王 康，李思慕，馬 婷，賈維東

·綜 述·

3D打印技術(shù)在創(chuàng)傷骨科臨床中的應(yīng)用現(xiàn)狀及進(jìn)展

王 康1，李思慕2，馬 婷2，賈維東2

3D打印；骨折；創(chuàng)傷

3D打印技術(shù)目前是世界上最尖端的技術(shù)之一[1]，它綜合了數(shù)字建模、機(jī)電控制、信息、材料、化學(xué)等多方面的前沿技術(shù)。近年來，隨著計(jì)算機(jī)等各種技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是合金材料的直接應(yīng)用，3D打印技術(shù)在創(chuàng)傷骨科應(yīng)用中得到了廣泛的推廣和發(fā)展。3D打印技術(shù)是以數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，運(yùn)用黏合材料，將設(shè)計(jì)出的3D模型按照某一坐標(biāo)軸切成有限的多個(gè)剖面后，經(jīng)逐層打印的方式，最終創(chuàng)造一個(gè)立體實(shí)物的技術(shù)[2]。在創(chuàng)傷骨科近年來的研究熱點(diǎn)中，3D打印技術(shù)目前是重要方向之一，通過患者的CT、MRI等影像資料和數(shù)據(jù)，利用三維技術(shù)為患者制訂“量體裁衣”式的個(gè)人定制治療方案，定制出個(gè)性化的實(shí)體模型、植入物及輔助器械，可有效地解決臨床治療難題[3]。其逼真、直觀、形象的臨床模擬技術(shù)，豐富的臨床教學(xué)指導(dǎo)性，為創(chuàng)傷骨科臨床醫(yī)師培養(yǎng)和臨床帶教提供了廣闊的前景。本文就3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)、發(fā)展的局限性以及在創(chuàng)傷骨科領(lǐng)域的應(yīng)用情況進(jìn)行綜述，旨在為廣大學(xué)者和臨床工作者提供參考和借鑒。

1 3D打印技術(shù)在創(chuàng)傷骨科中的優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用制約

1.1 3D打印的優(yōu)勢(shì)

1.1.1 實(shí)體模型性:通過收集和整合患者資料，3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)由二維到三維、由平面到立體、由虛擬到現(xiàn)實(shí)的轉(zhuǎn)變，包括三維模型、工具和假體等。醫(yī)生可以根據(jù)1∶1模型對(duì)疾病做出最真實(shí)、精確的評(píng)估，在疾病的診斷、術(shù)前手術(shù)方案的設(shè)計(jì)、術(shù)前操作流程的演練、術(shù)中輔助手術(shù)操作以及術(shù)后恢復(fù)等方面具有較好的應(yīng)用前景、極高的應(yīng)用價(jià)值[4-5]。同時(shí)，可術(shù)前進(jìn)行反復(fù)演練和交流，護(hù)士通過參與這一環(huán)節(jié)，也能夠詳細(xì)、準(zhǔn)確地了解患者情況，提前做好相關(guān)準(zhǔn)備，醫(yī)護(hù)共同確保手術(shù)的順利進(jìn)行及對(duì)意外情況的提前預(yù)估，這為臨床疾病的診斷和治療提供了精確的思路和方法[6-7]。

