3D打印技术在骨科的应用研究

苏炜炜，谢普生，谭晋川，王勉，黄文华

1.南方医科大学第三附属医院骨外科，广州510630；2.南方医科大学基础医学院人体解剖学国家重点学科，广州510515

前言

3D打印技术属于快速成型技术，它是通过短时间内累加材料，制成立体的3D实体模型，故又称作增材制造技术［1-2］。3D打印机出现于1986年，而我国于2012年8月15日才研发成功，经过短短的数年时间，3D打印技术已经有了飞跃式的发展。3D打印最先被应用于工业，随着技术的成熟，3D打印在医疗方面的应用也逐渐受到重视并且已经取得了令人惊喜的成果。骨骼在人体中主要起支撑的作用，相对来说，我们更加重视它的结构特性。3D打印能够制作出精细、稳固的结构，具有很好的力学特性，支撑性强，更有研究表明有望制成具有生物活性的人造骨骼。本文主要介绍了3D打印技术在骨科领域的应用近况、面临的一些问题以及对未来的展望。

1 3D打印技术在骨科的应用现状

1.1 术前规划

利用3D打印技术可以在术前根据患者的影像学资料所提供的数据，构建出所需部位1：1实物模型，这对于术前规划具有重要作用。

首先，有助于术前诊断。现有的影像学检查只能够提供单一的二维平面图像，当发生复杂骨折时，这些传统的影像学检查并不能清晰而又直观的显示出三维解剖关系。而1：1实物模型则可以直观、立体的呈现出骨折后的全貌，不易漏诊一些细微的变化。特别是对于部分低年资医师，由于他们的临床经验不足，容易发生误诊、漏诊，而如果将患者受伤后的骨骼模型打印出来，再次进行评价，则诊断的符合率能够大幅上升［3］。

其次，有助于设计手术方案、术前模拟手术。通过这些直观、立体的3D打印模型，医师可以更加容易找到手术思路、制定出切实可行的手术方案。同时，医师还可以在这些1：1实物模型上进行手术预演，通过多次的体外手术训练，在手术过程中做到有条不紊，简化操作、缩短手术时间、减少患者的术中出血量［4-5］。柳鑫等［6］选取53例髋臼骨折病人，其中19例病人根据CT数据，打印3D模型、术前模拟手术；另外34例病人按照常规方法进行手术。结果表明，实验组病人的术中出血量、围手术期输血量均较常规组少，并且手术用时短。

1.2 术中导航

通过收集患者的CT等影像学检查数据，打印出3D模型、模拟复位，我们可以确定螺钉的方向轴、直径、长度，结合软件设计、制作出适合患者的手术导板。

黄华军等［7］募集复杂胫骨平台骨折患者20例，重建出三维模型、设计内固定方案、打印出手术导板，在3D模型上模拟手术。结果显示手术效果良好，螺钉长度适合，说明手术导板的应用可以提高骨折内固定的效果。Zeng等［8］募集了10例髋臼骨折病人，打印出手术导板，术中发现预弯的手术导板与骨骼契合良好，不用再进行塑形或其他调整，手术效果基本可以达到骨折的解剖复位。而且病人在复位后产生的移位较小，均未出现螺钉穿出、畸形愈合。盛晓磊等［9］研究了导板辅助对于颈椎手术的影响程度。结果显示，导板的应用让手术置钉更为安全、精确，并且简化了手术过程、有利于术后恢复。

1.3 骨科临床教学

对于年轻医师来说，课本的知识较为枯燥，不能够在头脑中形成图像，缺乏感性认识，而这些实物模型则能够形象的体现出我们人体的解剖结构，带教老师还可以在实物模型上进行演示，让实习医师理解得更加透彻。而且，通过在3D模型上进行模拟手术，能够加快实习医师吸收、利用课本知识，掌握该种疾病解剖变化。这种教学方法可以明显提高教学质量［10-11］。

李忠海等［12］将3D打印模型应用于临床教学工作中，与传统的教学方法相比较，这种感性的新型教学方法能够帮助实习医师提高读片能力和对该类疾病的诊断能力，对于解剖关系和病变类型的理解更加深刻，此外，它使教学方式更加多元化，教学的效果显著提升。

1.4 医患沟通

医患矛盾的产生，往往来自于沟通的不充分，患方一般不具备专业的医学知识，不能够理解复杂的解剖结构以及手术的危险性，医方由于工作量大，不能够一一向患方解释医学原理。而现在通过3D打印的1：1实物模型，医方就可以较为清晰的向患方解释手术的过程、手术的难点、手术存在的风险以及可能出现的并发证，患方有一个直观的感受，也就比较容易接受手术所出现的各种结果［13］。

1.5 骨折康复支具

骨折后对骨折部位进行外固定对于骨折的愈合过程非常重要，我们传统的外固定材料一般选用石膏、绷带或者夹板，而这些外固定材料透气性差、固定不牢靠、容易压迫血管、减少血供，利用3D打印技术所打印出的康复支具，在这方面的应用则具有巨大的优势。

