骨科3D打印技术的应用研究与前景展望

温阳阳++李文龙+范亚楠++刘又文

[摘要] 3D打印技术最早应用于工业领域。这些年来，由于3D打印材料体系的逐渐研发升级和操作控制技术的不断完善，临床医师已逐渐将其应用于医学领域。本文对与骨科相关的3D打印技术进行了介绍，3D打印技术在骨科领域中4个方面的应用：3D打印实体模型为临床医师提供全面精确的术前诊断，并辅助医师进行术前规划与模拟，从而制订更详细准确的手术方案；3D打印手术导航模板能对复杂骨科手术进行术中导航，简化手术操作，降低手术难度；3D打印定制个性化及特殊需求的内置物，使之与个体匹配度更高，从而使患者获得更好的临床效果；3D打印模型应用于临床解剖教学，提高学生临床诊断能力，并为其骨科学习提供广阔的操作空间。最后本文总结了3D打印技术的优势和劣势，并对其发展方向提出了探讨与展望。

[关键词] 骨科；3D打印；临床应用；医学教学；应用研究

[中图分类号] R687 [文献标识码] A [文章编号] 1673-7210（2017）02（c）-0041-04

3D打印最早出现在20世纪80年代后期[1]，是一种材料快速构造成型技术。它与传统减材加工技术不同，以分层制造、叠加成型为原理，通过计算机软件分层离散和数字控制成型系统，用激光束或其他方法将液态金属或塑料等可黏合材料逐层的堆积成三维实体部件[2]，故又称为增材制造技术[3]。近十几年来，由于3D打印材料体系的逐渐研发升级和操作控制技术的不断完善，其应用领域逐步从模具制造、工业设计等方面向医学领域扩展。3D打印具有精确化、个体化等优点，在整形外科、颅颌面等专业率先开展了临床应用[4]，并取得良好的临床效果效果，为后续骨科医师将3D打印与临床工作相结合奠定了基础。本文对3D打印技术在骨科方面的临床应用进行了回顾与总结，并对其发展方向进行了探讨与展望。

1 骨科相关3D打印技术介绍

根据3D打印所用材料和成型方法的不同，与骨科相关的3D打印技术主要包括以下几种[5]：

1.1熔融沉积成型

熔融沉积成型（fused deposition modeling，FDM）采用热熔喷头，按照固定轨迹、固定速率，对丝状材料如热塑性材料或金属的熔丝等进行熔体沉积。

1.2光固化成型

光固化成型（stereo lithography apparatus，SLA）采用可控制的紫外线激光束，按计算机切片软件所得的每层薄片的二维图形轮廓轨迹，对液态光敏树脂进行扫描固化，形成连续的固化点，从而构成模型的一个薄截面轮廓，下一层用同样的方法制造。

1.3选择性激光烧结

选择性激光烧结（selective laser sintering，SLS）采用激光束在指定路径上有选择性地扫描并熔融工作台上很薄且均匀铺层的材料粉末（如尼龙等聚合物、青铜合金、钛合金、陶瓷和玻璃）。

1.4分层实体制造

分层实体制造（laminated object manufacturing，LOM）以片材（如纸张、皮毛及金属薄片）为原材料，激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓线数据，将背面涂有热熔胶的材料用激光切割出工件的内外轮廓，并逐层切割、粘合，最终成为三维工件。

1.5 金属直接熔融技术

1.5.1 电子束熔融（electron beam melting，EBM） 在真空环境中以电子束为热源，对不断在粉末床上铺展的金属粉末进行扫描熔化，使一个个微小的金属熔池相互融合并凝固，这样不断地层面累积，即可形成一个完整的金属零件实体。

1.5.2 选择性激光熔融（selective laser melting，SLM） SLM成型原理与EBM成型技术相似，也是一种基于粉末床的铺粉成型技术，两者不同之处在于热源由激光束替代了电子束。

在骨科领域中，可根据不同的需求选择合适的成型技术。术前模型和术中导板对材料的精确度要求较高，SLA成型技术具有性能优异、成型速度快等优点，因此SLA成型技术应用于骨科术前模型和术中导板的设计是有理可循的。此外，对于构建精度要求不高的骨科模型，相对经济的FDM成型技术则是最佳选择。临床上骨科植入物的打印与应用，是为了能够全部或部分替代患者关节、骨骼、软骨等骨骼系统，故其对材料的精确度和生物相容性的要求更高。在金属直接熔融技术中，SLM成型技术精度高，在经过二次热处理后，适用于小型、精密的植入物打印；而EBM成型技术虽精度相对逊色，但其无需二次热处理，高温环境下一次成型，效率较高，故适用于骨科植入物的直接制造，美国FDA及欧盟CE认证其钛合金成型件具有良好的生物相容性[6-8]。

