应用3D 打印技术修复骨缺损的研究现状

黄鹏程，杨思敏，王新卫*

（1.河南中医药大学，郑州 河南 450000；2.洛阳正骨医院，洛阳 河南 471000）

0 引言

骨缺损主要是由高能量创伤、关节翻修、骨肿瘤切除、骨髓炎清创等引起，目前的治疗手段主要以手术为主，包括自体骨移植、牵张成骨以及传统生物材料制备等。但诸多临床研究表明，自体骨移植作为修复骨缺损的“金标准”，对于其取骨的部位有限制，而且需要额外开刀手术，容易增加手术感染风险；牵张成骨术则存在着治疗周期长、外固定架长期佩戴不方便的缺点；而传统制备工艺加工的多孔支架材料由于其制作工艺的不成熟、内部孔隙结构不可控、重复性低且不能完全与患处骨缺损相适应，实际应用效果欠佳[1]。近年来3D 打印技术发展迅速，临床应用越来越广泛，尤其是在治疗骨缺损方面有突出疗效，现对应用3D 打印技术在临床上治疗骨缺损的研究进展作一综述。

1 3D 打印技术简介

3D 打印技术最早可追溯至1986 年，由Hull 和Uvp 设计利用图像数据来打印3D 物体层。随着计算机技术的提高和组织工程材料学的发展，逐渐发展为以数字模型为基础，运用各种材料来构造物体的技术，现在又称增材制造(additivemanufacturing，AM)，具有高精确度的特点，因其能重复打印，具备产业化生产的可能，逐渐取代传统制作工艺，应用于骨科临床。

3D 打印最初主要应用于模型制作、假肢制作等，通过计算机辅助数据的建立，将诸如粉末或液体等特殊材料精确构造，用作内植物。早期的3D 打印技术包括但不限于立体激光光刻技术、熔融沉积成型技术及激光烧结技术[2]，不过上述方法存在明显的短板，因其制作过程中温度过高，所以不能加入生物活性物质，只适用于人工关节或假体等无生物活性的物体打印，临床应用较为受限。

随着新材料技术的不断发展，3D 打印的材料向无毒可降解、具有快速固化性质、且能够支持细胞增生和分化的液体或凝胶液体、凝胶、以及细胞等混合材料发展应用，包括对金属材料、生物陶瓷材料、聚合材料、复合材料等研究也越来越深入，终于Mironov 等[3]在研究中将3D 生物打印变成现实，开启了生物打印的时代。相比于常规3D 打印技术，3D 生物打印能够将细胞或生物活性进行分层结构打印[4]，不仅能够由上而下制造包含活细胞、细胞外基质及其他生物材料的复杂结构支架，而且能够改善血管向支架内长入的能力，打印成功后，可直接植入患者体内或在体外培养，促使细胞向特定方向成长，促进成骨。

2 3D 打印技术在骨缺损修复中的应用

随着骨组织工程领域生物材料技术的成熟应用，3D 打印技术在骨缺损领域的研究逐渐深入，基于现代影像技术及计算机辅助设计技术，将众多生物材料，以各种方法制成内植物用于填充骨缺损，不仅对骨缺损区提供空间支撑，同时因内植物具有多孔结构，可为骨细胞提供附着，此外还可搭载生物活性制剂，能积极修复骨缺损，指导骨再生[5]。

2.1 3D 打印技术在颌面部的应用

因外伤、肿瘤、感染、发育异常等原因导致的颌骨缺损，对患者的身心健康和生活质量带来严重的影响[6]。3D 打印技术能够针对患者个体化特征，精准仿制患者特定解剖结构的轮廓模型，将颌面部复杂的解剖结构和不规则的骨骼形状准确再现，并以个性化植入物对颌面部缺损区进行填充修复[7]。

李文鹿[8]等在数字化技术与3D 打印技术帮助下使用游离腓骨皮瓣修复重建上颌骨缺损，以健侧上颌骨为原型，将三维数据应用到患侧缺损处，制作3D 打印模型，并且精确制作塑形钛网，术后取得满意的疗效。王洋[9]等应用数字化外科技术制作赝复体即刻修复上颌骨Brown II 类缺损，通过术前应用3D 打印技术辅助外科设计手术导板及赝复体，术中在手术导板引导下及手术导航验证下完成手术，结果表明，通过数字化外科技术可以实现Brown Ⅱ类上颌骨缺损的即刻赝复体修复，恢复了面容及牙列，取得良好的治疗效果。