1.1.2 手術(shù)個(gè)性化:傳統(tǒng)鋼板及內(nèi)置物的規(guī)格與材料滿足了普通患者常規(guī)治療需求，但對(duì)特殊患者而言，包括損傷部位特殊或自身?xiàng)l件特殊的患者，傳統(tǒng)內(nèi)置物材料不能滿足臨床需求。骨科的個(gè)性化治療在此時(shí)十分必要。對(duì)于特殊患者，如何確定更加適合、固定確切的內(nèi)置物材料，是臨床的難題之一。根據(jù)3D打印技術(shù)制作的完全依據(jù)個(gè)體數(shù)據(jù)形成的內(nèi)置物可以充分滿足這部分患者的需求，達(dá)到確切固定、精準(zhǔn)治療、手術(shù)個(gè)性化保障的目的。隨著未來的發(fā)展趨勢(shì)，骨科的模式將是“個(gè)性化、精確化、私人訂制”的發(fā)展模式。從大方向著眼，個(gè)性化的人工關(guān)節(jié)、接骨鈑、骨盆修復(fù)等醫(yī)療植入物將廣泛應(yīng)用于臨床；從小方向著眼，如創(chuàng)傷手術(shù)中在導(dǎo)航模板輔助下進(jìn)行螺釘置入，可通過3D打印技術(shù)找到合適的螺釘尺寸和設(shè)計(jì)螺釘置入的軌道，以減少術(shù)中螺釘?shù)钠?。這將使得廣大創(chuàng)傷骨科患者受益，也是我們進(jìn)一步探索和研究的方向。

1.1.3 術(shù)中暴露性:目前手術(shù)中仍需X線影像的確認(rèn)，以輔助內(nèi)固定物的植入，但基于3D打印技術(shù)和逆向工程技術(shù)的個(gè)體化內(nèi)固定模型可以與患者骨骼完全匹配，節(jié)約手術(shù)時(shí)間，從而減少醫(yī)患術(shù)中的放射性暴露[8]。尤其在復(fù)雜的粉碎性骨折患者中應(yīng)用價(jià)值更大，不僅可以指導(dǎo)準(zhǔn)確地進(jìn)行骨折復(fù)位，還可進(jìn)行精確的置釘，在導(dǎo)航模板下很容易操作，可縮短手術(shù)時(shí)間，減少置釘穿孔率及方向錯(cuò)誤率，減少手術(shù)團(tuán)隊(duì)及患者的輻射量。

1.1.4 便于醫(yī)患溝通:3D打印技術(shù)根據(jù)三維重建構(gòu)建出1∶1的模型，能夠幫助醫(yī)生與患者及家屬交流，使患者能夠更加清晰和直觀地了解自己的病情及手術(shù)的難易程度，便于醫(yī)生講解手術(shù)方案以及術(shù)中可能出現(xiàn)的情況，如出血、術(shù)后的相關(guān)并發(fā)癥等。這為患者和醫(yī)生提供了觸覺和視覺上的全新體驗(yàn)，也增加了患者治愈疾病的信心，同時(shí)提高了患者對(duì)我們服務(wù)質(zhì)量的滿意度。

1.1.5 利于教學(xué)和培訓(xùn):3D打印模具也應(yīng)用于骨科臨床帶教中。對(duì)于骨盆骨折、復(fù)雜關(guān)節(jié)面骨折，目前的X線和三維重建CT仍具有一定的局限性，尤其對(duì)于低年資醫(yī)生和學(xué)生存在一定理解和認(rèn)識(shí)上的困難。但面對(duì)一個(gè)具體的三維立體模具，對(duì)臨床帶教和年輕醫(yī)師培養(yǎng)工作更為有效，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果更好、更一目了然。Hurson等[9]將采用3D打印技術(shù)制備的髖臼骨折模型應(yīng)用于培訓(xùn)年輕醫(yī)師、醫(yī)學(xué)生和護(hù)士，取得了較好的效果。

模具能達(dá)到教學(xué)的目的，可以培訓(xùn)碩博士研究生、規(guī)培生以及低年資醫(yī)師，可通過模具讓其預(yù)先選擇鈦板和螺釘?shù)拈L度，并在模具上進(jìn)行多次術(shù)前演練，這對(duì)提高他們的臨床技能有著決定性的意義[10]。同時(shí)，多次的術(shù)前模擬演練，能夠大大提高手術(shù)的成功率，縮短手術(shù)時(shí)間，減少術(shù)后并發(fā)癥，惠及患者。

