3D打印技术在创伤骨科临床中的应用现状及进展

王 康，李思慕，马 婷，贾维东

·综 述·

3D打印技术在创伤骨科临床中的应用现状及进展

王 康1，李思慕2，马 婷2，贾维东2

3D打印；骨折；创伤

3D打印技术目前是世界上最尖端的技术之一[1]，它综合了数字建模、机电控制、信息、材料、化学等多方面的前沿技术。近年来，随着计算机等各种技术的飞速发展，特别是合金材料的直接应用，3D打印技术在创伤骨科应用中得到了广泛的推广和发展。3D打印技术是以数字化模型为基础，运用黏合材料，将设计出的3D模型按照某一坐标轴切成有限的多个剖面后，经逐层打印的方式，最终创造一个立体实物的技术[2]。在创伤骨科近年来的研究热点中，3D打印技术目前是重要方向之一，通过患者的CT、MRI等影像资料和数据，利用三维技术为患者制订“量体裁衣”式的个人定制治疗方案，定制出个性化的实体模型、植入物及辅助器械，可有效地解决临床治疗难题[3]。其逼真、直观、形象的临床模拟技术，丰富的临床教学指导性，为创伤骨科临床医师培养和临床带教提供了广阔的前景。本文就3D打印技术的优势、发展的局限性以及在创伤骨科领域的应用情况进行综述，旨在为广大学者和临床工作者提供参考和借鉴。

1 3D打印技术在创伤骨科中的优势与应用制约

1.1 3D打印的优势

1.1.1 实体模型性:通过收集和整合患者资料，3D打印技术可以实现由二维到三维、由平面到立体、由虚拟到现实的转变，包括三维模型、工具和假体等。医生可以根据1∶1模型对疾病做出最真实、精确的评估，在疾病的诊断、术前手术方案的设计、术前操作流程的演练、术中辅助手术操作以及术后恢复等方面具有较好的应用前景、极高的应用价值[4-5]。同时，可术前进行反复演练和交流，护士通过参与这一环节，也能够详细、准确地了解患者情况，提前做好相关准备，医护共同确保手术的顺利进行及对意外情况的提前预估，这为临床疾病的诊断和治疗提供了精确的思路和方法[6-7]。

1.1.2 手术个性化:传统钢板及内置物的规格与材料满足了普通患者常规治疗需求，但对特殊患者而言，包括损伤部位特殊或自身条件特殊的患者，传统内置物材料不能满足临床需求。骨科的个性化治疗在此时十分必要。对于特殊患者，如何确定更加适合、固定确切的内置物材料，是临床的难题之一。根据3D打印技术制作的完全依据个体数据形成的内置物可以充分满足这部分患者的需求，达到确切固定、精准治疗、手术个性化保障的目的。随着未来的发展趋势，骨科的模式将是“个性化、精确化、私人订制”的发展模式。从大方向着眼，个性化的人工关节、接骨钣、骨盆修复等医疗植入物将广泛应用于临床；从小方向着眼，如创伤手术中在导航模板辅助下进行螺钉置入，可通过3D打印技术找到合适的螺钉尺寸和设计螺钉置入的轨道，以减少术中螺钉的偏移。这将使得广大创伤骨科患者受益，也是我们进一步探索和研究的方向。

1.1.3 术中暴露性:目前手术中仍需X线影像的确认，以辅助内固定物的植入，但基于3D打印技术和逆向工程技术的个体化内固定模型可以与患者骨骼完全匹配，节约手术时间，从而减少医患术中的放射性暴露[8]。尤其在复杂的粉碎性骨折患者中应用价值更大，不仅可以指导准确地进行骨折复位，还可进行精确的置钉，在导航模板下很容易操作，可缩短手术时间，减少置钉穿孔率及方向错误率，减少手术团队及患者的辐射量。

