3D打印技术应用于关节置换术的现状及问题对策探讨

2019-02-10张文成小梅雷堃金宏亮白广超李宽新

生物骨科材料与临床研究 2019年1期

张文成小梅雷堃金宏亮白广超李宽新*

关节置换术为临床中常用的治疗关节功能障碍方式之一，可恢复关节形态、功能。随着对关节解剖及关节生物力学的深入研究，传统关节假体材料的选择、设计、性能及远期疗效得到明显改善，患者术后效果较好，不良反应发生风险明显下降。目前临床中关节置换手术计划制订多是基于传统影像学资料，难以全面、准确地反映病变关节信息，尤其是截骨角度的把握，多依赖手术者的熟练度及个人经验，另外，假体型号也存在与患者实际解剖结构不匹配的问题，影响患者后续关节功能恢复。3D打印技术具有精确、个性化的特点，其利用计算机辅助设计，在医疗领域尤其是人工关节假体的制造方面的应用不断拓展[1-2]。因此，如何能够使3D打印技术更好地应用于关节置换术，在提高治疗效果的同时，减少不良反应发生，造福人类，成为临床面临的新挑战。本文对此进行探讨。

1 3D打印技术研究现状

3D打印技术可通过制作出适配性高、组织相容性较好的内植入物，应用于硬组织缺损修复。国内外已有报道，早期已将3D打印技术应用于口腔颌面部手术中，目前临床中已逐渐将3D打印技术应用于关节置换领域，提高手术效果[3-5]。

3D打印技术的实现，需要多学科尖端技术合作，其中影像技术是模型构建的基础。近年来，随着影像学技术的不断发展，高分辨率CT、MRI，不仅可以快速采集、传输图像，同时可将数据转变为三维图像，为临床诊疗提供便利，同时也为3D打印技术奠定基础。在医学领域中，如何制备生物相容性高的骨性支架一直是研究热点课题之一，而3D打印技术通过筛选原料，制备与机体具有较高生物相容性的材料，以作为细胞生长载体，降低排斥反应，从而发挥生物学作用。在关节置换领域中，利用3D打印技术制造出骨组织工程支架，有利于细胞迁移、增殖与分化，为骨组织修复提供良好的环境[5]。Inzana等[6]利用3D打印技术制作出网状骨组织工程支架，应用于小鼠股骨缺损模型中，发现能够获得较理想的机械性能、生物相容性及可降解性，同时具有引导成骨作用。但临床应用过程中，因3D打印技术受限于材料及打印设备，其各种模型、内植物还未能达到完美，仅在临床应用中处于探索及起步阶段，今后也面临着各种力学及生物学方面的难题，但是3D打印技术展现出的魅力是巨大的，尤其是在骨科临床应用中，已日渐广泛。

2 3D打印技术在关节置换术中的应用

2.1 术前规划

目前，临床医师在术前多凭借患者临床症状及影像学资料评估病情及了解关节周围组织情况。但临床发现，多数患者病史较长，伴有不同程度关节软骨变性、坏死，存在解剖畸形；另外重度髋臼发育不良患者在脱位股骨头伴有病理性假臼，在术中难以区分真臼、假臼，进而增大手术难度。3D打印技术通过整合术前X线、CT及MRI等影像学资料，采用建模软件处理及加工，构建出病变部位的三维数字模型，使用特定的打印材料，打印出与实体器官相同的模型，多角度观察待置换关节，全面评估病情，制订手术计划，避免术中损伤重要组织，有效解决精准度要求高、相对复杂的骨科手术在术中可能遇到的难题[7-8]。Xu等[9]基于患者的CT扫描制作出骨盆实物模型，应用于髋臼假体放置的手术演练，对理解骨盆结构、评估髋臼扩孔程度及确定髋臼型号具有重要意义。Won等[10]将21例严重髋关节畸形患者影像学检查资料与快速成型技术结合，制备出骨盆模型，进行模拟手术，入组患者均完成人工全髋关节置换术，末次随访行影像学检查，发现假体周围无任何磨损或骨溶解。Wong等[11]发现在骨盆肿瘤患者中，利用3D打印技术进行术前评估及生物力学测试，结果显示术中可有效避免不必要的截骨及神经血管的损伤。

2.2 人工假体及内植物的个体化制造

个性化、精准化、微创化是现代骨科发展的一个重要方向，目的是修复骨结构、维持生物稳定性、恢复运动功能[12]。目前临床中使用的内植物、人工假体是依据大样本解剖数据进行的均一化设计，但每个患者的病情程度及病变范围都有不同，导致假体的大小、型号通常不能完全匹配，给术中假体的选择造成一定困难。因而依据患者个体具体情况定制内植物或人工假体，可提高治疗效果及预后。目前骨科大量研究集中于髋关节、膝关节、骨盆的个性化，但多数为研究阶段，仅有少数开始应用于临床。

3 3D打印技术在关节置换术应用的问题

科学技术的进步总是伴随着相应的弊端，3D打印技术也是如此，但随着技术的不断发展，3D打印技术也会逐渐完善，应用于临床骨科疾病治疗中，不仅可提高治疗效果，同时对改善患者预后具有一定促进意义。但是这些应用同样存在问题，主要集中于以下几方面。

