3D打印技术在成骨不全治疗中的应用进展

王言之，张静姝

1.南京医科大学 a.第一临床医学院；b.公共卫生学院，江苏 南京 211166；2.江苏省医药农药兽药安全性评价与研究中心，江苏 南京 211166

引言

3D打印又称增材制造，始于20世纪末，是一种以数字模型文件为蓝本，使用各种类型可黏合材料，基于光固化和纸层叠等技术来快速制作实体模型的新型手段[1]。3D打印的产品有适应性强、交互性好、能快速成型等一系列优点[2]，故在工业设计、建筑工程、航空航天、医疗器械等领域已逐步得到推广和应用。

2012年11月，苏格兰科学家最先报道利用人体细胞通过3D打印机打印出人造肝脏组织，成为3D打印技术进入组织工程领域的里程碑[3]。2019年1月，美国加州大学首次报道利用3D打印技术，制造出模仿中枢神经系统结构的脊髓支架，装载神经干细胞后将其植入脊髓严重受损的大鼠脊柱内，实现其运动功能的恢复，这是3D打印技术在神经外科的重大突破[4]。

当前3D打印技术在临床尤其是骨科领域的应用出现井喷式发展[5]，主要可分为制作等比实物模型、手术器材和内置物等几个方向[6]。以成骨不全为典型的骨病治疗或可与3D打印技术紧密联系。

1 3D打印应用于成骨不全治疗的病理背景

成骨不全（Osteogenisis Imperfecta，OI）又称脆骨症、原发性骨脆症等，是一种由于间充质组织发育不全、胶原形成障碍而造成的先天性结缔组织疾病[7-8]。目前无根治OI的方案，常采用物理矫治结合药物治疗对患者病情进行控制、减轻患者痛苦。药物治疗能有效降低骨折再发生的概率，但对已经形成的骨畸形没有明显效果，手术治疗是提高成骨不全患者生活质量的不二途径。对成骨不全患者的不同症状需实施对症治疗，而成骨不全患者自身的骨骼结构异常、骨密度偏低增加了手术难度和手术风险。考虑到3D打印的产品具有精细化、个性化的特点[9]，将3D打印应用于成骨不全的治疗有显著的优势。一方面，成骨不全患者骨骼结构异常，利用3D打印的等比模型有利于医生术前进行模拟，确定手术方案、熟悉手术操作，在临床操作时规避损伤神经血管等微细结构，同时缩短手术时间，减轻患者术中痛苦以及术中所受辐射[10]；另一方面，医生可利用3D打印制作的模型向患者讲解病情，提前告知手术过程让其做好心理准备，这种医患沟通[11]的过程有利于减少因患者缺少对病情的正确认知产生的医患矛盾，提升患者的满意度。

2 3D打印对成骨不全治疗的具体临床应用

2.1 骨折

成骨不全患者由于骨密度下降易引发脆性骨折，即生活中在轻微外力下发生骨折。脆性骨折常见于脊椎、肱骨近端、桡尺骨远端和髋部[12]，其他部位也偶有发生。发生髋部骨折的患者在一年内死于各种并发症的比例高达20%，脆性骨折极大降低了成骨不全患者的生活质量，带来巨大的家庭压力。

当前我国医生在骨折治疗中提倡四大原则，即正确的复位、良好的固定、积极的功能锻炼和内外辨证用药。国内研究证实，3D打印技术在手术的内固定操作中可以发挥重大作用。李豹等[13]将收治的84例髋臼骨折患者分成采用经验性手术治疗的对照组和应用3D打印骨折模型术前辅助桥接组合内固定治疗的观察组，比较发现观察组的术中出血量、手术时间以及术中透视次数明显少于对照组，提示3D打印技术能有效提高手术效率。李昌杰等[14]将60例桡骨远端患者分为3D打印组和对照组，前者通过观察利用3D打印技术等比制作的骨折模型进行手法复位，后者直接手法复位小夹板固定，跟踪比较临床疗效发现，3D打印组在术后2月的腕关节功能评分、患肢疼痛改善、肿胀消除等方面均优于对照组，提示利用3D技术制作骨折模型有利于设计最佳手术方案指导骨折复位、减轻患者痛苦。此外，吕继连等[15]研究发现，在处理下颌骨骨折时，3D打印技术联合三维重建也有助于手术效果的优化和病人术后的恢复。

2.2 脊柱变形与关节脱位

脊柱侧凸或后凸畸形是成骨不全患者骨骼X线影像学的主要特征之一。成骨不全患者的骨质遭到破坏，骨强度降低，在正常活动时受力可能引发脊柱变形或者关节脱位。关节脱位时，关节处疼痛剧烈，关节的正常活动丧失甚至出现畸形。关节脱位的损伤可累及关节囊、韧带、关节软骨及肌肉等软组织[16]，若不及时复位，不仅对患者行动带来极大不便，甚至可能损伤神经脊髓诱发瘫痪。脊柱畸形常使患者表现出驼背、姿势不对称等症状，对神经、呼吸、消化功能等造成一定的损伤[17]。当保守治疗无效或疗效不佳时，须采用手术手段进行矫治。上颈部、腰骶部等区域解剖结构复杂，手术风险较大，如置入椎弓根螺钉固定脊柱时，若不结合患者个性化的影像学资料进行模拟与评估，有可能对患者造成致死性的神经血管损伤。

