張敬東，　侯明曉

沈陽(yáng)軍區(qū)總醫(yī)院 骨科 全軍重癥戰(zhàn)創(chuàng)傷救治中心 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng)　110016

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·3D打印技術(shù)·

新的“克隆技術(shù)”：3D打印技術(shù)骨科時(shí)代的到來(lái)

張敬東，侯明曉

沈陽(yáng)軍區(qū)總醫(yī)院 骨科 全軍重癥戰(zhàn)創(chuàng)傷救治中心 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng)110016

3D打印；關(guān)節(jié)外科；脊柱外科；創(chuàng)傷骨科；組織工程

3D printing;Articular surgery;Spine surgery;Traumatic orthopedics;Tissue engineering

3D打印技術(shù)又稱(chēng)快速成型(rapid prototyping,RP)技術(shù)，首先利用X線、CT或MRI等數(shù)字化設(shè)備對(duì)現(xiàn)有實(shí)物進(jìn)行掃描和測(cè)量，并獲得數(shù)據(jù)；然后，應(yīng)用Mimics等計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(computer aided design,CAD)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和編輯；最終，將數(shù)據(jù)輸入3D打印機(jī)完成打印，將虛擬的數(shù)字符號(hào)變成觸手可及的現(xiàn)實(shí)物體。該技術(shù)最先在航空航天、汽車(chē)工業(yè)和模具制造業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，并獲得成功。隨著該技術(shù)的不斷成熟與完善，加之醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)的迅猛發(fā)展，20世紀(jì)80年代中期，3D打印技術(shù)率先在顱頜面外科、整形外科應(yīng)用，并取得成功[1]。近年來(lái)，3D打印技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域逐漸被重視和推廣，骨科醫(yī)師驚喜地發(fā)現(xiàn)應(yīng)用該技術(shù)可以使疾病“觸手可及”，將其“玩弄于股掌之中”，其個(gè)體化和精確化的診治是以往任何手術(shù)技術(shù)和設(shè)備都無(wú)法比擬的[2]，徹底改寫(xiě)傳統(tǒng)手術(shù)的治療方式。醫(yī)學(xué)發(fā)展日新月異，知識(shí)龐雜，寥寥數(shù)字亦無(wú)法詳盡闡明，現(xiàn)就該技術(shù)目前在骨科領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀作一概述，以期提綱挈領(lǐng)、拋磚引玉。

1　3D打印技術(shù)下的人工關(guān)節(jié)置換術(shù)

3D打印技術(shù)在關(guān)節(jié)外科領(lǐng)域主要應(yīng)用于嚴(yán)重關(guān)節(jié)畸形的髖膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)。對(duì)于髖關(guān)節(jié)疾病而言，發(fā)育性髖關(guān)節(jié)脫位(developmental dislocation of hip，DDH)屬發(fā)育畸形類(lèi)，其髖臼淺平、股骨頸前傾角大、股骨干近端髓腔狹窄，相對(duì)其他疾病而言有其特殊，特別是解剖結(jié)構(gòu)顯著異常，手術(shù)難度更大、風(fēng)險(xiǎn)更高。盡管三維CT已經(jīng)普及，但即使是手術(shù)經(jīng)驗(yàn)十分豐富的骨科醫(yī)師，仍很難在術(shù)前就準(zhǔn)確判斷出假體的型號(hào)、術(shù)中磨銼的深度、假體的最佳位置。筆者在實(shí)際工作中也曾遇到，假體的幾何形態(tài)和尺寸與患者的解剖結(jié)構(gòu)并不匹配，這時(shí)也只能是根據(jù)假體形態(tài)來(lái)改造患者與假體對(duì)應(yīng)的解剖結(jié)構(gòu)，以保證完成手術(shù)。這往往使術(shù)者捉襟見(jiàn)肘，尷尬收?qǐng)?。有鑒于此，已有研究借助3D打印技術(shù)對(duì)嚴(yán)重畸形的髖關(guān)節(jié)進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),打印出“量身定制”的關(guān)節(jié)解剖模型，以清晰、立體地展現(xiàn)髖關(guān)節(jié)病變模型，并可在模型上進(jìn)行術(shù)前手術(shù)模擬。Zhang等[3]對(duì)22例先天性髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良患者行CT掃描，隨機(jī)納入常規(guī)手術(shù)組及導(dǎo)板組，導(dǎo)板組術(shù)前通過(guò)Mimics軟件重建模型，確定個(gè)體化置入角度；采用Imageware軟件設(shè)計(jì)導(dǎo)板，并用3D 打印技術(shù)打印出導(dǎo)板實(shí)體，術(shù)中指導(dǎo)臼杯置入角度。術(shù)后行CT測(cè)量發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)板組置入前傾角和外展角的誤差顯著優(yōu)于常規(guī)手術(shù)組。