3.1 材料研发

骨科内植物主要用于治疗各种骨折、骨缺损及关节功能障碍等，其中应用最为广泛的内植物多为金属材质，而金属本身具有不可吸收、长期存留、应力遮挡、生物电离反应等问题，寻找一种与人体骨组织理化性质相近的材料来制造内植物就成为当下研究重点之一[13-14]。羟基磷灰石、碳酸钙等无机非金属材质为制备组织工程骨的良好材料，但是传统制备技术无法制作出机械强度、生物力学以及微观结构都能达到理想要求的组织工程骨，导致组织工程骨的临床效果得到大幅度降低[15-16]。3D打印技术为组织工程骨支架的制造提供了更好的方法，利用羟基磷灰石及碳酸钙等为原料，打印出组织工程骨支架。

目前3D打印材料不断增多，其中医用原料包括胶原、壳聚糖等，聚乳糖、聚醚醚酮等高分子原料，羟基磷灰石等具有生物活性原料，钛合金等金属原料。虽然应用原料多样，但是医学对于3D打印材料的要求较高，可选择的材料微乎其微，因此，医学打印材料的发展是影响3D打印技术在医学领域发展的主要因素。目前临床骨科领域所使用的金属材料虽然耐磨性较好，但3D打印机无法进行冷却处理，而高分子材料仍然处于试验阶段，尚未应用于临床。

3.2 配套应用软件的开发

临床影像学技术的不断发展，扫描图像的清晰度提高，利用影像学数据生成CAD/CAM文件，直接应用于3D打印。若要完成3D打印，需要具有配套的应用软件，但发现3D打印设备并未与这些软件无缝对接，造成3D打印成品与实际不符，从而出现模型模拟的情况与实际手术操作不相符[17]。张鹰等[18]发现3D打印技术能够有效缩短膝关节置换手术时间，对手术具有较好指导意义，但是结果发现采用3D打印技术辅助制订手术计划时，发现有2例患者模型与实际情况不符，需术中重新选择型号。

3.3 制作周期长

3D打印技术被称为快速成形技术，但是在临床应用过程中需先获取患者CT、MRI等影像学资料，再经过数据处理，图像重建，最终获得3D打印产品[19]，这个周期往往需要2～3 d，因此需延长关节置换手术患者住院时间。

3.4 成本问题

3D打印产品价格较高，与技术垄断、人工假体及植入物对打印材料及制作环境要求较高等原因密切相关。另外依据所使用的技术及材料的不同，也会导致价格相差较大，因而限制了3D打印技术在医学领域中的应用范围。因而，如何降低3D打印技术成本，成为研究重点之一。

3.5 临床应用受法律法规的制约

目前国外已有将3D打印产品应用于临床的报道，但是例数较少，而我国3D打印技术仍主要集中于实验研究中，因临床应用风险较高，尚未应用于临床中，同时相关的法律法规尚不完善，不易推广使用。

3.6 新的隐患

临床发现，部分术者为了能够发挥模型的作用，将消毒后的模型带入手术室，指导术中操作，但是3D打印产品为高分子材料，无法进行高温消毒，可能增加术中发生感染风险。

4 解决策略

任何一种新型技术在其发展过程中都面临机遇与挑战，3D打印技术虽具有技术先进、应用广泛的优势，但3D打印技术的材料研发较为落后，配套软件开发不足，精度、速度及效率仍然较低，成本较高，模型与实物存在偏差等，使其发展仍受限制。如何解决这些不足，笔者认为需注意以下几点。

4.1 加强多部门合作

由于打印机工作原理的限制，导致打印精度与速度之间存在严重冲突，且在3D生物打印技术中，牵涉的技术较多，需要多学科、多部门进行合作。加强医院与厂家的合作，由厂家出设备，医院出设计图形，得到3D打印产品供临床使用；同时加强专业人才培训，培养懂医疗及3D打印技术的复合型人才；加强各医院间的交流合作，实现资源共享，举办经验交流及研讨会，探讨3D打印技术应用中所存在的问题。

4.2 完善3D打印机配套软件及打印材料研发

MimicsInnovationSuite软件由Materialise公司研发，能够将2D图像转换为3D图像，并支持对3D图像精确测量，同时能够对图像进行分割。Amira软件由VSG公司研发，同样可支持模型分割及表面重建，同时能够对重建模型进行定量分析。因此，联合医疗应用软件制造商与3D打印机制造商具有重要意义，可触及3D打印机与软件无缝对接，制造出更精确的实体产品，否则将制约3D打印技术在医学领域中的应用。因专利技术的保护，使得3D打印产品费用较贵；需注重对打印材料的研发。有研究发现[20]，磷酸三钙固态时为晶体结构，具有较好的生物相容性，与骨组织结合较好，无排斥反应；另外，其钙磷比约为1.5，与正常骨组织的钙磷比1.66较为接近，为一种良好的骨修复材料，但是其在植入体内后可降解，不能保持原有功能，因而3D打印材料研发仍为一个艰巨工程。

4.3 建立相关法律法规

规范3D打印技术在关节置换术中的应用，建立3D打印产品相适应的注册和监管办法，才能大量投入使用，为患者造福。2014年新颁布的《医疗器械注册管理办法》，规定新医疗器械的审评制度，对促进3D打印产品应用于临床具有重要意义；同时修订《医疗器械监督管理条例》，将新的3D打印材料纳入其中，建立了具有中国特色的、系统的、人性化的医疗器械监管系统。只有完善3D打印医疗产业相关法律法规，才能促进其在医学中的快速发展。