3D打印技术在胫骨高位截骨术中的应用现状

余伟杰，刘爱峰，陈继鑫

(天津中医药大学第一附属医院，国家中医针灸临床医学研究中心，天津 300381)

胫骨高位截骨(high tibial osteotomy，HTO)是治疗膝内侧骨关节炎的一种有效“保膝”方法，通过转移不良下肢力线(hip-knee-ankle angle，HKA)，改善内侧间室软骨磨损情况，延缓膝骨关节炎(knee osteoarthritis，KOA)进展[1]，包括内侧开放楔形截骨术和外侧闭合楔形截骨术。传统手术方式往往借助术者手术经验、C臂机下反复透视确定理想截骨方案，容易造成截骨量过多，手术时间、术中出血量增加，术后胫骨平台骨折、后倾角改变、矫正过度或矫正不足等并发症的发生，影响治疗效果[2]。因此，精确的术前规划和精细的术中操作是获得满意手术效果的必要条件。与此同时，人们对治疗方式和手术效果的要求也不断增加，越来越强调个体化、精准化治疗。3D打印技术的出现为HTO个体化、精准化治疗提供了新的可能。

1 资料和方法

1.1 资料来源 由第一作者应用计算机检索PubMed、万方数据库、知网数据库中2010至2020年出版的相关文章，英文检索词为“3D printing”、“high tibial osteotomy”、“knee osteotomy”、“patient-specific instrumentation”；中文检索词为“3D打印”、“胫骨高位截骨”、“膝骨关节炎”、“截骨导板”。

1.2 纳入标准 (1)论述HTO原理、并发症及临床应用的文章；(2)论述3D打印技术及其分类的文章；(3)论述3D打印技术辅助HTO治疗膝骨关节炎的相关文章。

1.3 排除标准 (1)重复性研究；(2)与主题相关性差的研究。

1.4 质量评估 通过上述计算机检索和人工检索，共检索到300余篇参考文献，按纳入标准进行人工筛选，排除与主题相关性差及重复、陈旧的文献，最终纳入38篇文献。纳入研究的文献包括6篇中文，32篇英文。其中包含有综述、META分析、临床试验、动物试验等。文献检索流程见图1。

图1 文献检索流程图

1.5 数据提取 本研究信息记录侧重于3D打印技术辅助HTO治疗膝骨关节炎的应用进展。

2 3D打印的原理及其分类

3D打印技术起源于20世纪80年代，也称为增材制造技术(additive manufacturing，AM)或快速成型技术(rapid prototyping，RP)，是一种基于“加法制造”原理，以计算机生成的三维图像为基础，将陶瓷、液体、粉末、金属、塑料以及活细胞等材料通过分层加工、逐层堆叠实现数字模型转换为实体3D模型的数字化成型技术[3]。医学3D打印通过MRI、CT、超声等手段采集图像数据后，先以医学数字成像和通信(digital imaging and communication in medicine，DICOM)格式保存，再导入到Mimics、Osirix或Meshlab等数据加工软件中，根据目标区域的阈值范围对骨、软骨、肌肉等组织数据信息进行相应的分割截取，整个过程也称为“阈值分割”。分割完成后，将体素数据转换为3D网格数据，生成“表面网格”，从而形成平滑的曲面。最后，将数据转换为标准镶嵌语言(standard tessellation language，STL)格式后导入到3D打印机中进行3D打印[4]。

目前，根据打印方式可分为：(1)光聚合固化打印。通过特定波长的光照射，逐层固化光敏树脂材料，包括紫外激光照射的光固化成型技术(stereolithography appearance，SLA)、数字光处理技术(digital light processing，DLP)和连续光固化技术(continuous direct light processing，CDLP)等，具有精度高、速度快的特点，广泛应用于牙科、医疗器械、解剖模型等领域。(2)粉末熔化技术。依靠局部加热来烧结或熔融粉末材料(金属合金、聚合物、陶瓷、塑料等)，实现层叠打印，包括选择性激光烧结(selective laser sintering，SLS)、直接金属激光烧结(direct metal laser sintering，DMLS)、选择性激光熔融(selective laser melting，SLM)和电子束熔融(electron beam melting，EBM)等，具有较好的生物相容性，可用于假体、内植物和导航模板制作等领域。(3)喷墨打印。利用喷墨精准地喷射到基板上，实现逐层打印，是3D生物打印的主要方式，较多用于组织工程支架的制作，包括多喷头成型(multijet modeling，MJM)、蜡沉积成型(wax deposition modeling，WDM)、激光诱导正向转移(laser-induced forward transfer，LIFT)和粘合剂喷墨(binder jetting，BJ)等。(4)挤压打印。将打印材料从喷头挤压堆积成型，包括熔融沉积成型(fused deposition modeling，FDM)和直写成型技术(direct ink writing，DIW)。其中FDM技术较多应用于药物研制、模型制作；DIW是3D生物打印细胞悬浮液、细胞水凝胶和细胞外基质溶液的最常用技术[5]，由于其具有数字精度，且能根据需要定制个性化模型，广泛应用于医学教育、术前规划、医学假体或矫形术、术中个体化器械、内植物制作、生物组织工程等领域[6]，近年来随着3D打印技术的不断发展，手术技术的不断进步，使得该技术在HTO中的应用得到飞跃发展。

