蘇煒煒，謝普生，譚晉川，王勉，黃文華

1.南方醫(yī)科大學第三附屬醫(yī)院骨外科，廣州510630；2.南方醫(yī)科大學基礎(chǔ)醫(yī)學院人體解剖學國家重點學科，廣州510515

前言

3D打印技術(shù)屬于快速成型技術(shù)，它是通過短時間內(nèi)累加材料，制成立體的3D實體模型，故又稱作增材制造技術(shù)［1-2］。3D打印機出現(xiàn)于1986年，而我國于2012年8月15日才研發(fā)成功，經(jīng)過短短的數(shù)年時間，3D打印技術(shù)已經(jīng)有了飛躍式的發(fā)展。3D打印最先被應(yīng)用于工業(yè)，隨著技術(shù)的成熟，3D打印在醫(yī)療方面的應(yīng)用也逐漸受到重視并且已經(jīng)取得了令人驚喜的成果。骨骼在人體中主要起支撐的作用，相對來說，我們更加重視它的結(jié)構(gòu)特性。3D打印能夠制作出精細、穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)，具有很好的力學特性，支撐性強，更有研究表明有望制成具有生物活性的人造骨骼。本文主要介紹了3D打印技術(shù)在骨科領(lǐng)域的應(yīng)用近況、面臨的一些問題以及對未來的展望。

1 3D打印技術(shù)在骨科的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 術(shù)前規(guī)劃

利用3D打印技術(shù)可以在術(shù)前根據(jù)患者的影像學資料所提供的數(shù)據(jù)，構(gòu)建出所需部位1：1實物模型，這對于術(shù)前規(guī)劃具有重要作用。

首先，有助于術(shù)前診斷。現(xiàn)有的影像學檢查只能夠提供單一的二維平面圖像，當發(fā)生復雜骨折時，這些傳統(tǒng)的影像學檢查并不能清晰而又直觀的顯示出三維解剖關(guān)系。而1：1實物模型則可以直觀、立體的呈現(xiàn)出骨折后的全貌，不易漏診一些細微的變化。特別是對于部分低年資醫(yī)師，由于他們的臨床經(jīng)驗不足，容易發(fā)生誤診、漏診，而如果將患者受傷后的骨骼模型打印出來，再次進行評價，則診斷的符合率能夠大幅上升［3］。

其次，有助于設(shè)計手術(shù)方案、術(shù)前模擬手術(shù)。通過這些直觀、立體的3D打印模型，醫(yī)師可以更加容易找到手術(shù)思路、制定出切實可行的手術(shù)方案。同時，醫(yī)師還可以在這些1：1實物模型上進行手術(shù)預(yù)演，通過多次的體外手術(shù)訓練，在手術(shù)過程中做到有條不紊，簡化操作、縮短手術(shù)時間、減少患者的術(shù)中出血量［4-5］。柳鑫等［6］選取53例髖臼骨折病人，其中19例病人根據(jù)CT數(shù)據(jù)，打印3D模型、術(shù)前模擬手術(shù)；另外34例病人按照常規(guī)方法進行手術(shù)。結(jié)果表明，實驗組病人的術(shù)中出血量、圍手術(shù)期輸血量均較常規(guī)組少，并且手術(shù)用時短。

1.2 術(shù)中導航

通過收集患者的CT等影像學檢查數(shù)據(jù)，打印出3D模型、模擬復位，我們可以確定螺釘?shù)姆较蜉S、直徑、長度，結(jié)合軟件設(shè)計、制作出適合患者的手術(shù)導板。

黃華軍等［7］募集復雜脛骨平臺骨折患者20例，重建出三維模型、設(shè)計內(nèi)固定方案、打印出手術(shù)導板，在3D模型上模擬手術(shù)。結(jié)果顯示手術(shù)效果良好，螺釘長度適合，說明手術(shù)導板的應(yīng)用可以提高骨折內(nèi)固定的效果。Zeng等［8］募集了10例髖臼骨折病人，打印出手術(shù)導板，術(shù)中發(fā)現(xiàn)預(yù)彎的手術(shù)導板與骨骼契合良好，不用再進行塑形或其他調(diào)整，手術(shù)效果基本可以達到骨折的解剖復位。而且病人在復位后產(chǎn)生的移位較小，均未出現(xiàn)螺釘穿出、畸形愈合。盛曉磊等［9］研究了導板輔助對于頸椎手術(shù)的影響程度。結(jié)果顯示，導板的應(yīng)用讓手術(shù)置釘更為安全、精確，并且簡化了手術(shù)過程、有利于術(shù)后恢復。