1.2 3D打印的應(yīng)用制約

1.2.1 材料研發(fā)的制約性:材料是3D打印技術(shù)的核心之一[5]，目前使用的天然醫(yī)用材料包括膠原、殼聚糖等；人工合成高分子材料聚乳酸、聚乙醇酸、聚醚醚酮；羥基磷灰石等生物活性陶瓷材料和鈦合金等醫(yī)用金屬材料。但對(duì)目前的醫(yī)學(xué)發(fā)展仍非常局限，骨科常用的合金為鈦合金、不銹鋼和鈷鉻鉬合金。3D打印機(jī)仍無法實(shí)現(xiàn)鈷鉻鉬合金的冷處理工藝，其他多種常見的金屬和高分子材料的打印技術(shù)仍處于試驗(yàn)階段[11]。另外，材料的強(qiáng)度、剛度、機(jī)械加工性還需改進(jìn)，還不能完全模擬人體組織器官的強(qiáng)度、剛度和柔韌度等特性[3]。針對(duì)材料的局限性，應(yīng)鼓勵(lì)和支持多學(xué)科共同研發(fā)，加速材料研發(fā)的進(jìn)程，為臨床開展3D打印技術(shù)開辟出一條更寬廣的道路。

1.2.2 配套應(yīng)用軟件開發(fā)的制約性:隨著醫(yī)學(xué)影像的飛速發(fā)展和掃描圖像精度的逐漸增高，醫(yī)學(xué)影像學(xué)生成的CAD/CAM文件可直接用于3D打印，但需要配套軟件，而這些應(yīng)用軟件集成度和功能與3D打印設(shè)備卻不能無縫對(duì)接[12]，且軟件程序應(yīng)用復(fù)雜，學(xué)習(xí)周期較長，或需要配置相關(guān)的技術(shù)人員。雖然Materialise公司研發(fā)的Mimics Innovation Suite 軟件能夠快速轉(zhuǎn)換圖像，支持?jǐn)?shù)據(jù)精確測(cè)量，允許用戶分割圖像；VSG公司研發(fā)的Amira軟件也支持模型分割和表面重建，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行量化分析，但這類醫(yī)療應(yīng)用軟件制造商需要與3D打印機(jī)制造商合作，才能確保軟件的無縫對(duì)接[11]。這些因素均制約著3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的推廣與使用。

1.2.3 成本問題:3D打印機(jī)根據(jù)材料和技術(shù)的不同分為工業(yè)級(jí)和桌面級(jí)，其價(jià)格差異可達(dá)上百萬人民幣。熔融沉積成形型桌面級(jí)3D打印機(jī)價(jià)格相對(duì)便宜，但精度不高，限制了它在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用；國內(nèi)工業(yè)級(jí)高精度3D打印機(jī)市場(chǎng)仍然被3D Systems、EOS、Stratasys等壟斷，價(jià)格相對(duì)較高。打印成本的制約也影響著3D打印技術(shù)的廣泛推廣。近幾年隨著3D打印技術(shù)專利相繼到期、打印材料不斷豐富和價(jià)格下降，3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)及骨科的發(fā)展前景值得我們期待。

1.2.4 其他:3D打印技術(shù)在韌帶和關(guān)節(jié)軟骨方面也存在局限性，韌帶-骨復(fù)合支架的置入，其力學(xué)性能較差，往往會(huì)在恢復(fù)性運(yùn)動(dòng)中發(fā)生固定失敗。關(guān)節(jié)軟骨的再生和修復(fù)在幾十年的探索和研究中取得了一定進(jìn)展，但距功能化恢復(fù)仍有一段距離[13-14]。該技術(shù)也不能完全指導(dǎo)手術(shù)過程，例如骨盆髖臼骨折時(shí)肌肉的阻擋和神經(jīng)血管的分布。人體對(duì)3D打印的光敏樹脂材料具有一定的排異反應(yīng)[15]。另外，手術(shù)導(dǎo)向模板在術(shù)中產(chǎn)生的碎屑是否對(duì)患者產(chǎn)生不利影響，目前也缺少相關(guān)研究[11]。

