3D打印技术在骨外科学中的应用研究进展

缪锌，凌强，邓高荣

(南昌大学第四附属医院，南昌330000)

3D打印技术在骨外科学中的应用研究进展

缪锌，凌强，邓高荣

(南昌大学第四附属医院，南昌330000)

随着计算机技术、新材料技术的蓬勃发展，3D打印技术不断成熟，迅猛发展。目前该技术主要用于汽车行业、航空航天、医疗行业、建筑设计等领域。医疗行业中，国际上已开始将3D打印技术应用于器官模型制造、手术分析策划、个性化组织工程支架材料、假体植入物制造以及细胞或组织打印等方面。在骨外科学中，3D打印技术可根据患者解剖结构的个体化差异，制作立体的实物模型，从而实现个体化解剖测量，降低手术风险，提高手术成功率。

3D打印技术；创伤骨科；骨肿瘤科；关节外科；脊柱外科；个性化治疗

3D打印技术根据其制造工艺又被称为增材制造，属于快速成型技术[1]的一种，起源于19世纪末期美国照相、雕塑和地貌成形技术，但由于价格昂贵、技术不成熟，早期并没有得到推广普及。随着计算机技术、新材料技术的蓬勃发展，3D打印技术的应用领域不断扩大，主要应用于汽车行业、航空航天、医疗行业、建筑设计等领域。目前，国际上已开始将3D打印技术应用于医疗行业中的器官模型制造、手术分析策划、个性化组织工程支架材料、假体植入物制造以及细胞或组织打印等方面。骨外科学(简称骨科)临床所使用的内置物材料都是按照尸体解剖数据，采用固定尺寸及外形进行批量生产，难以与每位患者的需求部位完美匹配，无法获得满意的临床效果[2]。而3D打印技术可以弥补这一不足。本文对3D打印技术在创伤骨科、骨肿瘤科、关节外科、脊柱外科中的应用进展作一综述。

1 3D打印技术在创伤骨科中的应用

创伤骨科是骨科中的基础学科，由于骨折类型复杂多变，治疗方式千差万别，导致治疗效果相差甚远。在复杂的骨折手术中，术者在经验不足且无法直视的情况下难以做到良好地对位、 对线及精准固定。粉碎性骨折复位是术中难点之一，涉及关节面的骨折要求达到解剖复位，具有创伤大、精确度差、耗时长的特点。传统医生凭借经验进行操作，术中螺钉方向靠医生的解剖知识及经验进行确定，由于患者解剖结构个体化差异，年轻医生经验相对不足不足，螺钉进入关节腔的情况时有发生。随着3D打印技术的发展，粉碎性骨折手术中可借助数字骨科技术设计手术导板，利用3D打印技术快速制作，为术中骨折精确复位、预测钢板规格、确定钉道方向和螺钉长度等提供帮助。Brown等[3]将快速制作的导向模板应用于107例骨折患者手术中，结果表明导向模板应用效果良好，精确度满意；其中35例髋臼骨折患者术中共打入280枚固定螺钉，未出现螺钉进入关节腔的情况。邢晓伟等[4]采用计算机辅助及3D打印技术建立股骨转子间骨折1∶1实体模型及置钉导向模板，发现其具有提高手术操作准确性、简化手术操作流程、提高手术安全性等特点，且术前采集图像可术中反复使用，有助于减少术中透视对患者的放射性损伤。王怀斌等[5]利用3D打印技术制作与实物1∶1的跟骨模型，对跟骨骨折做出明确术前诊断及模拟操作以指导手术治疗，能让术者直观观察骨折形态，准确评估骨折情况，降低致残率，具有较高的手术指导意义。刘百伟等[6]根据患者髋臼后缘解剖数据，利用3D打印技术个性化定制髋臼后缘解剖型钢板，并将其应用于10例髋臼后缘骨折患者的定制钢板手术治疗，术后无血管神经损伤，螺钉准确置入，未出现螺钉进入关节腔的情况，说明3D打印髋臼后缘个性化钢板是治疗髋臼后缘骨折的一种新型内固定方法。

2 3D打印技术在骨肿瘤科中的应用

骨肿瘤有良、恶性之分，恶性骨肿瘤好发于青少年，随着近年来新辅助化疗的发展，骨肿瘤患者一般采取保肢手术治疗。骨肿瘤形状多不规则，其体积与手术方案的选择及治疗效果等密切相关[7]，如何精确切除肿瘤组织一直是骨肿瘤科医师所面临的挑战；切除大面积肿瘤组织后缺损骨组织的修补、功能重建等也是保肢手术治疗所面临的难点[8]。裴延军等[9]采用金属3D打印技术制备出与患者锁骨和肩胛骨完全一致的钛合金假体，并成功植入骨肿瘤患者体内，成为世界上肩胛带不定形骨重建的首次应用。该研究采用3D打印技术制备的锁骨、肩胛骨等不定形骨个体化钛合金假体匹配性高，功能及外形满意；多孔设计石骨及软组织附着长入率高；弹性模量降低，可减少应力遮挡并发症；产品质量稳定，精确度高；制备周期短，费用大幅降低。付军等[10]根据31例骨肿瘤患者的CT扫描数据，设计手术导板后采用4种打印材料进行制作，结果表明3D打印技术能满足骨肿瘤手术的个体化要求，实现术前设计，而且不同3D打印材料制备的手术导板各有优势。

