3D打印技術(shù)在關(guān)節(jié)外科領(lǐng)域應(yīng)用研究進(jìn)展

來(lái)源：中國(guó)骨與關(guān)節(jié)損傷雜志
作者：廣東醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院骨科中心   林濤

△FDM 3D打印技術(shù)原理（非原文配圖）

3D打印技術(shù)是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ),，將粉末狀金屬,、工程材料、生物材料等可粘合材料通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造三維物體的技術(shù)。3D打印技術(shù)主要包括立體光刻成型（SLA）,、選擇性激光燒結(jié)（SLS）、熔融沉積成型（FDM）,、噴墨打印技術(shù)等,。得益于數(shù)字建模技術(shù),、數(shù)控技術(shù)、信息技術(shù),、材料科學(xué),、組織工程技術(shù)等前沿技術(shù)的迅猛發(fā)展以及多學(xué)科的深度融合，3D打印技術(shù)得到迅猛發(fā)展并廣泛應(yīng)用于眾多民生領(lǐng)域,。3D打印技術(shù)已經(jīng)不斷地被拓展應(yīng)用到醫(yī)療領(lǐng)域的各個(gè)方面,，其中骨科3D打印技術(shù)充分融合了數(shù)字醫(yī)學(xué)的精準(zhǔn)、微創(chuàng)和個(gè)性化元素,，為骨科疾病的精準(zhǔn)治療提供了有力的幫助,。隨著打印設(shè)備和打印材料的不斷革新，針對(duì)患者個(gè)體化骨關(guān)節(jié)疾病的修復(fù)重建置入物也有望實(shí)現(xiàn)“私人訂制”,。3D打印技術(shù)在關(guān)節(jié)外科的各種創(chuàng)新應(yīng)用不斷涌現(xiàn),，顯著推動(dòng)了人工關(guān)節(jié)置換術(shù)的臨床治療效果。筆者就3D打印技術(shù)在關(guān)節(jié)外科領(lǐng)域的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述,，報(bào)道如下,。

3D打印技術(shù)成型原理及材料應(yīng)用

3D打印技術(shù)首先需要通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）或逆向工程技術(shù)（RE）獲得數(shù)字化模型，再利用相應(yīng)的快速成型設(shè)備將特定的材料逐層堆積成三維實(shí)體,。逆向工程技術(shù)是最常見(jiàn)的數(shù)字模型構(gòu)建方式之一,，主要利用數(shù)字化設(shè)備對(duì)實(shí)體進(jìn)行掃描和測(cè)量，進(jìn)而通過(guò)逆向工程軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和封裝,，最終獲得相應(yīng)對(duì)象的立體光刻（STL）數(shù)字模型,。下一步，3D打印將虛擬的三維模型輸入3D打印機(jī)進(jìn)行分層制造,，再通過(guò)SLA,、SLS和FDM等成形工藝精確堆積材料，逐層打印,，最終獲得與打印模型相同的1∶1實(shí)物,。目前3D打印的材料主要包括金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料,、有機(jī)高分子材料,、生物材料等。常見(jiàn)的金屬材料如鈦合金,、鎳合金,、鈷鉻合金等，具有高強(qiáng)度,、耐腐蝕,、生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航天航空,、汽車(chē)工業(yè),、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,；無(wú)機(jī)非金屬材料如陶瓷、玻璃等,，其耐壓強(qiáng)度高,、硬度大、耐高溫,，被大量應(yīng)用于建筑,、國(guó)防、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,；有機(jī)高分子材料如ABS樹(shù)脂,、光敏樹(shù)脂、尼龍,、聚醚醚酮等,，這些材料成型速度快、密度小,、絕緣性好,，可用于模具注塑、建筑和醫(yī)療等行業(yè),。生物材料如絲素蛋白,、細(xì)胞、水凝膠等,，為生物醫(yī)療領(lǐng)域的人體組織器官修復(fù)置入材料的研發(fā)注入新元素,，推動(dòng)了3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。