1.3 骨科臨床教學

對于年輕醫(yī)師來說，課本的知識較為枯燥，不能夠在頭腦中形成圖像，缺乏感性認識，而這些實物模型則能夠形象的體現(xiàn)出我們?nèi)梭w的解剖結(jié)構(gòu)，帶教老師還可以在實物模型上進行演示，讓實習醫(yī)師理解得更加透徹。而且，通過在3D模型上進行模擬手術(shù)，能夠加快實習醫(yī)師吸收、利用課本知識，掌握該種疾病解剖變化。這種教學方法可以明顯提高教學質(zhì)量［10-11］。

李忠海等［12］將3D打印模型應(yīng)用于臨床教學工作中，與傳統(tǒng)的教學方法相比較，這種感性的新型教學方法能夠幫助實習醫(yī)師提高讀片能力和對該類疾病的診斷能力，對于解剖關(guān)系和病變類型的理解更加深刻，此外，它使教學方式更加多元化，教學的效果顯著提升。

1.4 醫(yī)患溝通

醫(yī)患矛盾的產(chǎn)生，往往來自于溝通的不充分，患方一般不具備專業(yè)的醫(yī)學知識，不能夠理解復雜的解剖結(jié)構(gòu)以及手術(shù)的危險性，醫(yī)方由于工作量大，不能夠一一向患方解釋醫(yī)學原理。而現(xiàn)在通過3D打印的1：1實物模型，醫(yī)方就可以較為清晰的向患方解釋手術(shù)的過程、手術(shù)的難點、手術(shù)存在的風險以及可能出現(xiàn)的并發(fā)證，患方有一個直觀的感受，也就比較容易接受手術(shù)所出現(xiàn)的各種結(jié)果［13］。

1.5 骨折康復支具

骨折后對骨折部位進行外固定對于骨折的愈合過程非常重要，我們傳統(tǒng)的外固定材料一般選用石膏、繃帶或者夾板，而這些外固定材料透氣性差、固定不牢靠、容易壓迫血管、減少血供，利用3D打印技術(shù)所打印出的康復支具，在這方面的應(yīng)用則具有巨大的優(yōu)勢。

廖政文等［14］利用3D打印技術(shù)，打印出個性化前臂矯形康復支具，該支具的佩戴更加舒適、透氣性好，患者滿意度明顯增加。陸亮亮等［15］利用FDM技術(shù)打印出拇指指骨骨折康復支具。此種3D打印支具與傳統(tǒng)的骨折固定器具相比，它更貼合患者的骨骼生理構(gòu)造，在佩戴上也更加方便、美觀，而且，該支具可承受更強外力的作用，而不會對指骨骨折部位有不良影響。

1.6 骨科金屬內(nèi)植物

關(guān)于3D打印骨科金屬內(nèi)植物的研究起始于歐洲，我國也很重視在這方面的探索。與傳統(tǒng)的金屬內(nèi)植物相比較，這種個性化內(nèi)植物與個體的匹配度更加高，它是根據(jù)患者所需來進行打印的，尺寸更加的適合，能夠讓患者術(shù)后功能恢復更佳。更為前沿的研究是通過在金屬內(nèi)植物中添加藥物來刺激成骨、治療疾?。?6-17］。

黃淦等［18］將3D打印鋼板應(yīng)用于骨盆骨折病人，結(jié)果顯示，患者術(shù)中情況較常規(guī)手術(shù)的患者好、透視次數(shù)顯著減少，隨訪結(jié)果顯示愈合時間更短，療效更好。

1.7 生物打印

3D生物打印是將器官三維模型當作原型，利用可吸收材料進行打印載體支架，與細胞聯(lián)合培養(yǎng)，制成功能組織，或者利用患者自身的細胞直接打印，制成組織或器官的先進技術(shù)［19］。目前，3D生物打印技術(shù)已經(jīng)運用于打印人體皮膚、骨骼、血管和心臟組織，雖然還沒有在臨床上廣泛運用，但是可以看出這項技術(shù)具有很好的發(fā)展前景，該項技術(shù)在骨科上的運用更是成為了一個研究熱點。

