王春鵬，楊海嬌，張成，崔建強，孟永春，徐林

(濱州醫(yī)學(xué)院煙臺附屬醫(yī)院手足外科，山東 煙臺 264006)

3D打印，又稱為添加制造或快速成型技術(shù)，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用黏合材料，通過逐層打印的方式創(chuàng)建實體的技術(shù)。2012年，蘇格蘭學(xué)者應(yīng)用3D打印技術(shù)打印出人造肝臟組織，標(biāo)志著3D打印技術(shù)首次進入醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[1-2]。近年來，3D打印技術(shù)在骨科中的應(yīng)用也實現(xiàn)了巨大飛躍，從最初的3D打印模型到應(yīng)用于臨床手術(shù)操作的3D打印導(dǎo)板、3D打印假體，依托于CT、磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)影像學(xué)圖像的3D打印技術(shù)越來越受到骨科醫(yī)師的關(guān)注和重視。3D打印技術(shù)的應(yīng)用使復(fù)雜的手術(shù)簡單化，優(yōu)化了手術(shù)方案，減少了對機體的損傷，提高了手術(shù)質(zhì)量，為臨床醫(yī)師提供了一種新的思路和方法，3D打印技術(shù)已在假肢、人造骨、手術(shù)輔助等方面得到探索和應(yīng)用，已成為滿足個性化需求的重要途徑[3]?，F(xiàn)就3D打印技術(shù)在骨科領(lǐng)域的應(yīng)用進展予以綜述。

1 3D打印模型在骨科中的應(yīng)用

通?？赏ㄟ^X線片、CT、MRI等影像學(xué)圖像判讀骨折的部位、范圍以及嚴重程度。但是對于一些臨床學(xué)生或低年資的醫(yī)師來說，可能很難通過二維圖像對骨折有一個全面的理解。與傳統(tǒng)的影像學(xué)圖像相比，3D打印的1∶1實物模型具有獨特的直觀性、可觸摸性和體外操作性[4]。借助3D打印模型可以充分了解骨折塊間的三維結(jié)構(gòu)、明確骨折的分類、了解各骨折碎塊間的關(guān)系[5-6]。3D打印模型還可用于術(shù)前的醫(yī)患溝通，可以從多個視角對骨折進行觀察，賦予了視覺上和觸覺上的全新體驗，簡化了對復(fù)雜骨折的評估。

3D打印模型是將患者的CT、MRI影像學(xué)數(shù)據(jù)以DICOM格式導(dǎo)出，導(dǎo)入到Mimics軟件中，利用該軟件設(shè)計1∶1的3D虛擬模型，將其導(dǎo)出到STL格式文件夾內(nèi)并使用3D打印機打印。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，越來越多的復(fù)雜骨折患者在3D模型輔助下得以更好地進行術(shù)前評估，并制訂優(yōu)良的手術(shù)治療方案[7]。

術(shù)前根據(jù)3D打印模型可以推演出手術(shù)操作中潛在的困難，從而可以選擇最佳的手術(shù)方案，減少對患者的損傷以及術(shù)中儀器設(shè)備的使用[8]。術(shù)前在真實比例大小的3D打印模型上模擬手術(shù)操作，可以確定手術(shù)入路、復(fù)位和內(nèi)固定的理想順序，確定內(nèi)固定物放置的最佳位置并對預(yù)后進行預(yù)估。內(nèi)固定物的放置由骨折線的方向和位置決定[9]，內(nèi)固定物的模擬包括鋼板的方向、大小，螺釘?shù)奈恢?、方向、長度及數(shù)量。術(shù)后許多并發(fā)癥的發(fā)生與內(nèi)固定物的位置、長度等有關(guān)，如螺釘過長可能會造成肌腱的磨損和斷裂；螺釘進入到關(guān)節(jié)內(nèi)會影響關(guān)節(jié)活動等，通過在3D打印模型上進行術(shù)前規(guī)劃可避免或減少并發(fā)癥發(fā)生。另有報道指出，可根據(jù)患者的具體情況，利用3D打印技術(shù)打印個性化鋼板內(nèi)固定物，個性化內(nèi)植入物的使用可簡化手術(shù)步驟，減少組織損傷。Chung等[10]報道，可使用3D打印模型在術(shù)前對鋼板進行預(yù)彎。3D打印模型具有簡單、方便、經(jīng)濟等優(yōu)點，對初學(xué)內(nèi)固定置釘者尤為適用，有助于克服心理難關(guān)[11]。