国内林军华等[18]比较发现，3D打印模型辅助后路螺钉内固定术治疗可复性寰枢椎脱位疗效显著，3D打印组术后VAS评分显著低于对照组，证实3D打印技术在脊柱外科有广阔的应用前景。而国外报道中，Lu等[19]将3D打印导航模板运用于脊柱侧弯患者的矫形治疗，有效提高了引导螺钉轨迹的准确度，降低了术中螺钉置入偏差率。Lin等[20]用针对患者情况个性化3D打印的截骨工具切除骶骨神经鞘瘤，术中切缘定位效果良好，跟踪发现患者术后两年无不良情况。相对于脊椎手术中传统的CT计算机辅助导航，3D打印技术辅助导航能有效缩短手术时间，降低患者术中所受辐射量。

2.3 创伤性关节炎

成骨不全患者发生严重的或反复的关节内骨折时，可能由创伤引起关节软骨的退化变性和继发的软骨增生、骨化，即导致创伤性关节炎或称损伤性骨关节炎。根据患者的不同情况，可采用关节清理术、截骨术、闭孔神经切除术、关节融合术、关节成形术等手段进行对症治疗。对于疼痛严重、关节破坏严重的患者，可实施人工关节置换术。

国内陈拥等[21]研究发现，术前使用3D打印技术制作1：1模型和截骨导板，行全膝关节置换手术时间更短、病患出血量更少，同时术后膝关节HSS评分出现明显增高。这一结果，与刘金辉等[22]、袁伟等[23]的报道相吻合。利用3D打印三维成像技术制作的截骨模板贴合每个患者的个性情况，同时术前利用计算机测定了截骨量和截骨角度，规避了术中多次使用髓内外导向器导致手术时间过长患者失血过多的问题。目前国外将3D打印技术应用于创伤性关节炎的对症治疗的相关报道较少，有待进一步与国内进行比较。

2.4 心脏瓣膜病变

成骨不全可能累及患者结缔组织诱发心脏瓣膜病变。瓣膜病变的类型通常是狭窄或者关闭不全，会阻碍正常的血液流动，增加心脏工作负担，从而诱发心脏功能损害，导致患者出现心力衰竭的症状。心脏瓣膜病变的治疗包括内科治疗（药物治疗）、外科手术治疗和介入治疗。药物治疗主要起预防和控制作用，对病变瓣膜的机械性损伤无明显效果，传统外科手术包括开胸、体外循环等操作，风险性较高，而随着医影技术的更新，介入治疗受到广泛关注。

国内研究中，黄海等[24]通过3D打印技术制作等比冠脉模型，用于不停跳冠状动脉旁路移植术的围术期规划，手术获得良好效果。国外，Olivieri等[25]将3D打印应用于制定复杂先天性心脏病的介入治疗中，通过术前模拟对导管和封堵器等手术器械进行精确选择，有效提高了手术效率。Moore等[26]为患有左锁骨下动脉远端主动脉弓中断合并动脉导管未闭的7 d大新生儿构建了3D模型，术前确定了吻合升主动脉与间隙的手术方案，使手术成功进行。此外，哈佛大学Wyss研究所于2018年报道开发了一套有别于传统的3D打印工作流程，将生成的数字小叶模型和CT数据进行合并调整，在三维印刷阀门模型中使用多材料设计，有助于预测心脏瓣膜的泄露情况。

2.5 耳聋

骨脆症、耳聋、蓝巩膜统称为Van der Hoeve综合征，是成骨不全患者的典型特征[27]。成骨不全引发耳聋的原因主要是听神经受压和耳硬化。虽然目前国内外对成骨不全患者的耳聋治疗相关论述较少，但钟静等[28]研究显示，在耳缺损修复手术中，术前建模中利用3D打印技术重建缺损耳的立体结构指导耳廓支架的雕刻，减少了手术次数并且提高了手术成功率。同时，采用天然生物材料和高分子材料3D打印的外耳廓支架内部结构精细，取代了选材自患者自体肋软骨的传统方法，减轻了患者的术中痛苦和愈合压力，提示3D打印技术或对治疗成骨不全患者的耳聋有一定作用。

3 总结与展望

本文综合评述了3D打印技术在对成骨不全的骨折、脊柱变形关节脱位、创伤性关节炎、心脏瓣膜病变及耳聋等一系列临床表征的对症治疗中的应用。基于影像学数据制作的等比模型和手术器械相比于传统手段更贴合成骨不全患者复杂畸变的骨骼结构，有减轻患者疼痛、降低手术难度、促进术后恢复的显著优势。从全局来看，3D打印技术的应用正得到越来越多的医生的认可和推广。特别是当前在我国骨科向“精准医疗”[29]发展的趋势下，3D打印技术在成骨不全这一类骨病的治疗中应当具有更广阔的应用前景。然而，作为一种新兴技术，3D打印技术在临床工作中的应用也受到很多因素的限制。较高的生产成本增加了患者家庭的经济压力，复杂的三维系统操作为部分医生群体带来困扰，处理不当时可能出现模型与原数据有较大差异[30-31]，影响手术方案的制定。但随着材料科学和影像技术的发展，3D技术必然日益成熟，对临床尤其是骨科的诊疗做出更大贡献。