3D打印模型在關(guān)節(jié)置換術(shù)前宣教中的應(yīng)用

髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)具有較大的活動(dòng)范圍且能夠在活動(dòng)過(guò)程中維持關(guān)節(jié)的穩(wěn)定,，這主要得益于其周?chē)鷱?fù)雜的穩(wěn)定結(jié)構(gòu),。髖膝關(guān)節(jié)周?chē)�除了神�?jīng)、大血管外,，以肌肉群為代表的動(dòng)力性穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和以韌帶為代表的靜力性穩(wěn)定結(jié)構(gòu)在關(guān)節(jié)周?chē)�附��,，分別行使不同的功能，相關(guān)解剖也較為復(fù)雜,，這就要求外科醫(yī)師在手術(shù)入路的選擇和操作過(guò)程中必須盡可能地保護(hù)上述穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的完整性,。過(guò)去依靠傳統(tǒng)的解剖教學(xué)手段，骨科醫(yī)師對(duì)不同的關(guān)節(jié)外科入路會(huì)產(chǎn)生不同的理解層次,，使得手術(shù)團(tuán)隊(duì)成員之間在手術(shù)操作過(guò)程中不可避免地存在著認(rèn)知度和信息的差異,。在關(guān)節(jié)外科領(lǐng)域應(yīng)用3D打印技術(shù)進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃具有更為顯著的優(yōu)勢(shì)，有別于影像閱片和正常標(biāo)本觀察,，3D打印模型給醫(yī)師還原了一個(gè)更加直觀的,、可觸摸的1∶1個(gè)體化病變模型，有利于低年資醫(yī)師加深對(duì)患者病情的認(rèn)識(shí)，對(duì)手術(shù)方案設(shè)計(jì),、術(shù)中操作細(xì)節(jié)溝通也具有重要意義。同時(shí)病變模型及術(shù)前的操作演示也有助于手術(shù)團(tuán)隊(duì)在體外完成手術(shù)預(yù)操作并有針對(duì)性地提出其中存在的風(fēng)險(xiǎn)和相應(yīng)預(yù)案,，使得術(shù)前的器械準(zhǔn)備更加充分和全面,，確保手術(shù)順利進(jìn)行。Fritz等將股骨遠(yuǎn)端和髕骨的3D打印解剖模型與傳統(tǒng)的X線片和CT進(jìn)行比較,，發(fā)現(xiàn)三維模型可大幅提高低年資醫(yī)師的診斷水平,。舒詩(shī)軍等利用3D打印技術(shù)制造出囊括解剖動(dòng)、靜脈血管的骨盆骨折個(gè)體化模型,，并根據(jù)模型討論最終手術(shù)方案,，結(jié)果發(fā)現(xiàn)3D打印組手術(shù)時(shí)間、術(shù)中出血量,、輸血量明顯低于常規(guī)手術(shù)組,。劉永征等采用3D打印技術(shù)輔助復(fù)雜髖部疾病全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用3D打印技術(shù)能明顯縮短手術(shù)時(shí)間,，減少術(shù)中出血量,，降低并發(fā)癥發(fā)生率。3D打印模型還可以讓患者充分了解自身病情,，同時(shí)也有助于醫(yī)師更直觀地向患者講解手術(shù)方式,、術(shù)中及術(shù)后并發(fā)癥等內(nèi)容，這在一定程度上提高患者對(duì)疾病治愈信心及對(duì)醫(yī)療服務(wù)的滿意度,。

3D打印個(gè)性化輔助器械在關(guān)節(jié)外科手術(shù)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)骨科手術(shù)中螺釘置入,、截骨過(guò)程時(shí)為了確保準(zhǔn)確性和避免損傷周?chē)�神�?jīng)、血管,、器官等重要結(jié)構(gòu),，往往需要依賴(lài)術(shù)者的經(jīng)驗(yàn)及術(shù)中多次透視螺釘位置，導(dǎo)致手術(shù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng),，并且螺釘存在松動(dòng)失效的風(fēng)險(xiǎn),。3D打印截骨導(dǎo)板基于患者術(shù)前CT資料進(jìn)行三維重建，確定術(shù)中螺釘置釘點(diǎn),、方向和深度,，設(shè)計(jì)個(gè)性化的手術(shù)導(dǎo)板，術(shù)中按導(dǎo)板方向直接置釘可簡(jiǎn)化手術(shù)操作,，同時(shí)提高手術(shù)精度和效率,。Zhang等采用3D打印截骨導(dǎo)板輔助手術(shù)矯正肘內(nèi)翻畸形，發(fā)現(xiàn)3D打印組的個(gè)體化截骨導(dǎo)板均能與肱骨遠(yuǎn)端緊密附著,，一次性截骨均成功,，手術(shù)效率高，術(shù)中出血量少，手術(shù)切口�,�,；截骨導(dǎo)板的設(shè)計(jì)整體呈楔形，并裝有克氏針導(dǎo)孔固定導(dǎo)板,，防止術(shù)中滑脫造成偏移,。

