3D 打印技术在关节外科的应用

孙长鲛 蔡

作者单位：102218 北京，清华大学附属北京清华长庚医院骨科

3D 打印技术问世于 1984 年，属于增材制造 ( additive manufacturing，AM ) 的一种。AM 是相对于传统机械制造而言的，传统的制造过程是一个“减材”的过程，先是通过模铸、精煅等获得产品大致原型，再进行精加工，从而得到最终产品。而 AM 则反其道而行之，根据事先 3D 设计，以离散 / 堆积成型为原理，利用计算机辅助设计及制作技术、数控技术、三维 CT 技术等快速成型技术，将所收集的数据立体化建模，并将其打印为接近真实组织、器官解剖结构的实物模型技术[1]因而是一个“增材”的过程。

目前在关节外科常用的 3D 打印技术主要有以下几种：( 1 ) 光固化成型技术 ( stereo lithography apparatus，SLA )，主要用于模型打印，能够制备具有强度高、致密性良好、表面结构精细的骨科材料；( 2 ) 电子束熔融 ( electron beam melting，EBM ) 技术可制备具有良好生物相容性与骨结合能力表面的钛合金人工内置物[2]；( 3 ) 选择性激光烧结技术 ( selective laser sintering，SLS )，主要采用塑料、陶瓷、金属等多种不同的材料用来制备个性化手术器械。在金属3D 打印中，电子束与激光又是最常用的熔融能源，从而使 EBM 与选择性激光熔融 ( SLM ) 为最常用的金属 3D 打印生产方式[3]。3D 打印在关节外科的应用包括以下几个方面。

1. 术前规划：20 世纪 70 年代以来，全髋关节置换术( total hip arthroplasty，THA ) 的影像学计划主要是通过模板在骨盆前后位片子上进行测量。这种方法具有一些局限性，例如放大率，骨盆位置，股骨位置和患者的位置 ( 躺位或站位 ) 等都会影响测量结果，很难准确地预测股骨近端或髋臼部位的外科手术问题[4-5]目前的 CT 三维重建增强了外科医生和放射科医师对骨骼畸形的理解；但是，3D成像在 2D 屏幕上查看限制了 3D 成像的真正优点[6]。与单独的二维和三维成像相比，触觉模型的使用结合常规成像已被证明可以更好地了解 THA 异常骨骼解剖结构，同时提高诊断准确性和观察者间的一致性[7-8]。Hurson 等[9]描述了使用 3D 模型评估 20 例 THA 患者的髋臼情况。其中有 2 例，由于使用了真实尺寸的 3D 模型而改变了手术入路。Won 等[10]表明这种技术可以减少 THA 术中并发症的发生。

3D 打印的 1∶1 实物模型可以使医生在关节手术前对病变部位进行全方位的直观地观察，了解周围神经血管分布情况，确定骨性解剖标志。在髋关节置换方面，骨盆和髋臼的复杂解剖学使得在髋关节翻修术前评估骨缺损非常困难。虽然 X 线和 CT 可确定有无骨缺损，但范围及界限判定仍然具有局限性。通过使用 3D 打印技术，可以通过视觉和触觉模型检查患者实际骨骼解剖，更好地评估盆腔畸形。手术团队在术前就可以对臼杯，加强块尺寸以及螺钉方向有一个明确认识，有利于术中真臼位置快速准确定位，准确预估假体种类型号、安放位置、植骨量等，缩短手术时间，减少术中出血。对于髋臼发育不良的患者，髋臼缺损，造成髋臼假体定位困难，无法确定真臼假臼，3D打印制备骨盆实物模型，可以用于放置髋臼假体的手术演练，有助于理解患者的骨盆结构，评估髋臼真臼位置，磨锉的理想角度以及确定髋臼的具体型号。在膝关节置换方面，术中需要精密的截骨量与准确的截骨角度，尤其对于重度关节畸形患者，通过实物模型可很好地进行手术预演，制订适宜的手术方案，对截骨方向、截骨量及旋转角度进行精准控制。此外对于骨肿瘤病变患者，由于缺损严重，往往需要多次截骨置钉，额外的神经血管损伤风险较大，通过 3D 模型进行术前准备可以规划切口选取与手术切除范围，可能会避免不必要的截骨及额外的神经血管损伤，达到真正的准确、个性化与微创的治疗理念。