3D打印導(dǎo)板/模板的另一個(gè)重要成功應(yīng)用是在全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)(total knee arthroplasty，TKA)中，并取得了滿(mǎn)意的療效。已經(jīng)證實(shí)，下肢力線和假體旋轉(zhuǎn)軸線的準(zhǔn)確定位是評(píng)價(jià)膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)成敗的重要指標(biāo)[4-5]。然而，目前傳統(tǒng)的手術(shù)方法只是憑借醫(yī)師的手術(shù)經(jīng)驗(yàn)和統(tǒng)一的截骨模塊進(jìn)行定位和截骨，受主觀概念影響較大。這種定位方法的可靠性和精確性對(duì)畸形嚴(yán)重的患者往往會(huì)出現(xiàn)偏差。而且術(shù)中需要髓腔內(nèi)定位，增加了感染和脂肪栓塞的風(fēng)險(xiǎn)[6-7]。近年來(lái)，個(gè)體化導(dǎo)航模板在輔助TKA截骨方面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并已成功在臨床工作中開(kāi)展應(yīng)用。邱冰等[8]采用3D打印技術(shù)制造個(gè)性化手術(shù)導(dǎo)航模板，對(duì)8例患者進(jìn)行全膝關(guān)節(jié)置換，能夠準(zhǔn)確重構(gòu)出患者下肢骨骼三維模型，并精確定位包括下肢力線、股骨旋轉(zhuǎn)軸等在內(nèi)的下肢相關(guān)軸線及截骨參考點(diǎn)。結(jié)果顯示，該導(dǎo)航模板和股骨髁與脛骨平臺(tái)骨性解剖結(jié)構(gòu)貼合緊密,無(wú)明顯移動(dòng)，術(shù)后患者下肢力線偏差<3°。Heyse等[9]對(duì)94例患者臨床資料進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)航模板組在下肢機(jī)械軸線偏差和股骨假體旋轉(zhuǎn)軸線定位方面更有優(yōu)勢(shì)，Boonen等[10]的研究也得出了相似結(jié)論。

此外，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院已著手于用3D打印技術(shù)制造個(gè)體化半骨盆假體，理論上該假體可最大限度保留骨量，從而增加長(zhǎng)期穩(wěn)定性。國(guó)外曾有報(bào)道將3D打印技術(shù)用于關(guān)節(jié)置換術(shù)后的翻修術(shù)，尤其是骨缺損者[11]。Li等[12]在髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)中采用3D 打印技術(shù)打印等比例骨盆模型，確定髖臼周?chē)侨睋p大小，輔助定制個(gè)性化Cage，保證Cage與宿主骨的有效接觸，提供有效支撐，取得良好效果。

2　3D打印技術(shù)下的脊柱外科

與人工關(guān)節(jié)置換類(lèi)似，3D打印技術(shù)可以輔助椎弓根螺釘?shù)闹萌?。椎弓根螺釘置入是脊柱外科手術(shù)中最常用的內(nèi)固定方法，脊柱椎弓根毗鄰脊髓、神經(jīng)、椎動(dòng)脈等重要解剖結(jié)構(gòu)，置釘要求準(zhǔn)確性高，螺釘位置不當(dāng)可導(dǎo)致內(nèi)固定穩(wěn)定性下降，甚至造成脊髓、神經(jīng)或椎動(dòng)脈損傷。特別是脊柱畸形嚴(yán)重，如嚴(yán)重側(cè)彎畸形或發(fā)育畸形者，置釘更加困難。研究表明，使用3D打印的釘?shù)滥０蹇擅黠@提高置釘?shù)臏?zhǔn)確率，與傳統(tǒng)置釘方法比較，具有縮短手術(shù)時(shí)間、減少手術(shù)出血、降低手術(shù)并發(fā)癥的優(yōu)勢(shì)[13]。