3 3D打印技术在胫骨高位截骨术中的应用现状

近些年HTO的应用给早期内翻畸形KOA患者提供了“保膝”治疗选择，避免了过早进行全膝关节置换术(total knee arthroplasty，TKA)。术前的个性化方案及术中的精准截骨是HTO手术取得满意疗效必不可少的因素。3D打印技术可以实现个性化手术方案及术中应用个体化截骨导板(patient-specific instrumentation，PSI)做到精准截骨，也能为HTO翻修提供新的选择，在实现HTO的个体化、精准化治疗中具有重要作用。

3.1 术前规划 骨科医生通常依据X线、CT、MRI等影像信息和手术经验进行手术方案的制定，但由于解剖部位的复杂性，图像数据缺乏三维立体感，容易造成术中截骨量过多、胫骨平台后倾角改变、矫正不足或过度等情况的发生[2]。通过3D打印技术创建个性化截骨或自身解剖模型实现术前规划，是目前3D打印技术在HTO手术方案制定中最主要的应用方式。利用此模型，一方面可以模拟患者术后HKA情况，确定截骨位置、大小、角度等，制定出精确、个性化截骨方案，为之后的术中精准截骨奠定基础；另一方面可以将术后实际效果与术前规划的理想力线进行比较，评估手术效果；同时，术者还能在3D模型上进行模拟截骨，提高术中操作的熟练度和准确性。除此之外，基于截骨模型可向患者解释病情，交代手术过程及术中存在的风险。

双下肢负重位全长像是HTO术前测量髋膝踝角(hip knee ankle angle，HKA)的必要影像检查，对于截骨位置的选择至关重要。由于患者体位的改变，容易造成测量的HKA在术前和术中出现误差，影响手术效果。Victor等[7]利用CT图像创建患侧和健侧的胫骨、股骨模型，高精度地定位髋、膝、踝中心，模拟钢板、螺钉放置位置、切割位置和方向，要求术后HKA与理想目标的误差在冠状面上小于1°，矢状面上小于2°。Jones等[8]通过3D打印技术生成髋、膝、踝模型，在空间坐标系中进行畸形分析，确定胫骨近端内侧角(medial proximal tibial angle，MPTA)和胫骨近端后侧角(posterior proximal tibial angle，PPTA)的矫正角度，在术前进行模拟截骨，以期在冠状面和矢状面上取得满意的截骨角度。Perez-Mananes等[9]将内侧膝骨关节炎患者分成两组，一组以热塑性丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(acrylonitrile butadiene styrene，ABS)为原料，应用FDM打印技术制作胫骨模型和PSI，在术前对克氏针置入的位置和方向、楔形截骨的位置、尺寸进行模拟，同时使用此模型来确认PSI的匹配度；另一组采用传统术前规划，发现前者在楔形截骨位置的准确性、手术时间、透视时间等方面较传统术前规划组有显著优势，具有可重复性，值得临床推广应用。Kwun等[10]以ABSplus-P430为原料，利用FDM打印技术制作截骨模型，在猪胫骨上进行了HTO手术，发现截骨角度和胫骨平台后倾角(posterior tibial slope，PTS)在截骨前后与理想效果无明显差异。Kim等[11]在Kwun等研究的基础上开展临床试验，根据CT三维图像模拟截骨平面和撑开的截骨间隙，以生物相容性材料ABS-M30i为原料，应用FDM打印技术制作3D模型，对20例内翻畸形KOA患者进行术前规划，结果显示术后患者HKA、机械股胫角(mechanical femorotibial angle，mFTA)得到有效改善，同时保留了PTS，避免了前交叉韧带出现伸展受限和负荷增加，认为3D打印技术可以在保持PTS不变的情况下实现更精确的下肢矫正。陈金国等[12]将47例患者分为两组，一组术前在2D视图下测量出截骨位置、角度和截骨量，应用FDM打印技术制作截骨模块，术中行外侧闭合楔形HTO联合关节镜清理，术后随访HSS评分较术前显著提高；另一组采取传统力线杆定位，发现前者手术时间、术中出血量、C臂透视次数均少于传统组。Lin等[13]通过3D打印技术制作胫骨样本，在体外对楔形截骨的内侧宽度、牵张高度和牵张角度进行生物力学分析，认为临床应用三角公式截骨时需要进行一定的校正，将理论基础和临床实践有效结合。