陳國(guó)仙等利用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)并打印出截骨導(dǎo)航模板，用于輔助脛骨高位截骨術(shù)治療膝內(nèi)翻畸形骨性關(guān)節(jié)炎,，結(jié)果表明3D打印截骨導(dǎo)板可減少術(shù)中透視和截骨次數(shù),，手術(shù)時(shí)間短，創(chuàng)傷小,，無(wú)并發(fā)癥發(fā)生,。傳統(tǒng)關(guān)節(jié)置換術(shù)主要依靠主刀醫(yī)師的經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)假體置入的位置和角度，對(duì)主刀醫(yī)師的技術(shù)要求高,，特別是對(duì)于復(fù)雜患者,，術(shù)中解剖定位信息和操作精度常常難以把握。3D打印個(gè)體化輔助手術(shù)器械能夠根據(jù)患者術(shù)前的影像學(xué)資料進(jìn)行個(gè)性化定制,，能幫助術(shù)者從容面對(duì)復(fù)雜病例存在的解剖畸形,，進(jìn)而準(zhǔn)確重建患者肢體功能。Sun等設(shè)計(jì)了3D打印專(zhuān)用髓內(nèi)導(dǎo)向器,，分別為患者施行3D打印個(gè)體化輔助全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)和常規(guī)全膝關(guān)節(jié)置換術(shù),，術(shù)后發(fā)現(xiàn)3D打印個(gè)體化組的髓內(nèi)引導(dǎo)深度小，髕骨運(yùn)動(dòng)軌跡更好,，可以實(shí)現(xiàn)更好的對(duì)線和更高的假體置入精度,。張?jiān)�智等利用�?jì)算機(jī)輔助確定下肢機(jī)械軸線及髓內(nèi)定位通道，并打印出導(dǎo)航模板用于全膝關(guān)節(jié)置換術(shù),，結(jié)果發(fā)現(xiàn)導(dǎo)航模板組手術(shù)操作更加作簡(jiǎn)便,，手術(shù)時(shí)間明顯縮短，假體安放精確度高,。王躍輝等采用3D打印髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心定位器來(lái)輔助全髖關(guān)節(jié)置換術(shù),，術(shù)后發(fā)現(xiàn)患側(cè)髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心與健側(cè)解剖旋轉(zhuǎn)中心相符合，假體位置準(zhǔn)確,，無(wú)異位骨化形成,。