Wang等［20］利用一種新型的低溫3D打印技術(shù)制備出（rhBMP-2）-（Ca-P）納米粒子/聚L-乳酸（PLLA）復合支架，這種支架能夠指導骨髓間充質(zhì)干細胞的分化、提高細胞活力、附著能力、增殖能力和成骨分化能力。張明等［21］研制出基于3D打印技術(shù)的復合鎂骨修復支架，該種支架具有生物活性，有利于植入部位骨再生及功能重建。

2 3D打印存在的一些問題及未來展望

2.1 3D打印的不足

當下，3D打印在臨床應(yīng)用中依然具有一些不足:第一，造價昂貴。3D打印技術(shù)所制造的產(chǎn)品都是個性化的，不能夠批量制造，生產(chǎn)造價較高［22］。第二，定制的周期過長，不適用于急診手術(shù)。3D打印技術(shù)雖然屬于快速成型技術(shù)，但是它要根據(jù)患者情況，實現(xiàn)個體化打印，所以它所需要的時間還是較長。第三，對材料的要求嚴格，導致材料的研發(fā)難度大，可用種類少。目前所應(yīng)用的材料包括金屬、陶瓷、光敏樹脂、石膏等。而且，使用金屬作為材料打印內(nèi)植物對于一部分患者還存在金屬過敏的風險［23］。第四，機械強度不夠。利用3D打印技術(shù)所制造出的內(nèi)植物是材料堆積、高溫粘合所形成的，所以它的脆性大、不能夠承受較大的外力沖擊，而骨骼是主要的承重結(jié)構(gòu)，也容易受到外界的沖擊，所以要將它作為骨科內(nèi)植物，還應(yīng)該提升它的機械強度。

2.2 展望

3D打印的迅速發(fā)展，讓我們對以往的一些難治、不可治疾病產(chǎn)生了希望。近年來，3D打印在醫(yī)學方面的利用也受到了重視，在骨科的應(yīng)用更是異軍突起。雖然3D打印當下依然有許多不足，但是我們相信不斷涌現(xiàn)的新成果必將彌補這些問題。

就目前的技術(shù)而言，大塊的骨缺損是較難修復的［24］，然而3D打印技術(shù)如果能夠?qū)崿F(xiàn)打印具有生物活性的骨，這必將促進植骨術(shù)的迅速發(fā)展。雖然還沒有實現(xiàn)于臨床應(yīng)用，但是我們可以看到近幾年來，關(guān)于這方面的動物研究已經(jīng)取得了很大進展，有望實現(xiàn)臨床應(yīng)用。

材料限制了3D打印的應(yīng)用，然而隨著科技進步，這并不會成為一個高不可攀的難題。張海峰等［25］將3D打印的聚乳酸-羥基磷灰石（PLA-HA）作為支架載體，與細胞聯(lián)合培養(yǎng)，觀察細胞在PLA-HA上的生長狀況，發(fā)現(xiàn)細胞生長良好。

機械強度問題也在慢慢地被克服。Xie等［26］使用DMLS 3D打印技術(shù)打印鋼板，將其與傳統(tǒng)重建鋼板對比，觀察它們在各個方面的體外力學特性。結(jié)果顯示DMLS鋼板硬度及靜態(tài)彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度較傳統(tǒng)重建鋼板更大，而在動態(tài)疲勞測試中，DMLS鋼板亦能滿足臨床固定需求。可見，3D打印鋼板的機械強度正在被提高。

另外，因意外而導致肢體殘疾的人逐年增高，肢體散失對他們的打擊不止表現(xiàn)在生理方面，在心理方面也會對他們造成難以彌補的創(chuàng)傷。目前所使用的大多是僅僅起裝飾作用的無功能假肢，還遠遠無法滿足殘疾人的生活需求，現(xiàn)在已有學者研究利用3D打印技術(shù)打印假肢并且配備有集成傳感器、電子控制裝置，兼顧了外觀和功能的實現(xiàn)，隨著技術(shù)的發(fā)展，在不久的將來，有望實現(xiàn)功能的完全替代，其某些性能甚至能夠超過人類的真實肢體。

要實現(xiàn)3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，必須有政府支持、多方合作、自主創(chuàng)新，學校、醫(yī)院、企業(yè)三方如果能夠相互合作，實現(xiàn)研發(fā)、臨床實驗、生產(chǎn)的密切結(jié)合，這必將推動我國3D打印技術(shù)在醫(yī)療上的騰飛。