3D打印模型可以準(zhǔn)確顯示骨折的部位及嚴重程度，明確骨折的類型，提升臨床教學(xué)質(zhì)量，方便醫(yī)師間及醫(yī)患間的交流和溝通，并能夠?qū)崿F(xiàn)良好的術(shù)前規(guī)劃設(shè)計，減少術(shù)中決策，降低術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生率，提高患者的滿意度。

2 3D打印截骨導(dǎo)板在骨科中的應(yīng)用

骨骼畸形不僅影響美觀，還可能導(dǎo)致功能受損，需要截骨矯形改變骨骼外形改善患者的功能。對于截骨矯形手術(shù)，尤其是多平面、多層次的復(fù)雜截骨矯形，如何提高截骨的精確性、減少對患者的損傷、快速安全地完成手術(shù)操作是骨科臨床治療的重點。3D打印導(dǎo)板輔助下的截骨矯形術(shù)為截骨矯形提供了一種新的手術(shù)操作方式。利用3D打印導(dǎo)板可以保證截骨矯形手術(shù)的精確性，有助于達到理想的截骨狀態(tài)。

3D打印個性化截骨導(dǎo)板的制備首先是要獲取患者的CT或MRI影像學(xué)圖像，將圖像信息導(dǎo)入Mimics軟件進行三維重建，通過鏡像技術(shù)將健側(cè)與畸形側(cè)圖像進行疊加，明確畸形位置和畸形程度。隨后，在畸形愈合區(qū)域設(shè)置虛擬切割平面，旋轉(zhuǎn)移動切割下的骨塊使其與健側(cè)相匹配，設(shè)計出個性化的3D打印截骨導(dǎo)板，用3D打印機打印出導(dǎo)板實物。目前3D打印個性化截骨導(dǎo)板在臨床截骨矯形中的應(yīng)用越來越廣泛。

橈骨遠端畸形愈合是橈骨遠端骨折的常見并發(fā)癥，5%的橈骨遠端骨折會出現(xiàn)橈骨遠端畸形愈合[12]。實施截骨矯形手術(shù)必須進行精準(zhǔn)的操作，利用3D打印技術(shù)可以很好地應(yīng)對橈骨遠端復(fù)雜畸形的截骨矯形，優(yōu)化截骨矯形術(shù)的效果[13-14]。Honigmann等[13]的研究發(fā)現(xiàn)，3D打印導(dǎo)板輔助下的橈骨遠端掌側(cè)楔形截骨矯形術(shù)的平均手術(shù)時間為60 min，不使用導(dǎo)板的手術(shù)時間為90 min。3D打印技術(shù)對兒童前臂畸形截骨矯形的初步效果較好，所有患兒的前臂旋轉(zhuǎn)度較前有明顯改善(均>120°)，并可提高下尺橈關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性[14]。下頜骨不僅會影響面部輪廓及美觀，還具有咬合及咀嚼等功能，Stoker等[15]率先將3D打印模型應(yīng)用于顱頜面手術(shù)的術(shù)前模擬，首次將3D打印技術(shù)與顱頜面外科相結(jié)合，成功的手術(shù)不僅可以改善臉型和下頜角的形態(tài)，還不影響正常口腔的生理功能[16-17]。Xiao等[16]的研究指出，3D打印導(dǎo)板輔助下行截骨的患者術(shù)后恢復(fù)平穩(wěn)，未出現(xiàn)明顯感染、面部麻痹、骨壞死或骨骼移位，下頜角的角度以及下頜骨寬度均得到明顯改善。對于脛骨截骨，選擇合適的截骨平面是成功實現(xiàn)高位楔形脛骨截骨術(shù)的必要條件。Yang等[18]報道了7例接受3D打印導(dǎo)板輔助下行脛骨截骨的患者，門診隨訪治療效果令人滿意。使用3D打印導(dǎo)板行脛骨高位楔形截骨可以縮短手術(shù)時間，并在減少透視次數(shù)的同時可以實現(xiàn)高精度軸向校正[19]。