2 3D打印技术在术前诊断、规划与模拟方面的应用

2.1 术前診断

临床上骨科疾病的诊断，医师除了结合专业知识和临床经验之外，往往还需要借助X线片、CT、MRI等影像学资料去更深入地了解患者病情。但是这些传统的影像学检查方法只能提供单一的二维图像或三维平面图像，那些精准而又立体的三维解剖关系无法被呈现。当临床上出现复杂骨折的患者时，医师可能会对疾病的诊断、分型、空间形态认识不充分，出现漏诊或误诊，从而增加手术风险[9-10]。相比于传统的影像学资料，详细、直观、立体的3D打印实体模型可以帮助医师增强对复杂疾病的空间解剖结构的理解与认识，从而降低误诊、漏诊的概率，做出全面精确的诊断。如脊柱肿瘤的鉴别、特发性脊柱侧弯的分型、复杂的脊柱骨折分型等[11-13]。国外有学者运用3D打印技术分别对20例髋臼骨折患者进行髋臼模型的打印，让高级医师和初、中级医师分别通过传统影像资料和模型进行骨折分型的诊断，结果表明，对于初、中级医师而言，3D打印模型较传统影像资料更容易获得准确的分型诊断，为后续治疗提供可靠基础[9]。

2.2 术前模拟与规划

在传统的手术流程中，医师术前只能在脑海中对手术进行反复的想象模拟。数字化三维重建技术和相关计算机软件的出现，为现代骨科手术提供了新的视野与途径，为虚拟手术和现实实施之间搭了一座桥梁。医师可在打印出的模型上进行术前操作演练，制定更详细的手术方案。凭借术前体外熟悉的操练，医师可根据术前规划做到术中得心应手，减少术中误差。同时可提前对内固定钢板进行预先塑形[14]，在模拟中精确设计钉道，确定接骨板位置及螺钉方向轴、直径、长度[14-15]。这些准备工作能有效缩短手术时间，提高手术的准确性，为制定康复诊疗方案、判断预后提供更有力的依据。Rohner等[16]利用3D打印技术成功模拟精确腓骨截骨治疗下颌骨缺损，并利用术前模拟数据指导手术实践，获得良好的临床效果。Armillotta等[17]针对脊柱畸形患者，术前设计螺钉植入的先后顺序及植入椎体节段，缩短了手术时间，减少术中出血，降低术中置钉的穿孔率及方向错误率，锥弓根置钉准确率达到了98.08%。Dennis等[18]在复杂的颌面部重建术实施之前，利用3D打印技术进行了充分的术前模拟与规划，研究认为正确的术前模拟与规划正是手术中皮瓣移植和骨板结合成功的关键所在。

3 3D打印技术在术中导航辅助中的应用

明确的术前诊断，详细的手术方案，是手术成功的前提，但更重要的是术前的准备能够在术中精确的实施。在手术前，医师通过对患者的影像学资料的数据分析，利用3D打印个性化地设计出手术导板等辅助器械，有助于简化手术操作，降低手术难度。Levine等[19]在颅颌面外科手术中应用3D打印的个性化手术导板，有效的提高了骨骼重新定位与替换的准确性，术后效果理想。Tricot等[20]报道个性化截骨矫形模板应用于肱骨远端骨折畸形愈合的治疗，可以精确指导截骨的大小及角度，术后随访显示矫形效果良好。Bgaria等[21]在治疗复杂的骨盆、髋臼及股骨内侧髁骨折中发现导板除了有引导功能以外，还能降低术中出血量，减少麻醉药物的使用。3D打印导航辅助的优点在于：①导板为个性化设计，可简化操作，缩短手术时间，降低术中血管、神经损伤的风险；②减少术中透视的时间，保护患者和医护人员少受辐射；③个性化导板不受患者体位的影响，避免一切因体位变化而产生的误差，从而相应地提高了手术的成功率。

4 个性化内置物材料打印的应用

目前应用于临床的标准化内置物能满足大部分患者的需求，这些统一设计的产品几何形态基本一致，仅有尺寸大小的差异。而一些比较复杂的患者，如关节畸形严重、骨髓腔过粗或过细等，就成了这种单一化医学模式的受害者。在髋关节置换术中，假体的不匹配会导致围手术期假体失稳、肢体长度不等、假体周围骨折等，增加了二次手术的风险[22]。