1.1.4 便于医患沟通:3D打印技术根据三维重建构建出1∶1的模型，能够帮助医生与患者及家属交流，使患者能够更加清晰和直观地了解自己的病情及手术的难易程度，便于医生讲解手术方案以及术中可能出现的情况，如出血、术后的相关并发症等。这为患者和医生提供了触觉和视觉上的全新体验，也增加了患者治愈疾病的信心，同时提高了患者对我们服务质量的满意度。

1.1.5 利于教学和培训:3D打印模具也应用于骨科临床带教中。对于骨盆骨折、复杂关节面骨折，目前的X线和三维重建CT仍具有一定的局限性，尤其对于低年资医生和学生存在一定理解和认识上的困难。但面对一个具体的三维立体模具，对临床带教和年轻医师培养工作更为有效，学生的学习效果更好、更一目了然。Hurson等[9]将采用3D打印技术制备的髋臼骨折模型应用于培训年轻医师、医学生和护士，取得了较好的效果。

模具能达到教学的目的，可以培训硕博士研究生、规培生以及低年资医师，可通过模具让其预先选择钛板和螺钉的长度，并在模具上进行多次术前演练，这对提高他们的临床技能有着决定性的意义[10]。同时，多次的术前模拟演练，能够大大提高手术的成功率，缩短手术时间，减少术后并发症，惠及患者。

1.2 3D打印的应用制约

1.2.1 材料研发的制约性:材料是3D打印技术的核心之一[5]，目前使用的天然医用材料包括胶原、壳聚糖等；人工合成高分子材料聚乳酸、聚乙醇酸、聚醚醚酮；羟基磷灰石等生物活性陶瓷材料和钛合金等医用金属材料。但对目前的医学发展仍非常局限，骨科常用的合金为钛合金、不锈钢和钴铬钼合金。3D打印机仍无法实现钴铬钼合金的冷处理工艺，其他多种常见的金属和高分子材料的打印技术仍处于试验阶段[11]。另外，材料的强度、刚度、机械加工性还需改进，还不能完全模拟人体组织器官的强度、刚度和柔韧度等特性[3]。针对材料的局限性，应鼓励和支持多学科共同研发，加速材料研发的进程，为临床开展3D打印技术开辟出一条更宽广的道路。

1.2.2 配套应用软件开发的制约性:随着医学影像的飞速发展和扫描图像精度的逐渐增高，医学影像学生成的CAD/CAM文件可直接用于3D打印，但需要配套软件，而这些应用软件集成度和功能与3D打印设备却不能无缝对接[12]，且软件程序应用复杂，学习周期较长，或需要配置相关的技术人员。虽然Materialise公司研发的Mimics Innovation Suite 软件能够快速转换图像，支持数据精确测量，允许用户分割图像；VSG公司研发的Amira软件也支持模型分割和表面重建，对数据进行量化分析，但这类医疗应用软件制造商需要与3D打印机制造商合作，才能确保软件的无缝对接[11]。这些因素均制约着3D打印技术在医学领域的推广与使用。

1.2.3 成本问题:3D打印机根据材料和技术的不同分为工业级和桌面级，其价格差异可达上百万人民币。熔融沉积成形型桌面级3D打印机价格相对便宜，但精度不高，限制了它在医学领域的应用；国内工业级高精度3D打印机市场仍然被3D Systems、EOS、Stratasys等垄断，价格相对较高。打印成本的制约也影响着3D打印技术的广泛推广。近几年随着3D打印技术专利相继到期、打印材料不断丰富和价格下降，3D打印技术在生物医学及骨科的发展前景值得我们期待。

1.2.4 其他:3D打印技术在韧带和关节软骨方面也存在局限性，韧带-骨复合支架的置入，其力学性能较差，往往会在恢复性运动中发生固定失败。关节软骨的再生和修复在几十年的探索和研究中取得了一定进展，但距功能化恢复仍有一段距离[13-14]。该技术也不能完全指导手术过程，例如骨盆髋臼骨折时肌肉的阻挡和神经血管的分布。人体对3D打印的光敏树脂材料具有一定的排异反应[15]。另外，手术导向模板在术中产生的碎屑是否对患者产生不利影响，目前也缺少相关研究[11]。