3.2 PSI 3D打印患者PSI是满足HTO手术精确性的一种方法。PSI通常是以术前下肢CT数据为基础，通过3D打印技术制作出与患者目标骨靶向区域紧密结合，进行定位引导截骨的辅助器具[14]。它不仅提高了操作准确性，减少了手术时间，同时实现了个体化截骨。

Jones等[8]应用3D打印技术，将尼龙材料构成的PSI固定在内、外踝和腓骨头处辅助原始定位，减少胫骨近端截骨器占用面积，达到标准微创皮肤切口。Chaouche等[15]通过对100例内侧KOA患者进行PSI辅助下的开放楔形HTO，比较了HKA、MPTA、PPTA术前所需矫正角度与术后CT测量的实际矫正值的差值，结果显示三者差值均在1°以内，认为手术具有较高的精确度，但缺乏三维平面截骨准确性评估。Munier等[16]对10例患者使用3D打印PSI辅助手段，通过胫骨预钻孔，PSI引导截骨达到预钻孔与板孔相匹配的矫正，术后3个月截骨部位均愈合，术后1年HKA、MPTA在冠状面上与目标值相差均小于2°，仅有1例患者术后矢状面PTS与术前规划相差大于2°。Fucentese等[17]以聚酰胺P2200为原料，应用SLS打印技术制作出23例患者胫骨三维模型及PSI，术后平均HKA矫正精度可达(0.8±1.5)°，平均PTS变化为(1.7±2.2)°，认为PSI辅助下的HTO手术可以精准矫正HKA，同时保持术前PTS的角度。但上述PSI在使用TomoFix锁定钢板固定楔形开口时，拉力螺钉置入预钻孔可能会产生较大误差[18]。在此基础上，Yang等[19]通过SLA技术，将生物相容性树脂固化为具有锯切深度的PSI，为双平面截骨提供导向平面，术后患者下肢负重线比率(weight bearing line，WBL)与目标值之间的误差为1.76%，PTS的误差为1.9%，出血量在20 mL以下，不仅减少手术时间和辐射，还做到了精准截骨。Jacquet等[20]认为PSI除了提高HTO截骨准确度外，也缩短了临床医生的学习曲线，减轻手术医生焦虑程度，减少了手术和透视时间，鼓励临床医生开展此技术。Jud等[21]模拟PSI在HTO中的错误放置位置，分析其对轴向矫正和截骨术的影响，结果显示PSI在可控范围内的移位对轴向矫正没有影响；在冠状面，2.5°的旋转移位造成4.2°～4.4°的外翻角度；大于等于5 mm近端平移移位，会增加HTO手术失败的风险，且较多发生在矢状面；使用带有额外稳定钩的PSI可以显著降低螺钉错误放置的风险。

国内的一些研究同样也证实了3D打印截骨导板的临床优势，刘云涛等[22]术前分析16例KOA患者胫骨平台后倾程度，根据双平面截骨线确定截骨平面后，以聚乳酸或钛合金为原料进行3D打印PSI，配合关节镜检查，术中未出现“合页”骨折，术后HKA、PTS均在理想范围内，认为此技术可维持术后PTS不变。高润子等[23]应用FDM技术将聚乳酸原料制成PSI辅助HTO，术后14例患者WBL、MPTA、关节线相交角(jointlineconvergenceangle，JLCA)得到有效改善，同样保留了PTS，且未出现低位髌骨。高小康等[24]应用3D打印PSI治疗，患者术中创伤较小，可积极配合医护人员进行早期膝关节屈曲、直腿抬高等功能锻炼，6～8周后可开始完全负重。陈国仙等[25]在闭合楔形HTO治疗中以聚乳酸为原料，应用FDM打印技术制作PSI辅助截骨手术，术后优良率达到了95%，HKA恢复良好，认为3D打印技术解决了术中透视次数过多和反复截骨的问题，取得满意疗效。

分析相关文献，3D打印PSI优点主要有：(1)基于患者CT数据制作的模板，体现了个性化原则；(2)实现下肢精准截骨，对HKA、MPTA、PPTA、WBL、JLCA具有显著改善，同时保留了术前PTS；(3)缩短了手术时间，减少了出血量和透视次数，避免了反复截骨；(4)缩短临床医生的学习曲线，方便低年资医生开展HTO手术；(5)降低螺钉错误放置的风险，提高手术成功率。

