3D打印技術在骨科手術中的應用進展

中圖分類號：R687.3 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）18-0189-04

Abstract：Inrecentyears，3Dprinting technologyhasdevelopedrapidlyinorthopedicsurgery.Thesurgicalguideit producescansimulatetheorthopedicsurgeryrequiredbeforesurgery，therebyefectivelyreducingaccidentsduringsurgery.Itcan alsouseavarietyofmaterialstodesignjoints.Implantsmakeartificialjointsmoreadaptabletothehumanenvironment.3D printingtechnologyalsoplaysahugeroleincomplexorthopedicsurgeriessuchasbonereconstructionaftertumorresection， deformitycorrctionsurgeryandbonedefects.Thispaperanalyzesandprospectsthedevelopmentof3Dprintingtechnologyin orthopedics，and puts forward suggestions for new research directions.

Keywords： 3D printing; personalized implants; bone tissue engineering; surgical guides; orthopedic surgery

3D 打印技術又稱為“增材制造\"和“分層制造”。打印過程有一定的步驟：首先需要建模。首選計算機輔助（CAD）軟件，對制造的物體在計算機上進行原型設計，完成建模之后要對模型進行切片，使模型成為可打印的層。最后一步為打印，通過在層之上添加另一層來制造對象。通過3D打印技術可以突破傳統的限制設計出不同的材料，也節省了時間和成本。3D打印技術正在應用于各個領域，尤其是在醫療領域發揮著巨大的作用。

3D打印技術在以下4個方面參與到醫療的發展當中：器官模型輔助術前計劃和手術治療分析，永久性非生物活性植入物，制造局部生物活性和可生物降解支架，直接打印組織和器官2。3D打印可用于學習過程，來幫助醫生進行手術的練習。通過3D技術建造的模型可以提高準確率，為醫生在進行臨床操作時節約時間，并且由于是對真實患者病理狀況的模擬，可以為外科醫生提供培訓的機會。3D打印技術可以建造骨骼，來代替因為創傷或疾病引起的骨骼中的縫隙。這種治療和單純使用移植物不同，因為它可以在體內直接使用從而生成骨骼來發揮作用。3D打印技術也可用于替代、恢復、維持或改善組織功能，生產的替代組織具有互連的孔隙網絡、生物相容性、適當的表面化學性質，并具有良好的機械性能[3]。

3D打印技術在骨科中的潛力巨大，涵蓋了從個性化治療到手術優化，再到新型骨修復材料開發等多個方面。隨著技術的進步，3D打印正在推動骨科醫學從傳統的標準化治療向更精確、個性化、功能化的方向發展。3D打印技術可以制作骨科手術的模型作為術前的規劃和模擬。通過模型可以可視化患者的病理，在手術中被帶入手術室作為確認解剖結構的指導適當干預的參考。在手術導板的制作和定制植入物方面，3D打印技術也發揮著重大作用。它不僅可以促進術前計算機化手術計劃的執行、縮短手術時間并改善結果，還可以通過打印植入物修復患者缺損骨的部位[4]。

13D打印技術在骨科手術中的基礎運用

1.1術前規劃和模擬

目前，3D打印在骨科的手術當中得到了廣泛的應用，在一項研究中骨科手術占關于3D打印手術文章的近 25% 。骨折的手術治療結合3D打印技術是一個特別值得關注的領域，形成的模型可以使手術持續時間和出血量得以減少。3D打印的骨科應用還包括創建腫瘤切除的腫瘤模型；這些可以促進腫瘤切除并準確復制所要研究的病變及周圍的解剖結構。

術前規劃的范圍包括脊柱手術、髖關節和盆腔手術等。脊柱的解剖結構相對復雜，使用3D打印模型進行嚴重脊柱畸形的術前計劃是3D打印技術在手術中的主要應用。外科醫生可以利用3D打印脊柱模型決定所需的截骨水平和程度、螺釘軌跡、固定水平等。而在髖關節和盆腔當中，3D打印模型可以增強對髖白骨折形態的理解，幫助外科醫生確定最佳治療計劃，從而確定最佳手術方法、復位技術及最佳植入物的定位和固定。

1.2 定制化手術導板

在骨科手術領域，3D打印手術導板已經用于骨切割導板與鋼板定位導板，助力畸形愈合病例的矯正截骨切割。從臨床骨科使用的3D打印手術導板來看，其可分為截骨導板、螺釘放置導板和其他系列導板這3種類型。在脊柱、關節、創傷及骨腫瘤等各類手術中，截骨導板的應用最為廣泛。使用定制化導板開展骨科手術，由于不存在骨切割方面的混淆，能夠縮短手術時長、減少出血量。此外，3D打印導板技術可讓術前計劃更加直接，無須過度去除骨皮層或產生多個碎片，從而增加了手術成功的幾率。

2個性化植入物設計

2.1定制化關節植入物

人工關節置換物是由金屬、陶瓷或者高分子有機物組成的物質，它可以根據人體的關節特點，通過外科技術移植人人體內，代替正常關節的功能，有緩解疼痛和恢復功能的作用。

隨著人工關節置換物的應用，人們發現其在人體內并不是一直穩定地發揮作用，而是像正常的生物體一樣有生存壽命。影響人工置換關節壽命的因素主要為無菌性松動，除此之外還有以下幾個方面： ① 醫生方面。手術操作的規范性，術前對假體的選擇。 ② 置換物方面。金屬-普通塑料墊片機械測試壽命15＼～25年，陶瓷普通塑料墊片機械測試壽命20＼～40年。 ③ 患者因素。有無關節感染史，有無其他疾病及身體素質的狀況8