3D打印技术可根据患者实际情况定制个性化及特殊需求的内置物，使之与个体匹配度高，从而使患者获得更好的临床效果。骨盆肿瘤的患者除了要彻底的切除肿瘤，还要尽可能的使患者得到可靠有效的功能重建。骨盆肿瘤切除重建术较为复杂，Sun等[23]对骨盆肿瘤患者的整体病灶数据进行分析，利用3D打印技术设计个性化人工半骨盆假体，在保证髋臼部件位置与方向准确的同时，还可确定假体良好的固定效果，降低手术风险，有利于手术的顺利进行。孙海滨等[24]的临床研究结果表明，利用3D打印技术制作的临时抗生素骨水泥占位器能满足患者个性化需求，具有手术时间短、便于二期翻修、费用低等优点，是术后关节功能恢复良好的关键。

5 3D打印在骨科临床教学中的应用

数字技术的飞速发展不仅为骨科疾病的基础研究和临床诊疗提供新的手段，而且也为临床教学提供了新的方法和空间。主要表现在以下几个方面。

5.1 直观生动，利于解剖基础知识与临床相结合

在传统教学中，主要依靠图片、视频、实体标本或单一模型等进行授课。人体骨骼解剖结构不同，其邻近的神经、肌肉、血管又错综复杂，传统教学手段不能将之准确的呈现，学生难以理解[25]。3D模型打印技术可将骨骼及其周围复杂的神经血管等相关组织直观、生动地展现在学生面前，便于记忆及应用。McMenamin等[26]将3D打印模型应用于解剖教学，不仅提高了教学效率，而且有效的避免了传统教学中存在的经济、健康安全和社会伦理等方面的问题，取得理想效果。

5.2 结合病例，整合临床思维，提高诊疗能力

3D打印可将骨折类型真实得反映在模型上，使学生可直观地去分析患者的骨折诊断分型及模拟治疗措施。此外，还可先通过分析影像学资料并对临床资料进行讨论，再用3D实体模型进行对比与反思，此种新型教学模式既能极大的提高学生阅片能力，又能增强其对此类疾病的临床诊断及分析能力[27]。

5.3 提供广阔的操作空间

骨科临床教学过程中要求学生具备良好的动手操作能力，3D打印的实体模型则能满足此类教学需求。对于高层次的规培生、研究生及博士生来说，3D打印骨科模具能满足术前钢板塑形、螺钉长度及方向选择的需求，并可进行专业的手术演练，这对于临床技能的提高有着不可忽视的作用。

6 探討与展望

总之，我国3D打印技术在“产、学、研、用”等方面均得到广泛的关注。3D打印最大的优点在于能直观、立体地展示病变情况，便于精确地研究病变部位的微细变化，模拟手术过程，从而为临床医生提供更加准确的判断，为手术切口、术前材料准备提供依据，而这些与目前所推崇的精准医疗概念不谋而合。

然而，3D打印在实际应用中还面临着诸多问题与挑战。如：价格昂贵、定制周期长；缺乏完善的准入标准及监管措施、法律法规；并且对所用材料的无毒害性、生物相容性、生物力学性能等均有严格的要求，导致材料的研发难度较大、种类较少；另外如何提高打印效率也是亟需解决的问题。

在医疗3D打印未来的发展趋势中，在拥有完善的行业准入标准及监管措施的前提下，可考虑成立独立的、专业的3D打印机构。医院可与此类机构合作建立云端网络数据库，实现网络数据的共享。此类机构可依据需要打印3D模型患者的数据资料，迅速打印出临床所需的模型或内置物，这样既可减少模型订制的时间、提高工作效率，又能缩短患者的住院时间，减轻社会经济负担及医疗负担。

虽然3D打印技术的应用受诸多因素的制约，但相信随着相关技术的发展、材料学的进步，其在骨科领域中的应用将会进一步深入和扩展，从而更好地服务于患者、社会。

[参考文献]

[1] Chae MP，Rozen WM，McMenamin PG，et al. Emergingapplications of bedside 3D printing in plastic surgery [J]. Front Surg，2015，2：25.

[2] Rengier F，Mehndiratta A，von Tengg-Kobligk H，et al. 3D printing based on imaging data：review of medical applications [J]. Int J Comput Assist RadiolSurg，2010，5（4）：335-341.

[3] Kido T，Kurata A，Higashino H，et al. Cardiac imaging using 256-detector row four-dimensional CT：preliminary clinical report [J]. Radiat Med，2007，25（1）：38-44.

[4] Mavili ME，Canter HI，Saglam-Aydinatay B，et al. Use of three-dimensional medical modeling methods for precise planning of orthognathic surgery [J]. J Craniofac Surg，2007， 18（4）：740-747.

[5] 張学军，唐思熠，肇恒跃，等.3D打印技术研究现状现状和关键技术[J].材料工程.2016，44（2）：122-128.

[6] 王燎，戴尅戎.骨科个体化治疗与3D打印技术[J].医用生物力学，2014，29（3）：193-199.