3D打印技術(shù)也為脊柱腫瘤診治開(kāi)創(chuàng)了新時(shí)代。脊柱模型能清楚地觀察脊柱腫瘤的大小、形態(tài)，與椎體、脊髓和神經(jīng)根的位置關(guān)系，明確手術(shù)需要切除范圍，制定手術(shù)方案。2014年，北京大學(xué)第三醫(yī)院骨科劉忠軍團(tuán)隊(duì)在全球首次應(yīng)用3D打印人工定制樞椎作為脊椎外科內(nèi)置物，進(jìn)行脊椎腫瘤治療后的穩(wěn)定性重建。Madrazo等[14]報(bào)道使用3D打印技術(shù)為2例患者制作的脊柱模型，更直觀地了解神經(jīng)根和脊髓壓迫癥狀的器質(zhì)性病變，對(duì)疾病診斷、術(shù)前規(guī)劃和手術(shù)模擬有著重要意義。

3　3D打印技術(shù)下的創(chuàng)傷骨科

3D打印技術(shù)在創(chuàng)傷骨科中的應(yīng)用主要是不規(guī)則骨(如骨盆、髖臼、肩胛骨等)，由于不規(guī)則骨需要在三維結(jié)構(gòu)上才能顯露全貌，二維圖像很難將骨折完全呈現(xiàn)在醫(yī)師面前，對(duì)于經(jīng)驗(yàn)尚不豐富、空間構(gòu)象能力不足的醫(yī)師更具挑戰(zhàn)性。而采用3D打印技術(shù)還原骨折的原貌恰巧解決了這一問(wèn)題，使術(shù)者在術(shù)前對(duì)骨折有詳細(xì)和全面的了解，對(duì)于骨折的分型、手術(shù)入路的選擇、復(fù)位的方法以及內(nèi)固定器械的選擇都具有重要的指導(dǎo)意義，同時(shí)提高了診治的精確性。醫(yī)師術(shù)前即可在模型上進(jìn)行手術(shù)演練，甚至是反復(fù)多次的演練，便可使得整個(gè)手術(shù)過(guò)程游刃有余，醫(yī)師“少走彎路”，縮短手術(shù)時(shí)間，減少術(shù)中出血和副損傷，手術(shù)操作的安全性大大提高，從而減少手術(shù)相關(guān)并發(fā)癥[15-16]。Bagaria等[17]應(yīng)用導(dǎo)航模板治療4例復(fù)雜骨折，結(jié)果顯示，導(dǎo)航模板有助于術(shù)中骨折復(fù)位并縮短手術(shù)時(shí)間、提高手術(shù)療效。Frame等[18]認(rèn)為，3D打印技術(shù)較傳統(tǒng)影像評(píng)估可顯著提高診治的重復(fù)性，尤其是經(jīng)驗(yàn)相對(duì)不足的住院醫(yī)師。因此，大多數(shù)臨床醫(yī)師推薦在關(guān)節(jié)周?chē)钦?、骨盆和髖臼骨折中使用3D打印技術(shù)，可制定個(gè)體化手術(shù)方案，同時(shí)精確地完成手術(shù)，值得臨床推廣應(yīng)用。