2. 医学教学：THA 术中髋臼假体的安放位置至关重要，否则可能导致脱位、撞击及假体松动。因此医生需要精准评估髋臼解剖情况。在目前临床标本短缺的环境下，应用 3D 打印技术构建 1∶1 的 3D 关节模型可以更直观地为学生展示真实解剖结构。传统成像模式和解剖模型的综合使用会提高受训者评估髋臼的准确性，作为示范工具也有益于他们的教育[9,11]。

3. 医患沟通：患者往往对髋关节置换或膝关节置换的手术过程存在疑惑，仅仅从字面上讲解患者无法理解手术具体情况。3D 打印的 1∶1 患病部位真实尺寸模型可以让患者及家属对病变部位有直观的认识，从触觉和视觉上为患者及其家属对复杂组织结构病变进行描述及展示病情及术中情况，有利于医患沟通[12]。

4. 减少学习曲线：对于严重骨缺损的关节置换，年轻医生往往对骨缺损的程度及关节变异情况没有直观的认识，对于低年资医生而言，3D 打印实物可以直观地展现病变严重程度、变异情况等常规不易获取的信息，加深对临床表现内在含义的进一步认识，提高其诊疗技术。同时打印出来的实物作为模拟手术演练可以提高低年资医生手术熟练度[11]。

5. 制作个性化模板：3D 打印技术可以制作个性化模板供关节置换术中指导切除、截骨、置钉等。对于膝关节关节置换手术，术中医生通常根据术中经验，依靠术前影像学检查及术中髓内、外截骨导向器等定位装置进行截骨，期间若术者对关节的变形程度认识不足或对异常骨性标志把握不准、往往会导致截骨错误或需要反复截骨，增加手术时间，增加感染机会。而超过半数翻修的病例都由于术中截骨不当导致[13-14]。利用 3D 导航模板通过影像学资料的三维重建，利用逆向工程制造个性化截骨模块，该模块可以按照患者自身的关节解剖特点而非传统手术预设好的角度进行。将其紧密贴合骨面引导截骨操作，会增加截骨精准度，降低反复截骨所用时间，降低手术风险和术后失败的几率[15-16]。对于髋关节置换术，术中股骨定位通常使用髓内导向器，在扩髓操作中不可避免增加了患者失血量和脂肪栓塞并发症的发生率。而个性化截骨模块不需要髓内定位，这样就避免了其带来的并发症，极大地增加了手术安全性。 此外在骨肿瘤关节置换中，由于大量的骨量丢失，可供选择的置钉范围有限，因此要求置钉位置及方向准确，而传统手术过程中除依赖术者个人经验外，常需反复透视进行螺钉方向的调整。通过个性化 3D 导航模板能有效解决精准置钉问题，减少了术中透视次数、手术时间及术中出血量[7,17-19]。

6. 个体化定制假体：当患者存在显著解剖畸形或由于肿瘤及翻修等引起骨组织严重缺损情况时[20]，通常采用钛笼、垫块、自体骨等植入物进行骨缺损部分填充，以修复骨结构完整性、实现假体与邻近骨性结构的匹配。然而该方法具有一定局限性：首先自体骨取材有限，人工骨难以达到骨长入及骨支撑的作用，而结构植骨会存在骨吸收的可能；局部支撑结构强度不足，应力传导不均会导致骨重建不佳[21]；有些植入物如钛笼对周围骨组织有切割性不利于术后恢复；假体形态也很难与手术部位形成最佳匹配，手术过程中对传统植入物的塑形与反复的匹配，增加了手术时间及出血量，也易增加全身并发症脂肪栓塞的风险，引起严重后果。3D 打印技术的出现，为以患者自身影像资料为依据，设计、制造生物相容性高、与患者的解剖及骨组织缺损部位相匹配、具有能承受其应力特点的钛合金材料的植入物提供了可能[20]。目前这种 3D 打印定制化假体在骨科临床上已有广泛的应用，如 3D 打印人工髋臼假体，肩胛骨假体、骨盆假体、颈椎人工椎体及个性化假肢等[22]。