3.3 术后翻修 Spahn等[26]通过对46篇关于HTO的研究进行Meta分析，发现HTO术后10年翻修率大约为30%。对于HTO手术失败的患者，最终可能需要进行TKA，其增加了患者痛苦和经济负担，且术后常见关节僵硬、活动受限、功能受损等并发症[27]。3D打印技术为需要进行HTO翻修手术的患者提供了新的选择。Jones等[28]对4例患者进行翻修手术，通过创建虚拟的3D下肢模型，在空间坐标系中模拟反转楔形截骨，利用尼龙材料进行3D打印制作PSI，术中配合单髁置换(unicompartmental knee arthroplasty，UKA)确认截骨角度并进行矫正，术后患者MPTA、PPTA、HKA均得到有效改善，且无并发症发生，这是首例截骨术联合单髁置换治疗翻修HTO的报道。

4 思考与展望

3D打印技术在HTO中可以实现术前精准规划，通过制作解剖或截骨模型制定理想手术方案；术中PSI辅助手术做到精准截骨；术后配合UKA进行HTO翻修手术，各方面优点已对其进行综述。但3D打印技术在HTO的应用也存在一定局限性：(1)制备3D模型花费大量时间，尤其是三维成像和数据处理方面。(2)3D打印成本较高，主要是与打印材料相关，解剖或截骨模型的原料包括ABS、ABSplus-P430、ABS-M30i等[9-11]，PSI材料包括医用尼龙[8]、聚酰胺P2200[17]、生物相容性树脂[19]、聚乳酸[22-23，25]、钛合金[22]等，原料相对单一，不同材料成本不同[29]。(3)3D打印方式较单一。根据上述研究提供的具体打印方式或根据3D打印机类型分析其原理，发现术前规划中解剖模型的制作主要以FDM打印技术为主[9-12]，PSI制作包括SLS[17]、SLA[19]和FDM[23，25]打印技术，仍未确定最佳的打印方式。(4)以CT资料为基础创建的三维模型，增加了患者承受的辐射总剂量。(5)临床医生往往不具备3D打印专业知识，需与专业技术人员相互配合。(6)在创建3D骨模型过程中，3D打印可能会导致骨结构周围相关软组织、动脉、神经等信息丢失，尤其是在HTO中。Spahn等[30]研究证实HTO可以修复部分软骨损伤，术后约60%的深层软骨可以再生；中医同样重视膝关节周围软组织功能，强调“骨正筋柔”理念贯穿整个“保膝”治疗当中[31]。因此，软骨及其他周围软组织信息的丢失可能会造成术后疗效评估方面不全面，影响治疗效果。(7)3D打印实物需要进行消毒、灭菌，不同材质的灭菌方案是手术成功必不可少的一环，主要包括环氧乙烷消毒[9]、蒸汽灭菌[8，17，19]、低温等离子消毒[24-25]等。(8)大部分3D打印模型具有静态和无生命特征，无法充分模拟动态的人体组织[32]。此外，Martelli等[33]对158项3D打印技术在外科中的应用进行系统评价，结果显示制作3D解剖模型占71.5%，手术导航器具和模板占25.3%，两者是目前3D打印技术的主要应用领域，整体应用范围相对较窄。3D打印技术在HTO中的应用研究还存在选取样本量较小，缺少长期、大样本的随机对照试验来验证远期手术效果。

随着3D打印技术的发展和应用材料的更新，越来越多的技术应用于外科领域。3D打印中的低强度超声可以促进干细胞的增殖和分化，HTO有望联合干细胞治疗KOA[34]；基于MRI创建的3D模型具有出色的组织特征，可以在改变患者下肢影像检查方式的同时减少电离辐射[35]；Idaszek等[36]利用微流体打印喷头制作3D结构的软骨组织，在体外能够促进软骨细胞分化，在体内具有促进软骨修复的潜能，联合HTO为软骨缺损的KOA治疗提供了新的方向；多材料3D打印机的使用可以模拟不同的组织，术前通过增加截骨周围软组织信息，降低术中损伤神经、血管的风险，提高手术成功率[37]；4D打印技术在3D打印基础上加入时间维度，可以模拟人体组织的动态愈合和再生过程[38]，为将来HTO术后软骨修复过程和机制研究提供模拟模型。尽管目前3D打印技术仍然存在一定局限性，但其精准化、个体化特点与医学发展方向相吻合，相信未来3D打印技术可以更好地与HTO及其他“保膝”手术相结合，为“保膝”理念的推广提供帮助。