2 3D打印技术在创伤骨科中的应用

2.1 术前规划

2.1.1 明确骨折诊断及分型:在创伤骨科中，复杂骨折的诊断及分型是选择手术方案及术中骨折解剖复位的基础。传统影像学方法是从二维平面上去阅片，加上医生自己的空间想象能力，在脑中恢复骨折的三维结构，而 3D打印模型立体感更强，能够还原骨折真实情况，这不仅可以拓展经验丰富的高年资医生的手术治疗思路与方法，也可让年轻医生丰富解剖学知识、熟悉手术路径、拓展空间构像能力，逐步积累实际手术操作技能，3D打印技术所塑造的骨折模型能够帮助他们明确骨折分型，做出正确的诊断，制订理想的手术方案。Hurson 等[16]让3 位经验丰富的医生和 3 位年轻的医生先用传统影像学资料对20例髋臼骨折进行分型和诊断，然后用3D打印模型同样对这20例髋臼骨折再次进行分型和诊断，结果表明，在对复杂骨折的诊断与分型方面，3D打印技术对年轻医生的帮助是非常明显的，但是对经验丰富的医生来说作用甚微。

2.1.2 模拟手术及优化手术方案:3D打印技术可以使医生在所打印的模型上进行多次手术预演。多个研究结果表明，在3D打印的模型上进行手术演练，可以让术者更加熟悉手术过程，并且在操作过程中获得更多启发，使其在演练过程中能够进一步优化手术方案，从而选出最适宜的、个体化最强的手术操作方法[17-19]。同时能够在多次演练中，让年轻医生更充分地掌握该手术的不同方式及手术全过程，从而让年轻医生在做助手期间能和主刀医生配合得更加默契，缩短年轻医生的学习曲线。

在模拟手术期间，可以对复杂的骨折进行复位，并对钢板进行预弯塑形，这样，术者可以对整个骨折复位的过程有一个提前的演练，使其在真正的手术过程中能够操作得得心应手，并且能够减少一些重复的步骤所带来的对周围组织的损伤，大大缩短手术时间，减少术中出血量及输血量，从而提高手术的安全性，这对患者的预后起到了至关重要的作用[19-20]。

2.2 术中导航:一些复杂的粉碎性骨折，往往需要术者凭借扎实的解剖知识和丰富的手术经验去操作，但即使这样，也往往会出现骨折复位困难、钢板螺钉固定位置不佳或在固定过程中造成螺钉进入关节腔或者椎管内。3D打印的术中导航模板可以成功避免类似事情的发生，它的优点在于：①可定位螺钉方向，增强螺钉位置的准确性，从而提高手术的安全性；②手术操作简单化，缩短了低年资医生学习复杂手术的过程；③手术过程操作准确性的提高和难易度的下降，导致术中X线透视次数减少，手术时间以及患者伤口暴露时间缩短，从而优化了手术效果，大大缩短了患者康复的时间，符合现在所提倡的快速康复理论；④当手术区域的骨性异常造成骨性解剖标志无法触及时，术中的导航模板便可发挥作用，充分体现了个体化治疗的原则。

金丹等[21]按照腓骨的解剖学形态设计了导航模板，术中能精确贴附于腓骨远端，并且术中所置入的螺钉，无论是长度还是方向都非常精准，大大提高了手术的安全性。何兴容等[22]则设计了符合股骨远端解剖结构的不锈钢手术导航模板，术中螺钉置入的准确性高，且未进入关节腔内，安全性高，术后骨折复位效果满意。Brown 等[23]根据107位骨折患者的骨折情况制作了导航模板，术中透视发现所置螺钉位置均非常满意，未进入关节腔及椎管内，安全性极高。Bagaria 等[24]在4例复杂骨折手术中应用了导航模板，结果发现，明显缩短了骨折复位的时间，并且由于手术时间的缩短，患者组织的暴露时间、术中麻药的给予量、术中出血量及输血量均有所减少，这对患者日后的康复起到了至关重要的作用。