7. 量产式 3D 打印关节假体：即不以特定患者的影像学为依据，生产可用于适应一般患者的假体。1997 年，Zimmer 推出了骨小梁金属 ( trabecular metal，TM ) 通过在玻璃碳海绵骨架上将钽金属气相沉降获得，该制造方式虽然有别于传统的“减材”制造，但仍与目前所说的 AM 有所不同，TM 在骨科临床获得广泛的应用，并取得了令人满意的结果[23]。目前，量产式 3D 打印假体主要集中在髋臼杯的制造上。据不完全统计，美国食品和药物管理局( Food and drug administration，FDA ) 批准的以 AM 方式制造的假体或植入物为 90 个左右[24-25]。第一款 3D 打印髋臼假体是意大利 Adler Ortho 公司在 2007 年推出的 Fixa TIPORE 生物型髋臼假体。第一个获得 FDA 批准的 3D 打印臼杯是 2011 年美国 ExacTech 出品的 InteGrip 臼杯。第一个获得 FDA 批准的翻修臼杯是 Smith & Nephew 生产的REDAPT。2015 年 7 月，国内第一个被 CFDA 批准的 3D打印臼杯是爱康宜诚公司研发的三维精准构建技术髋臼系统。超多孔界面在促进骨长入、增强假体的稳定性方面获得良好结果[26-28]。3D 打印比较容易制造几何形状复杂的假体，比如多孔结构、内部扭曲通道、内部支撑结构等，这类假体使用常规的减材制造方法比较困难。对于髋臼杯的非骨水泥固定 ( 特别是在翻修病例 )，在假体上构建超多孔固定界面非常重要。而 3D 打印恰恰在控制孔径、孔隙率、孔间连通等方面比传统“减材”方法具有优势。目前各大厂家均早已推出了各自的超多孔界面，如 DePuy 厂家的 Gripition，Zimmer 厂家的 Trabecular Metal，Stryker 厂家的 Tritanium，Biomet 厂家的 Regenerex。在制作量产假体方面，随着 3D 打印与其它超多孔界面生产方式的发展与成熟，相关产品线也正从髋臼杯拓展到髋、膝金属加强块、胫骨托等其它人工关节植入物中。需要注意的是 3D打印原料粉末的循环使用比率可能会影响到熔融的特性，改变植入物的机械性能。目前面临的问题是产品价格较贵以及在因感染而翻修，需要取出假体时会造成较大的骨丢失。因此这种技术通常用在翻修以及骨质条件很差的初次THA 中。

8. 生物活性关节置换：3D 打印技术除在关节置换临床应用方面得到推广外，也大量应用于关节置换基础研究，主要集中在生物支架材料打印、细胞打印和生物活性因子打印等领域[29-31]。在生物支架材料打印方面，利用 3D 打印技术制备生物相容性高的骨组织工程支架，使其成为带有便于细胞爬行及生长的孔隙支架[32]，3D 纤维蛋白填充水凝胶支架目前已基本具备骨填充能力。使用各种涂层材料覆盖空隙支架打印[33]，最终可制造出具有抗感染、抗松动或抑制骨表面肿瘤细胞生长[34]的关节置换人工假体[33,35]。

在细胞打印层面，种子细胞打印技术难点正在逐步突破。骨髓间充质干细胞因其多向分化潜能的特点，已成为理想的种子细胞。在生物活性因子打印层面，3D 打印已能将生物活性因子固化在生物支架上以达到持续调节种子细胞的效果[7,36-38]。

3D 打印技术在关节置换领域的应用，有力地推动了关节置换精准手术的发展。目前关节外科对 3D 打印技术的应用仍集中在病损局部解剖模型制造、术前规划、术前手术预演、术中特异性定位导航、制作个性化工具及假体等。此类应用实现起来难度不大，比较便捷。但仍存在一些局限性，与耳鼻喉科和口腔科相比，关节外科 3D 打印对所需要的设备尺寸，金属粉末数量，所用材料质量以及机器的速度和成本等要求都要更高[39]；由于刚度等生物力学指标的原因，目前尚没有 3D 打印的股骨假体；在生物支架材料打印方面，复合材料的同步打印及复杂孔隙结构的处理仍有待解决[40-41]；3D 打印原料粉末的循环使用可能会改变植入物的机械性能等。最关键的一点是尚无法证明 3D 打印所提供的额外效果及其性价比[42]，因此，目前绝大多数的全膝关节置换仍依靠常规膝关节置换工具而完成。而为了在翻修术中处理形态特异的大量骨缺损，现有的假体已能处理大多数这种情况，定制假体需求并不大，此外人工定制假体的临床应用也受到监管方面的一定限制[43]。相信随着 3D 打印技术的发展与临床应用普及，将会逐步解决相关问题，为关节外科的发展提供更多的动力[44-45]。