快速成型技术在骨科中的应用

王小龙 郁凯 张殿英

快速成型技术在骨科中的应用

王小龙 郁凯 张殿英

快速成型(rapid prototyping,RP)技术是一项基于离散或堆积成型原理的新型数字化成型制造技术,可根据零件特点,将设计构思利用计算机辅助设计(computer aided design,CAD)电子模型,直接、快速、精确地转变为实物原型。通过材料的精确堆积,快速生产原型,具有快速灵活、适合任何形状的优点[1],而这也正是个性化要求的相关临床医疗领域所需要的。骨科是临床应用金属植入物最多的学科,由于人骨骼的不规则性,常常遇到植入物与患区骨骼不匹配,须临时对植入物进行塑型,这不但对植入物造成了磨损,而且难以获得满意的形状,导致植入物与患区匹配不佳,既延长了手术时间,又影响手术效果[2]。若术前能针对性定制金属植入物,不仅使植入物与患区获得良好的匹配,而且缩短手术时间,提高手术的效率和安全性。

一、RP技术在骨科领域中的应用

(一)骨模型制作

RP制作实体骨模型可以提供骨结构的精确解剖数据,展现骨骼直观、细微的结构,可用于辅助诊断及术前分析制定手术方案。此外还可以模拟现场手术,将实体模型消毒后置于手术台上,提供空间位置导向,弥补术中骨骼的有限暴露。Bagaria等[3]利用RP技术制备了髋臼、跟骨和股骨内侧髁等复杂骨折的模型,在术中为术者提供三维空间位置,结果明显减少了手术时间,从而减少了麻醉剂剂量和术中的出血量。Wu等[4]根据复杂重度先天性脊柱侧弯畸形CT扫描数据通过RP技术制备模型,用于术前测量椎弓根形态和椎体旋转角度,选择合适的内置物,术中对照模型确定螺钉进钉点、钉道和钉长,并将RP技术与传统透视技术的手术结果进行对比,结果显示应用RP技术可以减少手术时间和螺钉误置率。

(二)制作内固定物及人工假体

RP技术可应用于骨科内置物的个体化制造,因其具有满足复杂解剖部位假体制造的多样性、复杂性和快速性要求的特点。RP技术目前可定制解剖型钢板、人工骨盆、椎体及关节。骨吸收和假体无菌性松动是影响人工关节有效使用寿命的因素,人工关节不能确保长期稳定的原因是标准人工假体与患者骨骼之间不能精确匹配,而个体化人工关节可以最大限度的实现匹配,防止骨吸收和无菌性松动的发生[5]。

(三)手术内固定模板

目前的内固定器械常有配套的通用瞄准器械或模板系统,以辅助内固定物置入,缺点是术中需要X线透视确定内固定物位置。而利用RP技术制造个体化内固定模板则能够与实体骨骼完全匹配,具有安全、准确等优点,减少医务人员和患者术中放射线暴露时间[6]。在脊柱外科方面,RP个体化模板同样为椎弓根钉或关节突螺钉的置入提供了新的置钉方法,具有置钉准确、操作简单的优点,缩短手术时间,减少医务人员和患者术中放射线暴露时间[7]。

(四)制备骨组织工程支架

用RP技术构建骨组织工程支架材料有着其他传统成型工艺不可比拟的优势,能够制造出类似天然骨组织内部的三维孔腔结构[8]。支架材料骨架结构孔隙率及孔径大小影响纤维血管组织向内生长。植骨材料孔径在100～800μm,孔隙率在50%体积具有更好的骨细胞长入[1]。

二、不同的RP技术

(一)选择性激光烧结

选择性激光烧结是一种生产制造技术,利用激光发热将聚合物颗粒熔融烧结为所需的形状[9]。此技术适用于骨组织工程支架生产。该技术的局限性在于其分辨率受到激光束直径的限制。改进选择性激光烧结加工工艺主要包括:使用更小的激光束直径,更细的粉末,更薄的烧结层,从而生产出分辨率更高的支架,扩大支架的表面积,有利于细胞的生长[10]。

(二)熔融沉积成型

熔融沉积成型是将热熔性材料加热熔化,通过喷头挤喷出来,随即与前一个层面熔结在一起,逐层沉积直至形成三维支架[11]。该项技术适合于生产骨模型和制造内固定模板,局限性在于其Z轴方向的运动有限,不利于三维构建。此外,用于熔融沉积成型的材料对其熔点和加工条件有较严格的限制[12]。

