工程塑料聚醚醚酮，因具有良好的生物相容性而成為理想的人工骨替換材料，可用于填充膝關(guān)節(jié)周?chē)侨睋p[60]。目前最新研究的用于生物工程材料的生物凝膠，能有效促進(jìn)細(xì)胞黏附和生長(zhǎng)，生物降解性好，可用于藥物的可控釋放[61-62]。對(duì)于因腫瘤導(dǎo)致的膝關(guān)節(jié)置換術(shù)，聯(lián)合使用這種生物材料可能是一種很有前景的腫瘤局部化療藥物載體。

盡管3D打印技術(shù)的進(jìn)步使復(fù)雜膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)的順利完成成為可能，但在膝關(guān)節(jié)組織相容性、關(guān)節(jié)表面光潔度、穩(wěn)定性和力學(xué)支撐功能等方面，創(chuàng)新3D打印技術(shù)和材料的需求仍然在不斷增加，未來(lái)仍需進(jìn)行更深入的研究。

3 小結(jié)與展望

3D打印技術(shù)在TKA中的應(yīng)用進(jìn)展及與傳統(tǒng)方式的比較如表1所示。3D打印技術(shù)發(fā)展迅速，在膝關(guān)節(jié)置換及骨與軟骨修復(fù)方面意義重大。對(duì)于膝關(guān)節(jié)置換，充分展現(xiàn)了現(xiàn)代精準(zhǔn)醫(yī)療這一概念的精髓。3D打印組織工程支架，優(yōu)良的生物相容性和力學(xué)效能，有望解決骨與軟骨缺損及再生困難的難題。相信隨著生物材料學(xué)、3D打印技術(shù)、干細(xì)胞技術(shù)、三維培養(yǎng)技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，通過(guò)生物打印技術(shù)打印人工再生膝關(guān)節(jié)假體，有望達(dá)到膝關(guān)節(jié)的自體原位修復(fù)。

表1 3D打印技術(shù)在TKA中的應(yīng)用進(jìn)展及與傳統(tǒng)技術(shù)的比較