骨科手術中3D打印骨科手術導板的應用進展

曹浩博 張義寶

【摘要】近年來，3D生物打印技術在醫學領域取得了突破性進展，這一創新技術通過逐層堆積生物材料，成功實現了人造器官、人造組織等生物結構的制備。在骨與關節外科領域，計算機輔助設計結合三維可視化技術在臨床應用中展現出了顯著的優勢，尤其在復雜解剖結構的理解和手術前精確計劃等方面，為臨床醫生提供了有力支持。本文闡述3D打印骨科手術導板的發展歷程、主要類別和功能，分析其優點與局限，并對其未來發展前景進行展望。

【關鍵詞】3D打印；骨科手術導板；手術風險；術中出血

【中圖分類號】R683 【文獻標識碼】A 【文章編號】2096-2665.2024.09.0120.04

DOI：10.3969/j.issn.2096-2665.2024.09.040

隨著數字化技術的發展并不斷與骨科學相融合，現代骨科的診療模式正逐步實現標準化、精準化、個性化和數字化。這種發展不僅提高了診療效率，還為患者提供了更加優質的醫療服務[1]。近年來，3D生物打印技術在醫學領域的應用中取得了巨大的突破，這一創新技術通過分層堆積生物材料，實現了人造器官和人造組織等生物結構的制備[2]。在骨與關節外科領域，計算機輔助設計結合三維可視化技術在臨床應用中展現出顯著優勢，尤其在復雜解剖結構的理解和術前精確計劃方面，為臨床醫生提供了有力支持。在此基礎上，醫生可以設計出個性化的3D打印骨科手術導板，引導操作醫師在手術過程中按照預先規劃的步驟準確完成各項操作。這些操作包括但不限于骨折復位內固定、特定性截骨矯形、腫瘤病灶切除和結構重建等[3]。 3D打印骨科手術導板能夠使醫生更加精準地完成手術，提高手術的成功率，同時也能降低手術風險，縮短手術時間，能夠更好地應對患者體位變化、解剖變異和術者經驗不足等問題，為實現骨科的精準醫療提供了條件[4]。本文總結3D打印骨科手術導板的發展歷程、主要類別和功能，分析3D打印導板的優點與局限，并對其未來發展前景進行展望。

1 3D打印骨科手術導板的發展

1.1 早期探索階段（1990—2000年） 在這一階段，3D打印技術剛剛興起，研究人員開始嘗試將其應用于骨科領域。這一階段的3D打印技術主要用于制造簡單的骨科植入物，如髖關節和膝關節置換術所需的假體等[5]。

1.2 技術發展階段（2000—2010年） 隨著3D打印技術的不斷發展，研究人員開始關注骨科手術導板的研發。這一階段的主要特點是3D打印技術在骨科手術導板中的應用逐漸拓展，從制造簡單的植入物發展至設計復雜的手術導板。此外，計算機輔助設計（CAD）和CT等影像學技術的發展也為3D打印手術導板提供了更精確的數據支持[6]。

1.3 廣泛應用階段（2010—2018年） 這一階段的3D打印技術在骨科手術導板領域取得了突破性進展。 3D打印手術導板在臨床應用中逐漸廣泛，尤其是在創傷骨科、脊柱外科和關節置換手術中。 3D打印手術導板可以實現個體化、精準化手術，展現出可提高手術的安全性和成功率、縮短手術時間、減少術中出血等優勢[7]。

1.4 標準化和規范化階段（2019年至今） 隨著3D打印技術在骨科手術導板領域的廣泛應用，制訂相應的技術標準和規范成為迫切需求。2019年，我國發布了《3D打印骨科手術導板技術標準專家共識》[8]，為3D打印骨科手術導板在臨床的應用提供了專業指導。此外，3D打印醫療器械標準陸續涵蓋了骨科手術導板等相關領域，進一步推動了3D打印技術在骨科手術導板領域的規范化發展[9]。

2 3D打印骨科手術導板基本類型及作用

2.1 骨折內固定導板 骨折內固定導板主要用于手術治療的骨折患者，通過3D打印技術定制符合患者骨折部位特點的導板，輔助醫生精準完成內固定手術。該類導板可以提高手術成功率，降低術中并發癥風險，加速患者康復。紀霖鋒等[10]研究顯示，3D打印導板輔助微創技術治療跟骨骨折，能縮短手術時間、減少透視次數及減少潛在并發癥，有助于提高Sanders Ⅱ型跟骨骨折治療的療效。Lelij等[11]的研究結果也顯示，基于3D打印引導的經皮內固定術是一種安全有效的技術，可用于治療舟狀骨腰小移位骨折患者，可提高螺釘放置準確率，提高手術精度，減輕患者疼痛感，減少術后并發癥。