目前已經有所研究的新型關節置換物的材料為：① 新型納米涂層材料。成骨細胞是一種電響應的細胞，基于研究發現聚左旋乳酸（PLLA）可以將機械能轉化為電能，唑來膦酸（ZA）可以提高PLLA的壓電性能并可以使其緩慢釋放直接抑制骨溶解的活動。以摻雜了ZA的PLLA作為新型納米涂層，可以有效預防無菌性松動，并可以預防骨溶解活動的異常，具有安全性可降解性、來源廣泛、成本低廉的特點。 ② 多孔金屬。具有2個方面明顯的優勢，即抗腐蝕性能和良好的生物相容性。多孔可以在強酸強堿的環境下生成超氧化膜來抵抗腐蝕，與人體組織的親和力高，可以與生物組織進行黏附生長。憑借其促使細胞黏附、生長和增值的特性及促進新骨生長的能力，多孔鈕在關節置換領域得到了廣泛的應用[10]。

2.2 生物活性3D打印植入物及制造

脊柱植入物的個性化設計所用的傳統材料可以分3種：不可降解金屬植入物、不可降解非金屬植入物、可降解植入物。根據研究調查金屬植入物多為多孔植入物的設計，非金屬材料則多為陶瓷和PEEK，可降解材料多為高分子材料，如聚乳酸（PLA）聚己內酯（PCL）蛋白質多糖等。

對運用最為廣泛的多孔植入體進行研究可以得出，其機械性能和生物學性能與多孔的機構和設計有關。采用nTopology對體心立方、泰森多邊形、面心立方和正十二面體進行結構建模的有限元分析，通過模擬不同結構的線彈性行為，研究應力分布，最終可發現泰森多邊形結構強度最高、應變最大、應力分布較其他更加均勻[。由此得出，需要運用3D打印的技術方式生產泰森多邊形的空洞結構，對應的生產方式有激光粉末床熔融（Laser-PowderBed Fusion，L-PBF）和新型擠出成形的3D打印技術等。

L-PBF本質上是液態成形的方法，將金屬植入物由粉末材料融化和凝固后獲得。它使用聚焦激光束在3D計算機輔助設計（CoumputerAidedDesign，CAD）模型的橫截面切選定區域內融化金屬粉末，然后在高冷卻速率下使熔池固化。在一層掃描結束后，構建平臺會降低一定厚度，之后再涂蓋一層新的粉末重復一層層的沉積過程直至完成所有的CAD輪廓的切片。典型的L-PBF系統如圖1所示[1]。

擠出成形3D打印技術主要包括3個階段：漿料準備，擠出成形3D打印，支架燒結。將一定量的1799型聚乙烯醇（PVA，上海阿拉丁）計入沸水中， 0% 貯存得到PVA水凝膠。將Ti6A14V粉末加入PVA凝膠得到鈦合金漿料。之后用自制擠出成形3D打印設備進行打印，最后放入干燥箱中干燥。具體流程如圖2所示[13]。

3組織工程與3D打印技術

3.13D打印與骨組織工程概述

骨組織工程是由支架材料、種子細胞和細胞因子組成。而3D打印的骨組織工程即為運用支架材料通過3D打印技術來制造骨組織工程支架，從而運用到臨床達到骨缺損修復的目的。具體路徑如圖3所示[14]。

目前選用的支架材料主要為金屬材料、非金屬物質和可降解高分子化合物，與之相匹配的3D打印技術主要為擠出成型、粒狀物料成型、光聚合成型和其他成型技術。

3.23D打印支架在骨缺損中的應用

3D打印在骨缺損中的應用主要依靠不同的支架材料在顱骨、脊柱等部位實現功能的恢復。根據缺損部位切除的情況和解剖的形態學特點設計出符合要求的人工骨，最大面積貼附骨界面，減少人工骨的塌陷。與傳統的骨缺損修復相比，3D打印技術的優勢在于：允許個體化定制人工骨，改變孔隙率和孔徑，減少免疫排斥反應，減少應力屏蔽問題，更好地適應人體內環境[15。目前除了對支架材料的聯合應用，還延伸到了將骨髓間充質干細胞（BMSCs）、化學物質等非材料物質加用到3D打印技術當中。根據研究表明，BMSCs引用到磷酸鈣支架中會提高干細胞的增殖與成骨的效率，提高磷酸鈣支架的生物相容性；通過合適比例的羥基磷灰石和 β- 磷酸三鈣制作出來的物質結合光固化3D打印出三重周期極小曲面構型，聯合人身皂苷 Rg1 制造增強支架植入物，可以有效地促進新骨和血管構成[7]。

4結論

雖然3D打印在骨科中的應用日趨完善，但仍存在著一些困難。目前應用于重建材料的種類還依然缺乏，由于材料的不同和人體之間的差異，導致了每個人對每種材料的適應性不同，同時也對患者產生了不同程度的經濟負擔。因此還需要找到更加合適的材料，能完美被人體適應的同時，其價格也能被患者接受[8]。未來還需要提高3D打印的維度。3D打印只是在空間上的靜態模型，對于仍在發育的患者而言，3D打印的模型并不能隨著人體長大，因此需要將其拓展到時間的維度上，使其能在之后的時間里隨人發育改變自身形態以適應人體的變化8。還應該發展體內3D打印。3D生物打印通常在活體外打印出人體需要的結構，然后再移植到體內，這會增加打印體與外界環境的接觸時間，增大被污染風險，因此可將3D打印直接在生物體內進行，將生物材料直接打印到器官或者骨骼上[19]。

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