與傳統(tǒng)截骨矯形相比，3D打印截骨導(dǎo)板輔助下的截骨矯形可以進行精確的術(shù)前規(guī)劃設(shè)計，截骨平面定位準(zhǔn)確，減少了術(shù)中人為失誤，提高了手術(shù)的準(zhǔn)確性，實現(xiàn)對手術(shù)效果的預(yù)估，降低了手術(shù)并發(fā)癥的發(fā)生率，避免術(shù)中過度矯形或矯形不足，在術(shù)后功能改善方面也取得了不錯的效果。尤其是對于復(fù)雜的多平面截骨，傳統(tǒng)截骨手術(shù)方式對于術(shù)者的技術(shù)要求較高，截骨難度大，截骨失敗不僅影響外形美觀，還可能損傷患者功能。此外，個體差異也會增加截骨難度，3D打印個性化導(dǎo)板輔助下的截骨簡化了手術(shù)流程，降低了截骨的復(fù)雜性。3D打印導(dǎo)板技術(shù)已經(jīng)在臨床截骨矯形手術(shù)中取得了成功，3D打印導(dǎo)板輔助下的截骨矯形術(shù)的臨床療效肯定。

3 3D打印導(dǎo)航導(dǎo)板在骨科中的應(yīng)用

3D打印導(dǎo)航導(dǎo)板為骨折內(nèi)固定物的置入提供了一種新的手術(shù)操作方式，符合現(xiàn)代醫(yī)學(xué)個性化治療的要求。3D打印導(dǎo)航導(dǎo)板的設(shè)計是將患者CT圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Mimics軟件中，重建骨折的三維模型，將局部作增厚處理為底基，利用軟件操作在底基上確定導(dǎo)板導(dǎo)孔通道的方向，并且可以測量螺釘?shù)拈L度和直徑，設(shè)計好的導(dǎo)板以STL格式導(dǎo)出，利用打印機進行打印。3D打印導(dǎo)航導(dǎo)板的應(yīng)用降低了手術(shù)操作的難度，實現(xiàn)了內(nèi)固定物的精確置入，減少了患者的損傷，降低了并發(fā)癥的發(fā)生率。

3D打印導(dǎo)航導(dǎo)板臨床應(yīng)用療效確切。劉毅等[20]將3D打印導(dǎo)板技術(shù)應(yīng)用于骶髂關(guān)節(jié)螺釘?shù)闹萌?，術(shù)后6個月隨訪發(fā)現(xiàn)，5例骨盆后環(huán)骶髂關(guān)節(jié)復(fù)合體損傷患者Maieed評分均為優(yōu)。該術(shù)式極大地簡化了骶髂關(guān)節(jié)螺釘置入的操作流程，與傳統(tǒng)術(shù)式相比，具有微創(chuàng)等優(yōu)勢。吳曉宇等[21]評估了3D打印頸椎前路椎弓根螺釘導(dǎo)板的準(zhǔn)確性，按照螺釘偏離椎弓根的絕對值進行評價發(fā)現(xiàn)，位于安全位置的螺釘占95%(19/20)。沙西卡·那孜爾等[22]發(fā)現(xiàn)，采用3D打印技術(shù)設(shè)計的椎弓根螺釘?shù)闹睆胶烷L度、進釘方向以及進釘點與后正中線的距離等指標(biāo)手術(shù)前后使用情況一致。3D打印導(dǎo)航導(dǎo)板可以顯著縮短手術(shù)時間、減少術(shù)中透視次數(shù)以及出血量。陶星光和周凱華[23]的報道指出，3D打印導(dǎo)板應(yīng)用于骨盆骨折時，每枚螺釘?shù)闹萌霑r間為5.1～17.5 min，平均10.3 min；每枚螺釘?shù)耐敢暣螖?shù)為6～16次，平均9次。Zheng等[24]對股骨頸骨折病例的研究發(fā)現(xiàn)，在導(dǎo)板的幫助下，3枚螺釘可以精確地植入股骨頸以鎖定加壓髖鋼板，并穩(wěn)定骨折塊，所有11例患者均一次性成功穿入螺釘。Chen等[25]將3D打印導(dǎo)板應(yīng)用于胸椎椎弓根螺釘置入發(fā)現(xiàn)，置入的50枚螺釘與鄰近結(jié)構(gòu)(如椎體和椎管)的位置關(guān)系良好，無骨皮質(zhì)穿透。3D打印導(dǎo)板與實際解剖部位吻合良好，固定牢靠，螺釘置入過程中位置不需調(diào)整，是一種有效的治療方法。