2 3D打印技術(shù)在創(chuàng)傷骨科中的應(yīng)用

2.1 術(shù)前規(guī)劃

2.1.1 明確骨折診斷及分型:在創(chuàng)傷骨科中，復(fù)雜骨折的診斷及分型是選擇手術(shù)方案及術(shù)中骨折解剖復(fù)位的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)影像學(xué)方法是從二維平面上去閱片，加上醫(yī)生自己的空間想象能力，在腦中恢復(fù)骨折的三維結(jié)構(gòu)，而 3D打印模型立體感更強(qiáng)，能夠還原骨折真實(shí)情況，這不僅可以拓展經(jīng)驗(yàn)豐富的高年資醫(yī)生的手術(shù)治療思路與方法，也可讓年輕醫(yī)生豐富解剖學(xué)知識(shí)、熟悉手術(shù)路徑、拓展空間構(gòu)像能力，逐步積累實(shí)際手術(shù)操作技能，3D打印技術(shù)所塑造的骨折模型能夠幫助他們明確骨折分型，做出正確的診斷，制訂理想的手術(shù)方案。Hurson 等[16]讓3 位經(jīng)驗(yàn)豐富的醫(yī)生和 3 位年輕的醫(yī)生先用傳統(tǒng)影像學(xué)資料對(duì)20例髖臼骨折進(jìn)行分型和診斷，然后用3D打印模型同樣對(duì)這20例髖臼骨折再次進(jìn)行分型和診斷，結(jié)果表明，在對(duì)復(fù)雜骨折的診斷與分型方面，3D打印技術(shù)對(duì)年輕醫(yī)生的幫助是非常明顯的，但是對(duì)經(jīng)驗(yàn)豐富的醫(yī)生來說作用甚微。

2.1.2 模擬手術(shù)及優(yōu)化手術(shù)方案:3D打印技術(shù)可以使醫(yī)生在所打印的模型上進(jìn)行多次手術(shù)預(yù)演。多個(gè)研究結(jié)果表明，在3D打印的模型上進(jìn)行手術(shù)演練，可以讓術(shù)者更加熟悉手術(shù)過程，并且在操作過程中獲得更多啟發(fā)，使其在演練過程中能夠進(jìn)一步優(yōu)化手術(shù)方案，從而選出最適宜的、個(gè)體化最強(qiáng)的手術(shù)操作方法[17-19]。同時(shí)能夠在多次演練中，讓年輕醫(yī)生更充分地掌握該手術(shù)的不同方式及手術(shù)全過程，從而讓年輕醫(yī)生在做助手期間能和主刀醫(yī)生配合得更加默契，縮短年輕醫(yī)生的學(xué)習(xí)曲線。

在模擬手術(shù)期間，可以對(duì)復(fù)雜的骨折進(jìn)行復(fù)位，并對(duì)鋼板進(jìn)行預(yù)彎塑形，這樣，術(shù)者可以對(duì)整個(gè)骨折復(fù)位的過程有一個(gè)提前的演練，使其在真正的手術(shù)過程中能夠操作得得心應(yīng)手，并且能夠減少一些重復(fù)的步驟所帶來的對(duì)周圍組織的損傷，大大縮短手術(shù)時(shí)間，減少術(shù)中出血量及輸血量，從而提高手術(shù)的安全性，這對(duì)患者的預(yù)后起到了至關(guān)重要的作用[19-20]。