4　3D打印技術(shù)下的組織工程

組織工程學(xué)涉及臨床醫(yī)學(xué)、生物工程、細(xì)胞生物學(xué)、生物材料學(xué)、分子生物學(xué)等一系列學(xué)科間的相互交叉與融合，其研究過(guò)程主要是在體內(nèi)或體外生成可替代性的組織和器官，從而達(dá)到修復(fù)受損組織和器官的目的。近年來(lái)，研究者將3D打印技術(shù)與組織工程學(xué)結(jié)合起來(lái)，做出了許多新的探索和嘗試，希望利用3D打印技術(shù)進(jìn)行組織和器官的“克隆”。Yao等[19]基于CT和3D掃描數(shù)據(jù)，用復(fù)合粉末PCL-HA制造了3D復(fù)合骨支架，該支架為目前使用的同種異基因骨移植顆粒提供了更多的選擇。Lan等[20]利用3D打印技術(shù)制備的PPF/DEF支架作為骨細(xì)胞培養(yǎng)底物，有良好的成骨細(xì)胞響應(yīng)，進(jìn)一步將磷灰石應(yīng)用于該三維支架從而制成了仿生磷灰石涂層。

在骨組織工程方面，鈣磷酸鹽(如α-TCP、β-TCP)早已用作支架材料的主要成分，這方面的研究已比較深入和全面。目前，研究者正著手用磷酸鈣作為3D打印技術(shù)的打印材料，制備骨組織支架。Khalyfa等[21]用3D打印技術(shù)研發(fā)了一種新型磷酸鈣粉末粘結(jié)劑，經(jīng)體外相容性研究證實(shí)，該粘結(jié)劑可作為陶瓷人工骨替代物和骨組織工程的支架材料。Leukers等[22]利用3D打印技術(shù)，采用羥基磷灰石顆粒制備了內(nèi)部有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和高分辨率的多孔陶瓷支架。

目前，3D 打印技術(shù)應(yīng)用于組織工程學(xué)和醫(yī)療領(lǐng)域方面，取得了驚人的研究進(jìn)展。然而，3D打印技術(shù)在這些領(lǐng)域仍處于初始階段，實(shí)現(xiàn)3D打印技術(shù)在臨床的應(yīng)用仍面臨很多挑戰(zhàn)和問(wèn)題。

5　問(wèn)題與展望

在3D打印技術(shù)取得舉世矚目成績(jī)的同時(shí)也應(yīng)該注意到，現(xiàn)有研究或報(bào)道缺乏大樣本、多中心、前瞻性的隨機(jī)對(duì)照研究，由于是新興技術(shù)，也鮮有長(zhǎng)期隨訪結(jié)果，其有效性和安全性尚需進(jìn)一步證實(shí)。同時(shí)，個(gè)體化生產(chǎn)作為3D打印技術(shù)的顯著優(yōu)勢(shì)和重點(diǎn)應(yīng)用范圍，目前仍受制度和相關(guān)法律的限制，其應(yīng)用于人體和臨床的準(zhǔn)入制度仍需相關(guān)部門(mén)進(jìn)一步完善，目前也僅是在小范圍、個(gè)別患者中開(kāi)展，尚未普遍開(kāi)展并形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模。隨著我國(guó)生物材料和數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，3D打印技術(shù)將會(huì)被更多的醫(yī)師和患者接受，利用3D打印技術(shù)“克隆”出有生命信息的活體組織，從而正式應(yīng)用于臨床。因此，3D 打印技術(shù)將成為未來(lái)骨科發(fā)展趨勢(shì)，為醫(yī)學(xué)臨床提供更多的方便，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]Mavili ME,Canter HI,Saglam-Aydinatay B,et al.Use of three-dimensional medical modeling methods for precise planning of orthognathic surgery[J].J Craniofac Surg,2007,18(4):740-747.

[2]王燎,戴魁戎.骨科個(gè)體化治療與3D打印技術(shù)[J].醫(yī)用生物力學(xué),2014,29(3):193-199.

[3]Zhang YZ,Lu S,Yang Y,et al.Design and primary application of computer-assisted,patient-specific navigational templates in metal-on-metal hip resurfacing arthroplasty[J].J Arthroplasty,2011,26(7):1083-1087.

[4]汪錫龍,尚希福,李國(guó)遠(yuǎn),等.個(gè)體化股骨遠(yuǎn)端外翻角度截骨技術(shù)在初次人工全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中的應(yīng)用[J].中國(guó)修復(fù)重建外科雜志,2015,29(1):27-30.