2.3 外固定装置:良好的复位和适当的固定对骨折是至关重要的，骨折外固定的优点在于操作简单、手术时间短、对病人造成的创伤程度小，但缺点在于精确度不够，机器人和导航技术可改善此缺点。西安交通大学的专家将计算机辅助还原技术与3D打印相结合，开发出一种定制的外固定器，用于治疗3例胫骨骨折。数据显示：3例胫骨骨折的平均横向位移为(2.04±1.53)mm，角度为(2.54±1.33)°，均得到良好的缩小。平均手术时间为(8.67±0.58) min。这种用于治疗胫骨骨折的新型定制外固定器具有手术操作方便、固定牢固、损伤小和个体化强等优点，因此在临床应用中具有巨大的潜力[25]。

2.4 诱导骨生长:当所置入的假体中有骨长入时，可大大增加置入假体的使用寿命。3D打印技术所制作的三维置入物以钛合金等金属为原料，操作者可根据患者个体情况设计孔径、孔径间的贯通以及弹性模量，这样可以最大限度增强所置入物的稳定性，并且能够为诱导骨长入提供结构基础。国家口腔医学数字与材料技术工程实验室的专家将P4 hASCs用作种子细胞，将细胞加入到20g/L藻酸钠和80g/L明胶混合物中。接下来，将印刷体成骨诱导1周以获得实验组;还印刷了没有细胞的藻酸钠-明胶混合物，以获得对照组。实验组和对照组均植入裸鼠背部。植入6周后，收集样品，分析其成骨能力。植入后6周，对照组大部分样品呈现不规则形状，呈凝胶状；实验组的样品保持原始尺寸，质地坚韧。实验组植入后6周可观察到骨样组织和血管生长，免疫组织化学染色显示骨钙素的结果为阳性，Micro CT结果显示实验样品新骨量18%±1%。遂得出结论：hASCs-生物材料混合物3D生物印刷体具有异位骨形成的能力，可以将细胞-生物材料混合物3D生物印刷技术应用于体内骨形成领域。

3 应用前景及展望

综上所述，随着3D打印技术在创伤骨科领域的广泛开展和应用，患者要求及发展趋势、政策法规都推动着3D打印技术的推广与发展。SmarTech Markets Publishing发布的研究报告《医疗市场的3D打印2015：机会分析和十年展望》显示，到2024年全球用于医疗行业的3D打印机销售额将增加到5.49亿美元，但用于打印材料的销售额将增加到7亿美元，说明3D打印材料的市场需求要比打印设备更大。我国也颁布了《国家增材制造产业发展推进计划(2015-2016年)》，在该环境的推动下，3D打印技术已成为创伤骨科的发展趋势。3D打印技术的优势已得到业界的广泛认可，但其局限性和不足我们要逐步完善，最终要不断突破难点，将该技术广泛应用于骨科领域，惠及广大患者。目前在创伤骨科领域，3D打印技术仍局限于打印骨骼的模型，而用于内固定的钢板也是在所打印出来的骨骼模型上进行预弯塑形，因此仍无法使内固定装置达到完全的贴附。而如果在电脑中将骨折复位，并且将内固定装置连同其所要附着的骨骼一同打印出来，这样会使内固定装置无限接近于其所附着骨骼的解剖形态，这将是一个新的命题，亟待广大临床工作者和科研人员去攻克。

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10.13621/j.1001-5949.2017.07.0667

1.西北民族大学，甘肃 兰州 730030 2.西北民族大学第一附属医院，宁夏 银川 750002

2017-04-11 [责任编辑]马兴忠

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