2.2 術(shù)中導(dǎo)航:一些復(fù)雜的粉碎性骨折，往往需要術(shù)者憑借扎實(shí)的解剖知識(shí)和豐富的手術(shù)經(jīng)驗(yàn)去操作，但即使這樣，也往往會(huì)出現(xiàn)骨折復(fù)位困難、鋼板螺釘固定位置不佳或在固定過程中造成螺釘進(jìn)入關(guān)節(jié)腔或者椎管內(nèi)。3D打印的術(shù)中導(dǎo)航模板可以成功避免類似事情的發(fā)生，它的優(yōu)點(diǎn)在于：①可定位螺釘方向，增強(qiáng)螺釘位置的準(zhǔn)確性，從而提高手術(shù)的安全性；②手術(shù)操作簡(jiǎn)單化，縮短了低年資醫(yī)生學(xué)習(xí)復(fù)雜手術(shù)的過程；③手術(shù)過程操作準(zhǔn)確性的提高和難易度的下降，導(dǎo)致術(shù)中X線透視次數(shù)減少，手術(shù)時(shí)間以及患者傷口暴露時(shí)間縮短，從而優(yōu)化了手術(shù)效果，大大縮短了患者康復(fù)的時(shí)間，符合現(xiàn)在所提倡的快速康復(fù)理論；④當(dāng)手術(shù)區(qū)域的骨性異常造成骨性解剖標(biāo)志無法觸及時(shí)，術(shù)中的導(dǎo)航模板便可發(fā)揮作用，充分體現(xiàn)了個(gè)體化治療的原則。

金丹等[21]按照腓骨的解剖學(xué)形態(tài)設(shè)計(jì)了導(dǎo)航模板，術(shù)中能精確貼附于腓骨遠(yuǎn)端，并且術(shù)中所置入的螺釘，無論是長度還是方向都非常精準(zhǔn)，大大提高了手術(shù)的安全性。何興容等[22]則設(shè)計(jì)了符合股骨遠(yuǎn)端解剖結(jié)構(gòu)的不銹鋼手術(shù)導(dǎo)航模板，術(shù)中螺釘置入的準(zhǔn)確性高，且未進(jìn)入關(guān)節(jié)腔內(nèi)，安全性高，術(shù)后骨折復(fù)位效果滿意。Brown 等[23]根據(jù)107位骨折患者的骨折情況制作了導(dǎo)航模板，術(shù)中透視發(fā)現(xiàn)所置螺釘位置均非常滿意，未進(jìn)入關(guān)節(jié)腔及椎管內(nèi)，安全性極高。Bagaria 等[24]在4例復(fù)雜骨折手術(shù)中應(yīng)用了導(dǎo)航模板，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，明顯縮短了骨折復(fù)位的時(shí)間，并且由于手術(shù)時(shí)間的縮短，患者組織的暴露時(shí)間、術(shù)中麻藥的給予量、術(shù)中出血量及輸血量均有所減少，這對(duì)患者日后的康復(fù)起到了至關(guān)重要的作用。

2.3 外固定裝置:良好的復(fù)位和適當(dāng)?shù)墓潭▽?duì)骨折是至關(guān)重要的，骨折外固定的優(yōu)點(diǎn)在于操作簡(jiǎn)單、手術(shù)時(shí)間短、對(duì)病人造成的創(chuàng)傷程度小，但缺點(diǎn)在于精確度不夠，機(jī)器人和導(dǎo)航技術(shù)可改善此缺點(diǎn)。西安交通大學(xué)的專家將計(jì)算機(jī)輔助還原技術(shù)與3D打印相結(jié)合，開發(fā)出一種定制的外固定器，用于治療3例脛骨骨折。數(shù)據(jù)顯示：3例脛骨骨折的平均橫向位移為(2.04±1.53)mm，角度為(2.54±1.33)°，均得到良好的縮小。平均手術(shù)時(shí)間為(8.67±0.58) min。這種用于治療脛骨骨折的新型定制外固定器具有手術(shù)操作方便、固定牢固、損傷小和個(gè)體化強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此在臨床應(yīng)用中具有巨大的潛力[25]。

