3D打印技术在骨科临床中的应用*

常瑞龙，张磊，顾玉彪

（甘肃省中医院 关节骨科，甘肃 兰州 730050）

3D 打印（3D Printing）又称增材制造技术，以计算机的三维设计模型为蓝本，运用软件分层离散和数控成型系统，经激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积粘结，最终叠加成型，制出实体产品，属于快速成型技术的一种，起源于美国十九世纪末。近年来，科学技术的发展，跟计算机图形学、机器人学、生命科学、材料科学等领域相结合，3D 打印呈现了日益丰富的可能性与更加广阔的前景，在医学、航空航天、军事、建筑、文物保护、艺术与交叉应用等领域应用非常广泛。其中，在医学方面，3D 打印主要用来制作医学教学用具与医疗实验模型、人体组织器官再生与活体细胞培养、与人体相容性更好的植入物等，在临床诸多领域均获得了一定应用，在骨科临床中辅助复杂骨折的内固定、关节假体置换、脊柱置钉等方面均起到了很好的效果。作者检索近年国内外的文献报道，对3D 打印技术在骨科临床中的发展应用进行综述，希望能给临床骨科疾病的治疗提供思路及更多的促进其技术的完善与应用。

1 创伤骨科

随着社会科学技术的发展，人们的生活方式及人口比例都在发生着改变，临床疾病权重也在随着调整，日常工作中更容易碰到疑难复杂骨折、老年性患者的骨折等；从以往对创伤骨折通过X线、CT 等影像资料制定手术治疗方案，到目前对部分复杂骨折通过运用3D 打印技术制造1∶1 的骨折模型，模拟复位，明确预定植入的内固定最佳位置，甚至植入物的大小、方向等；必要时还可行内植入接骨板的塑型预弯，提前进行手术的设计、预演。检索近年来发表的文献，3D 打印技术在治疗股骨粗隆间骨折［1］、股骨颈骨折［2］、胫骨平台骨折［3-4］、距骨骨折［5］、Pilon 骨折［6-7］、骨盆骨折［8］等方面已广泛应用。通过对比研究，3D打印技术辅助可实现手术的精准操作，可减轻手术创伤，降低手术时间、术中出血量等，对患者术后尽快的康复、减少并发症的发生有着重大的意义［1-8］。对部分近关节或者关节内的骨折，3D 打印技术辅助骨折内固定治疗，还可以增加患肢术后的功能恢复［1,3-4,6-7］；部分骨折因为解剖结构或者创伤因素的影响，3D 打印技术对术后功能恢复的优越性干扰不强［2,5］；对复杂的骨折手术中，既往的成品接骨板难以满足骨折的固定，3D 打印技术可以打印个性化接骨板内固定治疗［4,8］，满足临床的需求；高科技发展的社会，高能量的损伤随处可见，3D 打印钛合金假体植入治疗四肢大段骨缺损，可实现骨骼解剖重建与生物力学稳定重建，对患者的康复有促进作用［9］。3D 打印技术的运用，对临床的治疗方式有积极的促进作用，不仅患者得益，3D 技术的运用降低了医护长时间受X线辐射的风险［1-2,4,8］，并且能够帮助患方更好地理解诊疗方案，提高医患沟通效果，能充分理解手术风险，可提高患方治疗过程的满意度［5,10］。

2 脊柱骨科

因脊柱的结构复杂，毗邻着动脉、脊髓等重要结构，手术操作须慎重，尤其是颈椎、严重脊柱侧凸畸形，手术操作难度大、风险高，手术失误可导致动脉穿孔、刺激脊髓等严重并发症［11-12］，严重者可致患者瘫痪、危及生命等［13］。