2.2 3D 打印技术在骨盆的应用

骨盆髋臼侧骨缺损一直以来都是髋关节翻修的难题，目前针对这一难题，骨科手术术式众多，如何对髋臼侧骨缺损进行重建以保证髋关节的正常旋转，是目前我们要考虑的关键问题。3D 打印技术的应用，能够解决传统假体与患者不完全适配的问题，通过精准定位计算骨缺损范围，对骨缺损区进行系统修复重建。

郭宇[10]等用3D 打印技术，根据髋臼骨缺损形态设计并制作TTM 臼杯，结合植骨技术，重建髋臼骨缺损。术后18 月以后随访显示假体位置良好，无假体松动、移位及螺钉断裂，植骨愈合良好。马立峰[11]等在研究中对比分析髋关节翻修术中使用3D 打印钛金属加强块和Jumbo 臼杯重建髋臼骨缺损的早期临床疗效，术前用CT 扫描数据完成3D 打印骨盆模型的制备，根据模型中髋臼缺损的情况使用计算机辅助设计系统构建出术中需要使用加强块的模型和所使用螺钉的长度并确定置入方向。术后结果显示3D 打印钛金属加强块和Jumbo 臼杯均能够重建严重髋臼骨缺损，但Jumbo 臼杯组2例发生髋关节脱位，说明3D 打印钛金属加强块重建髋臼骨缺损较Jumbo 臼杯发生髋关节脱位的风险更低。

2.3 3D 打印技术在四肢长骨的应用

四肢长骨在外界创伤中最易受到损伤导致骨折，一旦术中或术后处理不慎，很容易造成感染，而治疗感染的最直接的方法就是彻底清除坏死的骨与组织，因此常导致术区会出现不同程度的骨缺损，影响患处愈合和疾病的预后。近年来3D打印技术在四肢长骨骨缺损的治疗中应用比较广泛。

张虎雄[12]等以股骨髁骨缺损的兔为研究对象，利用3D打印技术制将淫羊藿苷负载于钙骨基质材料中，观察淫羊藿苷/脱钙骨基质材料的体外缓释性能。结果表明，3D 打印淫羊藿苷/脱钙骨基质具有良好的缓释性能、细胞相容性与骨诱导性能,能有效促进股骨新骨形成，加快骨修复。王进[13]等通过对尸体标本进行内侧胫骨平台骨缺损造模，探讨3D 打印金属垫块在全膝关节置换 （total knee arthroplasty，TKA）术中重建胫骨平台缺损的可行性，利用 Mimics 等有限元分析软件，重建骨缺损模型并设计金属垫块，在SolidWorks 软件中与胫骨和胫骨平台模块进行装配，通过模拟受力，分析得出3D打印金属垫块对TKA 术中胫骨平台骨缺损的修复具有良好应用前景的结论。

3 小结

3D 打印技术是一种通过三维CAD 建模软件虚拟建模，设计出模型后利用各种成型工艺逐层打印出实物模型的过程。随着科学技术的发展和组织工程研究的深入，3D 打印技术也越来越成熟，对于骨缺损的治疗，在3D 打印技术构建的基础上，通过应用不同类型的材料进行建模，不仅成型精度高、生产速率快，而且能够为患者量身定做，与骨缺损区域完美结合，很大程度上避免了二次手术和感染的风险，加速骨愈合，提高了患者的治疗满意度。

然而3D 打印技术目前仍然存在一些问题亟待解决。首先是成本比较高，每个患者都需要个体化内植物的定制，这需要花费更多的时间和精力去准备，同时也会加大患者的住院支出，因此对制作工序的简化合并以及新型廉价材料的研究迫切需要提上日程；而且，很多临床医师对3D 打印的操作并不熟悉，如需进行个体化假体的定制，还需提前了解相关操作，这不仅给医师增加了负担，也对治疗进度产生严重的影响，因此有必要明确3D 打印操作工程师与临床医师之间的分工，二者之间操作的无缝衔接对3D 打印技术的推广至关重要；再有就是针对3D 打印技术使用的临床材料，目前尚未有统一的行业规范，可能在法律支持与医疗伦理方面会受到相关限制；此外，现有的3D 打印设备与科学技术的发展并不同步，应该着眼于研发高分辨率的打印设备，争取在器官打印与应用上迈出一个新的台阶。

总之，我们有理由相信随着科技的进步，更高级别的生物材料会被逐渐发掘并应用于临床研究，在不远的将来，3D 打印技术将会越来越成熟，目前存在的诸多难题都会迎刃而解。