2.4 誘導(dǎo)骨生長:當(dāng)所置入的假體中有骨長入時(shí)，可大大增加置入假體的使用壽命。3D打印技術(shù)所制作的三維置入物以鈦合金等金屬為原料，操作者可根據(jù)患者個(gè)體情況設(shè)計(jì)孔徑、孔徑間的貫通以及彈性模量，這樣可以最大限度增強(qiáng)所置入物的穩(wěn)定性，并且能夠?yàn)檎T導(dǎo)骨長入提供結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。國家口腔醫(yī)學(xué)數(shù)字與材料技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室的專家將P4 hASCs用作種子細(xì)胞，將細(xì)胞加入到20g/L藻酸鈉和80g/L明膠混合物中。接下來，將印刷體成骨誘導(dǎo)1周以獲得實(shí)驗(yàn)組;還印刷了沒有細(xì)胞的藻酸鈉-明膠混合物，以獲得對(duì)照組。實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組均植入裸鼠背部。植入6周后，收集樣品，分析其成骨能力。植入后6周，對(duì)照組大部分樣品呈現(xiàn)不規(guī)則形狀，呈凝膠狀；實(shí)驗(yàn)組的樣品保持原始尺寸，質(zhì)地堅(jiān)韌。實(shí)驗(yàn)組植入后6周可觀察到骨樣組織和血管生長，免疫組織化學(xué)染色顯示骨鈣素的結(jié)果為陽性，Micro CT結(jié)果顯示實(shí)驗(yàn)樣品新骨量18%±1%。遂得出結(jié)論：hASCs-生物材料混合物3D生物印刷體具有異位骨形成的能力，可以將細(xì)胞-生物材料混合物3D生物印刷技術(shù)應(yīng)用于體內(nèi)骨形成領(lǐng)域。

3 應(yīng)用前景及展望

綜上所述，隨著3D打印技術(shù)在創(chuàng)傷骨科領(lǐng)域的廣泛開展和應(yīng)用，患者要求及發(fā)展趨勢(shì)、政策法規(guī)都推動(dòng)著3D打印技術(shù)的推廣與發(fā)展。SmarTech Markets Publishing發(fā)布的研究報(bào)告《醫(yī)療市場(chǎng)的3D打印2015：機(jī)會(huì)分析和十年展望》顯示，到2024年全球用于醫(yī)療行業(yè)的3D打印機(jī)銷售額將增加到5.49億美元，但用于打印材料的銷售額將增加到7億美元，說明3D打印材料的市場(chǎng)需求要比打印設(shè)備更大。我國也頒布了《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃(2015-2016年)》，在該環(huán)境的推動(dòng)下，3D打印技術(shù)已成為創(chuàng)傷骨科的發(fā)展趨勢(shì)。3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)已得到業(yè)界的廣泛認(rèn)可，但其局限性和不足我們要逐步完善，最終要不斷突破難點(diǎn)，將該技術(shù)廣泛應(yīng)用于骨科領(lǐng)域，惠及廣大患者。目前在創(chuàng)傷骨科領(lǐng)域，3D打印技術(shù)仍局限于打印骨骼的模型，而用于內(nèi)固定的鋼板也是在所打印出來的骨骼模型上進(jìn)行預(yù)彎塑形，因此仍無法使內(nèi)固定裝置達(dá)到完全的貼附。而如果在電腦中將骨折復(fù)位，并且將內(nèi)固定裝置連同其所要附著的骨骼一同打印出來，這樣會(huì)使內(nèi)固定裝置無限接近于其所附著骨骼的解剖形態(tài)，這將是一個(gè)新的命題，亟待廣大臨床工作者和科研人員去攻克。

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10.13621/j.1001-5949.2017.07.0667

1.西北民族大學(xué)，甘肅 蘭州 730030 2.西北民族大學(xué)第一附屬醫(yī)院，寧夏 銀川 750002

2017-04-11 [責(zé)任編輯]馬興忠

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