3D 打印个性化导板将颈椎、脊柱侧凸畸形等手术的风险和难度大大降低，临床上越来越多的学者将这种技术应用于脊柱手术中，3D 打印导板行颈椎后路椎弓根螺钉内固定治疗［14-16］有效避免手术副损伤（血管、神经）和并发症的发生，经后路椎弓根钉棒内固定治疗强直性脊柱炎并胸腰椎骨折［17］、经皮穿刺双节段骨质疏松性椎体压缩骨折椎体成形［18］、脊柱侧凸畸形矫形［19-20］等手术借助3D 打印技术均精准操作，相较于既往缩短了手术时间、减少术中放射暴露，验证了其辅助置钉的安全性和准确性。但是，3D 打印导板因为工艺、技术等因素的差异，临床效果会有所差别［20-21］，且对于术中突发情况，特别是严重脊柱侧凸畸形复杂解剖变异者，3D 打印技术无法及时术中调整设计［17,20］，值得一提。

3 关节矫形骨科

随着医疗水平的提高、医学知识的普及，人们对疾病的认识和治疗的接受也在发生着改变，越来越多的关节置换手术就可以说明。随着关节置换术逐年增加，患者年龄趋于年轻化，且复杂的髋、膝等关节疾病愈发常见，关节置换术后的翻修也随着关节置换患者的增多而逐年增长。3D打印技术借助CT 等影像资料，在三维平面的基础上制出三维立体模型［22-25］，打印个性化钛合金假体广泛应用于各种类型的骨骼和关节损伤的修复和翻修治疗［26-28］，重建关节功能，疗效满意。因为3D 打印个性化定制假体形态与骨缺损一致，能完美匹配患者关节骨骼缺损的部位、范围，使得关节结构可精确还原，解决了假体的匹配问题，从而获得假体的初始稳定性，且其表面的骨小梁多孔结构与松质骨相似，有着良好的骨长入效果，为假体的远期稳定性提供保障［29-31］。3D 打印技术辅助制作个性化导板，辅助截骨在初次人工表面膝关节置换中运用，减少了既往的股骨开髓髓内定位等手术步骤，且截骨角度更加精准，术后康复及手术满意度良好［32］；另外，在早期股骨头坏死髓内减压［33］、膝关节畸形截骨矫形［34-38］、高位胫骨截骨矫形［39］、重度踇外翻截骨矫形［40］、小儿肘关节畸形截骨矫形［41］等方面，3D 打印导板已广泛运用，研究证实对术中透视次数、手术时间、截骨周围组织损伤、术后感染发病率等方面的控制有明显的优势［32-41］。

4 肿瘤骨科

骨肿瘤原发病灶通常体积较大，多累计关节（髋、膝等），一般毗邻有动脉、神经等重要结构，不规范的外科治疗会导致肢体残疾甚至危及患者生命［42］。肿瘤的切除手术也是一大挑战，随着科技进步，诊疗水平及化疗技术等有了很大的提高，对肿瘤范围的界定和控制有了长足的发展［43］，但大范围的切除，会给肢体功能的重建带来困难［44］，3D 打印技术的出现，对骨肿瘤的治疗提供了新的思路。目前，临床中在骨盆肿瘤［43,45］、髋关节肿瘤［26］、近膝关节肿瘤［46-47］、四肢长骨股骨干肿瘤［48-49］等方面应用广泛，解决了骨骼空间的重建难题，早期临床效果优异，有利于组织功能的康复。

5 总结

3D 打印技术的兴起、发展，在医学领域促进了新的治疗方式，尤其在骨科领域得到广泛运用，且优势明显：术前设计手术方案，术中精准操作、缩短手术时间、减少手术副损伤，术后更快的机体功能康复，应用前景非常广阔。但目前技术的开发和临床应用资料，均是对临床应用早中期的观察研究，缺乏大样本、长时期的观察研究；另外，3D 打印在术前计划准备消耗时间，对于急诊或术中突发情况及时调整较困难也需要注意。相信伴随着科学技术的发展，材料技术的提高，高精度高定制化的3D 打印能更广泛运用在骨科，值得发掘。