廖政文等［14］利用3D打印技术，打印出个性化前臂矫形康复支具，该支具的佩戴更加舒适、透气性好，患者满意度明显增加。陆亮亮等［15］利用FDM技术打印出拇指指骨骨折康复支具。此种3D打印支具与传统的骨折固定器具相比，它更贴合患者的骨骼生理构造，在佩戴上也更加方便、美观，而且，该支具可承受更强外力的作用，而不会对指骨骨折部位有不良影响。

1.6 骨科金属内植物

关于3D打印骨科金属内植物的研究起始于欧洲，我国也很重视在这方面的探索。与传统的金属内植物相比较，这种个性化内植物与个体的匹配度更加高，它是根据患者所需来进行打印的，尺寸更加的适合，能够让患者术后功能恢复更佳。更为前沿的研究是通过在金属内植物中添加药物来刺激成骨、治疗疾病［16-17］。

黄淦等［18］将3D打印钢板应用于骨盆骨折病人，结果显示，患者术中情况较常规手术的患者好、透视次数显著减少，随访结果显示愈合时间更短，疗效更好。

1.7 生物打印

3D生物打印是将器官三维模型当作原型，利用可吸收材料进行打印载体支架，与细胞联合培养，制成功能组织，或者利用患者自身的细胞直接打印，制成组织或器官的先进技术［19］。目前，3D生物打印技术已经运用于打印人体皮肤、骨骼、血管和心脏组织，虽然还没有在临床上广泛运用，但是可以看出这项技术具有很好的发展前景，该项技术在骨科上的运用更是成为了一个研究热点。

Wang等［20］利用一种新型的低温3D打印技术制备出（rhBMP-2）-（Ca-P）纳米粒子/聚L-乳酸（PLLA）复合支架，这种支架能够指导骨髓间充质干细胞的分化、提高细胞活力、附着能力、增殖能力和成骨分化能力。张明等［21］研制出基于3D打印技术的复合镁骨修复支架，该种支架具有生物活性，有利于植入部位骨再生及功能重建。

2 3D打印存在的一些问题及未来展望

2.1 3D打印的不足

当下，3D打印在临床应用中依然具有一些不足:第一，造价昂贵。3D打印技术所制造的产品都是个性化的，不能够批量制造，生产造价较高［22］。第二，定制的周期过长，不适用于急诊手术。3D打印技术虽然属于快速成型技术，但是它要根据患者情况，实现个体化打印，所以它所需要的时间还是较长。第三，对材料的要求严格，导致材料的研发难度大，可用种类少。目前所应用的材料包括金属、陶瓷、光敏树脂、石膏等。而且，使用金属作为材料打印内植物对于一部分患者还存在金属过敏的风险［23］。第四，机械强度不够。利用3D打印技术所制造出的内植物是材料堆积、高温粘合所形成的，所以它的脆性大、不能够承受较大的外力冲击，而骨骼是主要的承重结构，也容易受到外界的冲击，所以要将它作为骨科内植物，还应该提升它的机械强度。

2.2 展望

3D打印的迅速发展，让我们对以往的一些难治、不可治疾病产生了希望。近年来，3D打印在医学方面的利用也受到了重视，在骨科的应用更是异军突起。虽然3D打印当下依然有许多不足，但是我们相信不断涌现的新成果必将弥补这些问题。

就目前的技术而言，大块的骨缺损是较难修复的［24］，然而3D打印技术如果能够实现打印具有生物活性的骨，这必将促进植骨术的迅速发展。虽然还没有实现于临床应用，但是我们可以看到近几年来，关于这方面的动物研究已经取得了很大进展，有望实现临床应用。

材料限制了3D打印的应用，然而随着科技进步，这并不会成为一个高不可攀的难题。张海峰等［25］将3D打印的聚乳酸-羟基磷灰石（PLA-HA）作为支架载体，与细胞联合培养，观察细胞在PLA-HA上的生长状况，发现细胞生长良好。

机械强度问题也在慢慢地被克服。Xie等［26］使用DMLS 3D打印技术打印钢板，将其与传统重建钢板对比，观察它们在各个方面的体外力学特性。结果显示DMLS钢板硬度及静态弯曲、扭转刚度较传统重建钢板更大，而在动态疲劳测试中，DMLS钢板亦能满足临床固定需求。可见，3D打印钢板的机械强度正在被提高。

另外，因意外而导致肢体残疾的人逐年增高，肢体散失对他们的打击不止表现在生理方面，在心理方面也会对他们造成难以弥补的创伤。目前所使用的大多是仅仅起装饰作用的无功能假肢，还远远无法满足残疾人的生活需求，现在已有学者研究利用3D打印技术打印假肢并且配备有集成传感器、电子控制装置，兼顾了外观和功能的实现，随着技术的发展，在不久的将来，有望实现功能的完全替代，其某些性能甚至能够超过人类的真实肢体。

要实现3D打印技术的快速发展，必须有政府支持、多方合作、自主创新，学校、医院、企业三方如果能够相互合作，实现研发、临床实验、生产的密切结合，这必将推动我国3D打印技术在医疗上的腾飞。