當(dāng)3D打印導(dǎo)航導(dǎo)板的應(yīng)用足夠成熟時，螺釘?shù)闹萌胪瓿蓛H需要進行一次透視，大大減少了患者與臨床醫(yī)師X線的攝入量，降低了對術(shù)者臨床經(jīng)驗的要求，即使低年資醫(yī)師也可以利用3D打印導(dǎo)航導(dǎo)板進行復(fù)雜的骨折內(nèi)固定手術(shù)。尤其是在脊柱手術(shù)中，螺釘位置控制不當(dāng)易造成神經(jīng)損傷，而3D打印導(dǎo)航導(dǎo)板技術(shù)可以有效地減少術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生。

4 3D打印假體在骨科中的應(yīng)用

隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展和3D打印材料的更新，3D打印假體也已經(jīng)開始應(yīng)用于臨床。目前3D打印假體的短期臨床效果顯著，但長期效果還有待進一步驗證。將患者的CT、MRI影像學(xué)圖像導(dǎo)入到Mimics軟件中，通過與健側(cè)對比，利用3D鏡像技術(shù)對CT或MRI圖像進行分割處理可以設(shè)計假體形狀。

Kienb?ck病是由月骨缺血性壞死造成的，將缺血壞死的月骨切除后，利用3D打印假體填補腕部空隙，可以避免相鄰關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生，使用3D打印月骨假體可以對Kienb?ck病進行解剖重建[26]。Unkovskiy等[27]研究報道，與傳統(tǒng)方法相比，早期直接應(yīng)用3D打印的硅膠假體修復(fù)鼻部缺損是一種有效的治療方式。對于手部部分截肢的患者，使用3D打印硅膠假體的患者可以完成許多復(fù)雜的任務(wù)，如釘釘子、打開塑料袋等[28]。對于腫瘤患者，利用3D打印技術(shù)可以最大限度地保留腫瘤周圍軟組織，降低腫瘤切除風(fēng)險[29]。骨腫瘤患者在腫瘤切除術(shù)后會導(dǎo)致骨骼缺損，可使用3D打印假體進行修復(fù)處理。利用3D打印骨盆假體重建骨盆腫瘤切除后骨缺損的短期隨訪中未見假體松動、斷裂或移位，其具有良好的穩(wěn)定性及力學(xué)傳導(dǎo)性能，個體化定制的鈦合金3D打印假體已經(jīng)進入臨床試驗階段，并取得了成功[30-31]。

3D打印假體能夠很好地恢復(fù)骨骼的形狀和位置，在改善患者的功能方面起重要作用，術(shù)中可實現(xiàn)精確匹配，短期并發(fā)癥少，穩(wěn)定性可靠，安全性高。