[7] Palmquist A，Snis A，Emanuelsson L，et al. Long-term bio？鄄compatibility and osseointegration of electron beam melted，free-from-fabricated solid and porous titanium alloy：Experimental studies in sheep [J]. JBiomater Appl，2013， 27（8）：1003-1016.

[8] Thomsen P，Malmstrom J，EmanuelssonL，et al. Electron beam-melted，free-from-fabricated titanium alloy implants：Material surface characterization and early bone response in rabbits [J]. J Mater Res BAppl Biomater，2009， 90（1）：35-44.

[9] Hurson C，Tansey A，O'Donnchadha B，et al. Rapid prototyping in the assessment，classification and preoperative planning of acetabular fractures [J]. Injury，2007，38（10）：1158-1162.

[10] Potamianos P，Amis AA，Forester AJ，et al. Rapid prototyping for orthopaedicsurgery [J]. J Eng Med，1998，212：383-393.

[11] Cartiaux O，Paul L，Francq BG，et al. Improved accuracy with 3D planning and patient-specific instruments during simulatedpelvic bone tumor surgery [J]. Ann Biomed Eng. 2014，42（1）：205-213.

[12] Faur C，Crainic N，Sticlaru C，et al. Rapid prototyping

technique in the preoperative planning for total hip arthroplasty with custom femoral components [J]. Wien Klin？鄄Wochenschr，2013，125（5-6）：144-149.

[13] Debarre E，Hivart P，Baranski D，et al. Speedy skeletal prototype production to help diagnosis in orthopaedic and trauma surgery. Methodology and examples of clinical applications [J]. Orthop Traumatol Surg Res. 2012，98（5）：597-602.

[14] Messmer P，Brig G，Suhm N，et al. Three-dimensional fracture simulation for preoperative planning and education [J]. Eur J Trauma. 2001，27：171-177.

[15] Osti M，Philipp H，Meusburger B，et al.Analysis of failure following anterior screw fixation of Type Ⅱ odontoid fractures in geriatric patients [J]. Eur Spine J， 2011，20（11）：1915-1920.

[16] Rohner D，Guijarro-Martinez R，Bucher P，et al. Importance of patientspecific intraoperative guides in complex maxillofacial reconstruction [J]. J Craniomaxillofac Surg，2013，41（5）：382-390.

[17] Armillotta A，Bonhoeffer P，Dubini G，et al. Use of rapid prototyping models in the planning of percutaneous pulmonary valved stent implantation [J]. Proc Inst Mech Eng H，2007，221（4）：407-416.

[18] Rohner D，Guijarro-Martinez R，Bucher P，et al. Importance of patient specific intraoperative guides in complex maxillofacial reconstruction [J]. J Cranio Maxill Surg，2013， 41（5）：382-390.

[19] Levine JP，Patel A，Saadeh PB，et al. Computer-aided design and manufacturing in craniomaxillofacial surgery：the new state of the art [J]. J Craniofac Surg，2012，23（1）：288-293.

[20] Tricot M，Duy KT，Docquier PL. 3D-corrective osteotomy using surgical guides for posttraumatic distal humeral deformity [J]. Acta Orthop Belg，2012，78（4）：538-542.

[21] Bgaria V Deshpande S，Rasalkar DD，et al. Use of rapid prototyping and three-dimensional reconstruction modeling in the management of complex fractures [J]. European Journal of Radiology， 2011，80（3）：814-820.

[22] Wang L，Dai KR. Individualized treatment of orthopaedics and 3D printing technology [J]. J Med Biomechaincs，2014， 29（3）：193-199.

[23] Sun W，Li J，Li Q，et al. Clinical effectiveness of hemi？鄄pelvicre construction using computer-aided custommade prostheses after resection of malignant pelvic tumors [J]. J Arthroplasty，2011，26（8）：1508-1513.

[24] 孫海滨，吕尚军，朱书朝，等.3D打印技术在制作人工髋关节置换术后感染临时间隔器中的临床应用[J].中国矫形外科杂志，2016，24（13）：1239-1241.

[25] 吴锋，熊克仁.浅谈模型资源在解剖学教学中的利用[J].四川解剖学杂志，2009，17（4）：60-61.

[26] McMenamin PG，Quayle MR，McHenry CR，et al.The pro？鄄duction of anatomical teaching resources using three-dimensional （3D） printing technology [J]. AnatSciEduc，2014， 7（6）：479-486.

[27] 李海忠，唐家广，王华东，等.3D打印技术在骨科临床教学中的应用初探[J].中国医学教育技术，2016，30（2）：198-200.

（收稿日期：2016-10-20 本文编辑：苏 畅）