3 3D打印技术在关节外科中的应用

随着数字骨科学的飞速发展，3D打印技术因其可为患者“私人定制”高精度的个体化植入体、提高关节外科复杂、高难度手术的成功率而得到快速发展[11]。Minns等[12]利用1例60岁女性患者术前CT数据，通过3D打印设备制备膝关节塑料模型，并对其进行膝关节置换手术，通过术前手术设计、模拟规划，对比术后结果发现该方法精确度高，尤其适用于变形的胫骨平台，可提前预测支撑骨块的形状。刘峰等[13]研究显示，定制3D打印切模辅助膝关节置换术具有个体化、精准化、数字化、手术时间短、创伤小等优点。张伟等[14]对6例行全膝关节表面置换术的患者术前行膝关节3D打印，定制个性化膝关节假体，结果发现患者手术中假体应用与术前制定相符合，手术时间及出血量明显减少，术后膝关节功能改善，未出现感染、假体下沉等。王臻等[15]利用3D打印技术制造了一种用于复合异体半关节移植的个体化人工半膝关节，并将其应用于1例因右股骨下段骨肉瘤保肢术后复发的患者，结果显示患者术后膝关节功能得到明显改善；该研究较好地解决了异体-自体关节形状不匹配的问题。

4 3D打印技术在脊柱外科中的应用

由于椎弓根螺钉具有明显的生物力学优势[16]，椎弓根螺钉内固定术逐渐成为脊柱后路内固定手术的常规术式，但对复杂脊柱畸形患者进行手术治疗时，椎弓根螺钉的置钉难度和风险均会增加[17～19]。肖进等[20]对6例脊柱侧凸患者行PET-CT扫描，应用Mimics软件进行脊柱三维重建，通过3D打印技术得到与病变完全一致的脊柱实体模型，并用于术前模拟和内固定植入设计，结果显示患者术后畸形矫正满意，认为3D打印技术有助于脊柱侧凸的诊断、手术设计及内固定选择等。张强等[21]研究显示，3D打印技术制作椎弓根导向模板是一种新的技术方法，不需要特殊的手术经验，可以缩短手术时间，减少术中出血，减少或避免手术中透视，可为严重腰椎疾病患者提供手术指导。李洋等[22]对52例经椎弓根内固定的胸腰椎手术患者通过3D打印模型辅助置钉156枚，仅3枚穿破皮质，成功率达98.08%，明显高于传统手法置钉的成功率(90.91%)，认为3D打印技术辅助胸腰椎椎弓根置钉可提高置钉准确率和手术安全性，符合个体化置钉，可作为胸腰椎椎弓根螺钉置入的一种新方法。戎帅等[23]以1例腰椎多节段峡部裂患者为研究对象，利用逆向工程与3D打印技术对患者的脊椎进行三维重建并制作出1∶1大小的脊柱模型，术中所见与术前模型异常及测量结果完全一致，认为3D打印技术能够使骨科医生在术前精确直观地了解脊柱畸形情况，从而提高诊断率，指导制定手术计划，模拟手术操作，增加手术精确性及安全性。

3D打印作为一项革命性的新技术，虽然可以制作立体的实物模型，降低手术风险，提高手术成功率，但也存在如下缺点：①费用较高。3D打印技术制作出来的产物都是个性化的，不能批量生产，目前仅停留在科研阶段。②材料学发展不能满足临床医学的需求。临床医学中应用的材料必须具有生物相容性和适宜的弹性模量，而目前很多3D打印材料不能满足这些要求。③产物机械强度不足。3D打印技术的核心原理是材料堆积、高温黏合，所以打印出来的大部分实物模型机械强度差、脆性大，无法满足骨科内置物高强度的需求，因而其主要用于术前准备、虚拟手术操作或制作手术导向模板，而不是作为实体安放于体内。④不适用于急诊手术。骨科急诊手术较多，虽然3D打印技术可快速成型，但模型为个体化，制作整个模型的过程耗时较长，因而在复杂急诊手术中的应用受限。

综上所述， 3D打印技术具有自由成型的特点，特别适合复杂产品的成型；在多孔内植物及有复杂微观结构内植物的制造等方面具有独特优势；不仅可以减少患者的等待时间，提高手术成功率，还可弥补传统通用型内植物修复时形状不匹配和力学性能差的缺点；加上3D打印技术和商业应用的发展，大批量个性化定制将成为重要的生产模式[24]。今后3D打印技术在临床中的应用将会更加广泛。

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江西省科技支撑计划项目(2011BBG70072)。

凌强(E-mail： linq@163.com)

10.3969/j.issn.1002-266X.2016.48.035

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1002-266X(2016)48-0100-03

2015-11-05)