2.2 關節置換手術導板 關節置換手術導板主要用于幫助醫生在手術過程中精確切除病變關節，并將定制的人工關節部件安裝至正確的位置。通過3D打印技術，可實現關節置換手術導板的個性化定制，提高手術成功率。李楊等[12]研究顯示，與傳統器械手術相比，采用3D打印的個性化截骨導板進行全膝關節置換術能有效恢復患者術后下肢冠狀位力線，并呈現出降低力線偏移的趨勢。Jang等[13]的研究顯示，采用3D打印導板輔助慢性外側踝關節不穩定患者外側踝韌帶重建，顯著縮短了手術時長并降低了輻射暴露，表明3D打印導板是治療慢性外側踝關節不穩定的優選方案。

2.3 脊柱手術導板 脊柱手術導板主要用于輔助醫生在手術過程中精確切除病變組織、置入植骨材料和內固定設備。 3D打印技術可以實現個性化導板設計，降低手術風險，提高手術效果。由于螺釘可以穿過脊柱的前柱、中柱和后柱，所以使用椎弓根螺釘代替其他固定裝置可以更好地矯正和穩定脊柱。 3D打印導板摒棄了先前的椎體解剖定位，克服了空間椎體結構的變化。趙永輝等[14]回顧性分析了16例強直性脊柱炎患者的臨床資料，發現使用了3D打印導板置入椎弓根螺釘的位置更準確。Wu 等[15]研究顯示，引導組的螺釘放置準確率為96.1%，顯著高于徒手組的82.9%，脊柱矯正率為60.0%，證明了3D打印導板代替傳統徒手螺釘放置技術的可行性。

2.4 創傷手術導板 由于骨折類型的復雜性和多樣性，創傷手術具有廣泛的治療選擇，導致治療效果差異較大。一些復雜的粉碎性骨折需要術者擁有扎實的解剖學知識和豐富的手術經驗，但即使如此也很難實現良好的對線和精確的固定，常導致骨折重新定位不理想、模板錯位和螺釘固定錯位等情況。創傷手術導板主要用于輔助醫生在創傷骨折等急診手術中快速、準確地進行固定。 3D打印技術可以快速定制合適的導板，幫助醫生在緊急情況下實現精準手術。任原等[16]的研究結果顯示，采用Kocher-Langenbeck入路手術復位治療，結合術前3D打印技術和T型鋼板彈性支撐固定，應用于后柱復雜性髖臼骨折患者的治療可達到縮短手術時間，減少術中出血量、輸血量的目的，進一步提高骨折復位的質量，對于促進髖關節功能的恢復具有重要意義。相較于單純采用T型鋼板彈性支撐固定治療，術前3D打印技術具有顯著的優勢，并且安全性良好。廖雄等[17]回顧性分析了20例Ⅱ型老年脆性骨盆骨折患者的臨床資料，發現基于三維CT個體化數據設計的3D打印導板進行手術，可達到操作簡便、精準導向的效果。在CT引導下，實施經皮逆行恥骨上支螺釘內固定治療Ⅱ型老年脆性骨盆骨折手術，具有創傷較小、手術安全性高、早期緩解疼痛和促進患者迅速康復等優勢。

2.5 骨腫瘤手術導板 骨轉移瘤、骨肉瘤、良性和惡性骨腫瘤等腫瘤發病率雖較低，在所有新診斷癌癥患者中的占比<1%，但其5年生存率僅為50%[18]。近年來，隨著新輔助化療的進步，保肢手術已逐漸成為大多數患者的首選治療方式。然而，骨腫瘤形狀奇特且術前影像大多定位模糊，導致外科醫生僅能在肉眼直視下進行腫瘤切除。因此，精確切除腫瘤組織一直是骨科腫瘤醫生所面臨的挑戰之一，手術方案的選擇、大腫瘤組織切除后骨缺損的修復和功能重建也是保肢手術的難點。骨腫瘤手術導板主要用于協助醫生在手術過程中精確切除腫瘤組織，保護周圍正常組織。曲揚等[19]回顧性分析了行活檢穿刺的11例患者，包括股骨4例、骨盆3例、脛骨2例、肩胛骨及掌骨各1例，3D打印個體化導板基本貼合患者穿刺部位解剖結構，進針方位深度均與術前設計方案一致，穿刺術中無重要解剖結構損傷，穿刺術后未出現血管、神經損傷癥狀，認為基于影像圖像數字化處理和三維打印技術設計的個性化定制導板能夠實現骨腫瘤的精準穿刺。這一發現對于提高骨腫瘤術前診斷和優化治療方案質量具有重大意義。Mustahsan等[20]的研究發現，骨腫瘤手術導板在盆腔腫瘤切除過程中能有效減少出血量，提高操作便捷性，降低腫瘤復發風險，并提升腫瘤切除的精準度。