[5]Knshnan S,Dawood A,Richards R,et al.A review of rapid prototyped surgical guides for patient-specific total knee replacement[J].J Bone Joint Surg,2012,94(11):1457-1461.

[6]Lustig S,Scholes CJ,Oussedik SI,et a1.Unsatisfactory accuracy as determined by computer navigati on of VISIONAIRE patient-specific instrumentation for total knee arthroplasty[J].J Arthroplasty,2013,28(3):469-473.

[7]Viclor J,Dujardin J,Vandenneucker H,et a1.Patient-Specific Guides Do Not Improve Accuracy in Total Knee Arthroplasty[J].Clin Orthop Relat Res,2014,472(1):263-271.

[8]邱冰,張明嬌,唐本森,等.基3D打印個(gè)性化手術(shù)導(dǎo)航模板輔助下的人工全膝關(guān)節(jié)置換[J].中國(guó)組織工程研究,2015,19(48):7731-7735.

[9]Heyse TJ,Tibesku CO.Improved femoral component rotation in TKA using patient-specific instrumentation[J].Knee,2014,21(1):268-271.

[10]Boonen B,Schotanus MG,Kort NP.Preliinary experience with the patient-specific templating total knee arthroplasty[J].Acta Orthop,2012,83(4):387-393.

[11]Muirhead-Allwood S,Sandiford NA,Skinnner JA,et al.Uncemented computer-assisted design-computer-assisted manfacture femoral components in revision total hip replacement:A minimum follow-up of ten years[J].J Bone JiontSurg Br,2010,92(10):1370-1375.

[12]Li H,Wang L,Mao Y,et al.Revision of complex acetabular defects using cages with the aid of rapid prototyping[J].J Arthroplasty,2013,28(10):1770-1775.

[13]Wu ZX,Huang LY,Sang HX,et a1.Accuracy and safety assessment of pediclescrew placement using the rapid prototyping technique in severe congenital scotiosis[J].J Spinal Disord Tech,2011,24(7):444-450.

[14]Madrazo I,Zamorano C,Magallon E,et a1.Stereolilhography in spine pathology:a 2 case report[J].Surg Neutol,2009,72(3):272-275.

[15]Starosolski ZA,Kan JH,Rosenfeld SD,et a1.Application of 3-D printing(rapid prototyping)for creating physical models of pediatric orthopedic disorders[J].J Pediatr Radiol,2014,44(2):216-221.

[16] 張大偉,田越,李杰,等.快速成型機(jī)在骨盆骨折治療中的應(yīng)用[J].生物醫(yī)學(xué)工程與臨床,2012,16(6):570-573.

[17]Bagaria V,Deshpande S,Rasalkar DD,et a1.Use of rapid prototyping and three-dimensional reconstruction modeling in the management of complex fractures[J].Eur J Radiol,2011,80(3):814-820.

[18]Frame M,Huntley JS.Rapid prototyping in orthopaedicsurgery:a users guide[J].Sci World J,2012,2012:838575.

[19]Yao QQ,Wei B,Guo Y,et al.Design,construction and mechanical testing of digital 3D anatomical data-based PCL-HA bone tissue engineering scaf fold[J].J Mater Sci Mater Med,2015,26(1):51-59.

[20]Lan PX,Lee JW,Seol YJ,et al.Development of 3D PPF/DEF scaf folds using micro-stereolithography and surface modification[J].J Mater Sci Mater Med,2009,20(1):27l-279.

[21]Khalyfa A,Vogt S,Weisser J,et a1.Development of a new Calcium phosphate powder-binder system for the 3D printing of patient specific implants[J].J Mater Sci Mater Med,2007,18(5):909-916.

[22]Leukers B,Gulkan H,Irsen SH,et a1.Hydroxyapatite scaf folds for bone tissue engineering made by 3D printing[J].J Mater Sci Mater Med,2005,16(12):1121-1124.

張敬東(1970-)，男，吉林長(zhǎng)嶺人，主任醫(yī)師，博士

侯明曉，E-mail：houmingxiao188@163.com

2095-5561(2016)05-0257-03

R68

A

∶10.16048/j.issn.2095-5561.2016.05.01

2016-09-13