5 3D生物打印在骨科中的應(yīng)用

3D生物打印技術(shù)作為一種三維生物加工技術(shù)，可以精確地分配載有細胞的生物材料，具有將生物材料支架和細胞同時沉積到指定位置，進而產(chǎn)生三維結(jié)構(gòu)的能力，這是傳統(tǒng)組織工程的巨大改革。利用3D打印技術(shù)通過使用各種生物材料作為生物油墨可以實現(xiàn)對具有特殊孔徑、孔隙率、幾何形狀的結(jié)構(gòu)的打印。典型的3D生物打印過程一般包括三個階段，即預(yù)處理、處理和后處理階段。預(yù)處理涉及醫(yī)學(xué)圖像獲取、設(shè)計以及合適的3D打印材料選擇；預(yù)處理后，將設(shè)計的圖像傳送到生物打印系統(tǒng)，并加載生物墨水進行處理；在后處理階段，將印刷結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到生物反應(yīng)器中用于組織成熟。目前3D生物打印技術(shù)已廣泛用于血管、肌肉、軟骨、骨等功能組織的構(gòu)建。

合適的生物材料和合適的細胞類型是打印骨組織的兩個關(guān)鍵因素。水凝膠在骨再生方面具有廣闊的應(yīng)用前景。Huang等[32]用聚乙二醇雙丙烯酸酯水凝膠、丙烯酸酯精氨酰-甘氨酰-天冬氨酸以及金屬蛋白酶共同打印骨組織，以促進細胞黏附、存活和分化。噴墨生物打印具有直接修復(fù)軟骨組織的能力。研究表明，打印的軟骨細胞均勻分布在3D水凝膠中，且90%的細胞具有較高的活力[32]。原發(fā)性骨腫瘤給患者帶來了巨大痛苦，腫瘤手術(shù)造成的骨缺損，應(yīng)使用具有良好的成骨能力以修復(fù)骨缺損的生物材料。同時，為了防止腫瘤復(fù)發(fā)，最重要的一點是骨缺損周圍的剩余腫瘤細胞要被完全殺死。Ma等[33]制作了一個3D打印生物陶瓷支架，其表面為均勻的自組裝鈣-磷/多聚多巴胺納米層。3D打印生物陶瓷中的貽貝激發(fā)納米結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出顯著的腫瘤治療和骨再生能力，為廣泛治療腫瘤導(dǎo)致的組織缺損提供了一種新型的雙功能生物材料。用于填補大節(jié)段骨缺損的材料應(yīng)具有較高的機械穩(wěn)定性，并且具有允許骨、組織和細胞向內(nèi)生長的多孔結(jié)構(gòu)。3D打印技術(shù)是一種制造骨組織工程中三維多孔支架簡單有效的技術(shù)，聚乳酸是一種很有前景的生物打印材料，可通過水解降解為無害和無毒的物質(zhì)[34]。

3D打印的支架優(yōu)于傳統(tǒng)支架，能夠滿足不同骨缺損面積患者的個性化需求，臨床應(yīng)用的優(yōu)點包括易于手術(shù)操作，手術(shù)時間較短，具有良好的外形效果等。對于含細胞的生物打印而言，被用作生物墨水的物質(zhì)主要包括水凝膠、膠原、聚乳酸-羥基乙酸共聚物以及聚乙二醇等合成聚合物[35]。3D打印技術(shù)能夠構(gòu)建載有生物活性藥物、細胞和蛋白質(zhì)的個性化內(nèi)植入物。

6 問題與展望

目前3D打印技術(shù)尚不成熟，3D打印的活細胞和生物活性因子應(yīng)用于臨床實際操作的報道較少，3D打印技術(shù)的應(yīng)用還有待于進一步的探索。3D打印材料有限，根據(jù)臨床用途的不同，打印材料也存在差異，目前打印骨科內(nèi)植入物最常用的是金屬鈦合金粉末，新的材料的研發(fā)決定著3D打印技術(shù)在骨科中的發(fā)展前景。目前無論是3D打印模型、截骨導(dǎo)板還是3D打印假體耗時均較長，費用比較昂貴，在臨床的應(yīng)用需征得患者及家屬的同意。

3D打印技術(shù)為臨床醫(yī)師提供了一個新的思路和方法，在臨床上的應(yīng)用已經(jīng)取得了階段性的成功，為臨床工作帶來了便利，隨著3D打印技術(shù)的日臻完善，將會在骨科領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。