2.6 畸形矯正手術導板 畸形矯正手術導板可以根據患者骨骼特點進行個性化定制，為醫生提供精準的手術操作指引。在手術過程中，畸形矯正手術導板可以幫助醫生準確定位病變部位，避免對患者正常組織的損傷，提高手術安全性。并且3D打印技術可使手術導板與患者骨骼完美匹配，提高手術的適應性和舒適度。張永紅[21]的研究顯示，3D打印截骨導板應用于輔助Chevron截骨手術中，對矯正患者足外翻畸形表現出一定的可行性與有效性，能夠縮短手術時長并減少術中出血量，為臨床優化截骨精度和提高治療效果提供可選策略。Cheema等[22]的研究也顯示，采用鏡像3D打印技術應用于鎖骨畸形愈合的矯正性截骨或鎖骨不連的內固定治療，能有效恢復鎖骨原生解剖結構，從而達到較理想的臨床療效。

3 3D打印骨科手術導板的優勢與不足

3.1 優勢 ⑴精準性：3D 打印骨科手術導板可根據患者的具體病情和影像學數據進行定制，能夠精確地輔助醫生完成手術，提高手術成功率。⑵降低手術風險：3D 打印骨科手術導板有助于醫生更準確地定位病變部位，減少術中探查時間，降低手術風險。⑶減少術中出血：應用3D 打印骨科手術導板引導的手術可減少對周圍組織的損傷，從而減少術中出血量。⑷加速康復：3D 打印骨科手術導板有助于提高手術精確性，減少術后并發癥，加速患者康復。⑸個性化定制：3D 打印骨科手術導板可以根據患者具體情況進行個性化定制，能精準定位，優化治療效果[23]。

3.2 不足 ⑴技術門檻較高：3D建模和打印技術對操作人員的要求較高，需要具備專業知識和技能。此外，術前數據采集、建模和導板設計等環節也需要大量時間和精力投入。⑵成本較高：3D打印設備、材料和相關軟件的費用較高，加之研發和生產成本較高，導致3D打印骨科手術導板的價格也相對較高。這可能限制其在臨床應用中的普及程度。⑶生物相容性：雖然3D打印技術可以生產出具有高精度、個體化的骨科手術導板，但部分3D打印材料仍存在生物相容性不佳的問題。部分材料在長時間植入體內后，可能引發炎癥反應，甚至組織增生等并發癥。⑷法規和標準不完善：3D打印技術在骨科手術中的應用尚處于發展階段，相關法規和標準亟待完善。監管部門的審批流程、產品質量控制、售后服務等方面都需要進一步明確責任范圍。⑸醫學倫理問題：隨著3D打印技術在骨科手術中的廣泛應用，醫學倫理問題亦逐漸凸顯。如何在尊重患者意愿的基礎上，合理使用3D打印技術，確保醫療服務的社會效益最大化，是目前臨床需要探討的問題。

4 展望

4.1 拓展使用領域 3D打印骨科手術導板目前主要應用于創傷、腫瘤和關節置換等手術類型。然而，隨著技術的不斷發展，其應用領域將不斷拓展，包括神經外科、心血管外科等其他外科手術。

4.2 推動產業創新 3D打印骨科手術導板技術的發展將帶動相關產業的創新與發展，包括醫療器械生產商、軟件開發商和生物材料研發企業等。這將推動生物材料領域的技術創新，為骨科手術提供更多的選擇和可能性，3D打印骨科手術導板產業將呈現出良好的發展態勢。

4.3 技術創新 隨著3D打印技術的進步，未來3D 打印骨科手術導板將具備更多功能，可能融入智能傳感器和實時導航技術。通過在導板上安裝微型傳感器，醫生可以在手術過程中實時監測患者的生理狀態，如血壓和心率等，從而及時調整手術策略。同時，結合實時導航技術，醫生可以更加精確地定位手術器械，避免誤傷周圍重要組織。這些創新功能將進一步提高3D 打印骨科手術導板的應用價值，為患者提供更優質的醫療服務。

4.4 跨學科合作 3D打印骨科手術導板的發展將促進跨學科合作，如醫學、材料科學和機械工程等領域的專家共同參與研發和應用。這均有助于推動3D打印技術在骨科手術導板領域的發展。

4.5 普及和推廣 隨著3D打印技術在骨科手術導板領域的優勢逐漸凸顯，越來越多的醫療機構采用這一技術。未來，3D打印手術導板有望成為常規手術的一部分，惠及更多患者。

4.6 政策支持 我國政府高度重視3D打印技術在醫療領域的應用，這為3D打印骨科手術導板的發展提供了有力保障。在國家政策的推動下，3D打印骨科手術導板的研發和應用將得到更好的發展。

5 總結

綜上所述，3D打印骨科手術導板技術在未來發展中具有巨大的潛力和廣闊的應用前景。隨著技術的不斷創新和政策的有力支持，3D打印骨科手術導板將成為醫療領域的一大亮點，為患者帶來更加優質、高效的醫療服務。

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