(三)立体光刻技术

立体光刻技术是以光敏树脂为原料,紫外激光器发射激光,在光树脂表面进行逐点扫描,使被扫描区域的树脂薄层发生光聚合反应而固化,形成一个薄层。一层固化完毕后,工作台下降一个凝固层的厚度,在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂,然后进行下一层的扫描加工。新固化的一层牢固地黏在前一层上,如此反复直到三维构建完成[13]。此类技术适用于生产人工假体及骨骼支架,其局限性在于树脂类材料不具有生物可降解性[14]。

(四)3D打印技术

3D打印技术采用离散堆积的方法,可以制造任意复杂的三维结构,成型过程与工件的复杂程度没有直接的关系。根据孔隙率、微孔的大小和调节支架材料粉末颗粒的大小[15],制造出适应细胞生长的活性骨骼,非常适合制造人体骨骼[10]。3D打印技术制造人体骨骼与传统的人体骨骼制造技术相比,不需要制造人体骨骼的模具,具有生产周期短和成本低等优点。与其他RP技术相比,3D打印成形技术由于其设备和材料相对便宜,运行成本较低,打印速度快,可制作精细、复杂的实体,已成为近年来RP行业研究和应用的热点[16]。

三、3D打印技术的难题

(一)三维建模的难度

目前CT机的接口为DICOM格式,由CT机得到的骨骼断层图像,经过MIMICS软件导入DICOM格式文件,软件自动设定CT原始扫描参数,每层原始图像灰度值以内插值处理,达到亚体素的精度。调整窗位及窗宽,使对比度达到最佳可视度,调整方向和阈值[14],转化为3D打印机所用的STL文件,用MAGICS软件对STL格式文件进行处理得到SLC格式的加工文件。骨骼数据转化的困难是当前CT机最小每层扫描厚度是0.3 mm,而3D打印的每层扫描厚度减小到0.02 mm,在0.3 mm内的变化无法在三维重构中体现,这会造成关节曲面没有实物光整[17]。

(二)高成本、高费用、高耗材

目前,国内3D打印技术并不成熟,原材料都由国外厂家直接提供,尚未实现第三方供应原材料的模式,直接推高了原材料的价格[8]。

(三)工艺难度高

国外进口设备厂通常将最优化的方案提供给用户,并将设备与工艺参数绑定,任何一个工艺参数的更改都需要厂家专业人士的参与,并通过严格实验的验证。此举虽保障了产品质量的稳定,却提高了技术封锁,也增加了使用者的成本[18]。

四、骨骼3D打印技术的发展趋势

3D打印技术因无需模具,制造快捷、准确、独特的优势,在制造个性化骨科植入物方面推动技术的全面革新[19]。

(一)人工骨骼预培养

该技术可与医院储存的患者CT数据相结合,在患者住院治疗之前做好需要替换的人工骨骼,以便减少患者等待的时间,减少住院日,节约宝贵的医疗资源。为保证人工骨骼植入后能够迅速活化,将人工骨骼在无菌环境中进行体外培养[20],选用利于成骨细胞附着、增殖和分化的培养液和环境条件,使人体骨骼在体外初步活化,增加人体骨骼替换的成功率。

(二)材料

3D打印技术首要解决的问题就是材料问题,相对于其他RP技术,3D打印技术可供选择的材料范围很小。Poldervaart等[21]使用含骨形成蛋白2(BMP-2)的硅酸盐颗粒打印出的硅酸钙骨骼植入大鼠和小鼠的体内,结果显示利用3D打印技术打印出的骨骼在BMP-2刺激下很快长入血管纤维组织。羟基磷灰石作为活性骨骼的材料,不属于光敏材料和黏结性材料,需加入光敏剂或黏结剂,但这样会影响骨骼活性,造成组织排异反应,增加植入失败的风险,进一步限制使用光敏材料黏接材料打印人体骨骼的临床应用。因此,需要RP技术材料工程学进一步研究开发具有良好综合性能的人体骨骼成形材料,以满足医用骨骼的需要。

RP技术正朝着精密化、高精度、标准化、低成本等方向发展,采用新型材料直接3D打印出个性化金属植入物将是RP技术在骨科应用的发展方向。

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2014-08-28)

(本文编辑:刘扬)

10.3877/cma.j.issn.2095-5790.2014.04.012

天津市滨海新区卫生局科技项目(2011BHKY008,2012BWKZ002)卫生公益性行业科研专项(201002014,201302007);教育部创新团队(IRT1201);北京市科委重大专项(Z101107052210001)

300450 天津市第五中心医院骨科

张殿英,Email:zdy8016@163.com

王小龙,郁凯,张殿英.快速成型技术在骨科中的应用[J/CD].中华肩肘外科电子杂志,2014,2(4):260-262.