3D打印人工關(guān)節(jié)假體的臨床應(yīng)用

當(dāng)面對(duì)復(fù)雜關(guān)節(jié)骨折、翻修手術(shù)或因骨腫瘤引起骨組織嚴(yán)重缺損時(shí),，由于傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化假體采用的是規(guī)格化設(shè)計(jì),，往往會(huì)出現(xiàn)現(xiàn)有規(guī)格系列均無(wú)法良好匹配宿主骨的問(wèn)題，從而導(dǎo)致術(shù)后假體松動(dòng)過(guò)早發(fā)生,。3D打印技術(shù)可結(jié)合患者自身的影像學(xué)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)出與其相對(duì)應(yīng)解剖或骨組織缺損部分相匹配且高精度的個(gè)性化假體,。目前3D打印個(gè)性化設(shè)計(jì)假體在骨科臨床上已得到廣泛應(yīng)用,。付軍等應(yīng)用3D打印鈦合金假體復(fù)合帶血管蒂腓骨及生物陶瓷為5例下肢腫瘤切除后長(zhǎng)節(jié)段骨缺損患者進(jìn)行修復(fù)重建，而重建所用的假體均為個(gè)性化定制,，術(shù)后短期隨訪未見(jiàn)腫瘤復(fù)發(fā)及肺轉(zhuǎn)移,，骨與軟組織腫瘤協(xié)會(huì)MSTS評(píng)分為17~26分，而影像學(xué)檢查顯示假體與患者周?chē)�骨組織嵌合度良好,。Wang等為26例髖臼周?chē)鷲盒阅[瘤患者設(shè)計(jì)了一系列3D打印定制多孔結(jié)構(gòu)的一體化半骨盆假體,，術(shù)后均無(wú)深部感染、假體脫位,、假體斷裂、假體無(wú)菌性松動(dòng)或局部復(fù)發(fā),。裴延軍等設(shè)計(jì)并3D打印出個(gè)性化假體用于重建下肢惡性骨腫瘤切除后的大段骨缺損,，有限元分析顯示假體整體應(yīng)力在材料的強(qiáng)度范圍之內(nèi)，并且與宿主骨組織匹配良好,，MSTS評(píng)分良好,，無(wú)并發(fā)癥發(fā)生，療效滿意,。在假體生存率方面,，傳統(tǒng)假體與周?chē)�骨組織的界面結(jié)合強(qiáng)度不足，常常出現(xiàn)假體早期松動(dòng)而失效,，而3D打印技術(shù)能夠制造出直徑150~500μm的微孔表面和高孔隙率關(guān)節(jié)假體,，形成的粗糙表面容易吸附大分子并影響骨細(xì)胞的增殖、黏附和成骨,，促進(jìn)骨組織長(zhǎng)入,，從而獲得長(zhǎng)期穩(wěn)定性。Wauthle等采用大鼠股骨原位負(fù)荷性骨缺損模型評(píng)價(jià)平均孔徑為500μm,、孔隙率為80%的3D打印多孔鉭假體在體內(nèi)的骨長(zhǎng)入性能,，12周即可觀察到微孔表面大量骨生長(zhǎng)，置入體-骨界面連接牢固,，功能良好,。蘇可欣等通過(guò)3D打印技術(shù)制備出孔徑400μm、孔隙率為70%的多孔鉭置入體用于修復(fù)大白兔雙側(cè)股骨外髁處的骨缺損,，8周后置入體-骨界面的新生骨組織逐漸增加,，出現(xiàn)新生骨小梁并向材料孔隙內(nèi)生長(zhǎng)，結(jié)果表明3D打印多孔鉭具備優(yōu)良的骨長(zhǎng)入性能,。

生物3D打印在骨關(guān)節(jié)損傷修復(fù)重建中的應(yīng)用

盡管醫(yī)用合金材料人工關(guān)節(jié)假體的發(fā)展為四肢骨關(guān)節(jié)損傷的治療提供了有效的功能重建方案,，然而假體的壽命和固有的材料特性使患者的肢體功能難以恢復(fù)最自然和穩(wěn)定的狀態(tài)。近年來(lái)生物材料的快速發(fā)展為骨關(guān)節(jié)損傷的自然修復(fù)重建提供了新的手段,。目前臨床上用于重建骨與關(guān)節(jié)軟骨缺損的技術(shù)方法尚未取得突破性進(jìn)展,，為此國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者開(kāi)始著眼于細(xì)胞和生物材料層面的生物3D打印技術(shù)研究，充分結(jié)合組織工程技術(shù)，以期通過(guò)耦合活體細(xì)胞（種子）和細(xì)胞外基質(zhì)（含生長(zhǎng)因子）制造出新型“生物活性墨水”,，以逐層沉積工藝最終實(shí)現(xiàn)對(duì)骨和軟骨等高度復(fù)雜組織的3D打印制造,，從而解決組織移植重建的生物活性問(wèn)題。現(xiàn)階段的生物3D打印技術(shù)已經(jīng)能夠利用生物粘合劑構(gòu)建關(guān)節(jié)軟骨,、半月板,、椎間盤(pán)、耳廓等類(lèi)軟骨組織三維支架模型,，然而在該支架中構(gòu)建含軟骨細(xì)胞的軟骨組織仍存在一些挑戰(zhàn),。張彬等采用低溫沉積3D打印技術(shù)制備聚乳酸-羥基乙酸共聚物（PLGA）支架，并結(jié)合脫細(xì)胞關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞外基質(zhì)（DACECM）制備PLGA/DACECM軟骨組織工程支架,，其在電子顯微鏡下觀察到大量的軟骨細(xì)胞在PLGA/DACECM取向支架和DACECM取向支架上黏附生長(zhǎng),。沈師等采用三維打印低溫沉積技術(shù)制備聚己內(nèi)酯/Ⅰ型膠原組織工程半月板支架（PCL/COL-Ⅰ半月板支架），相比于原始的聚己內(nèi)酯半月板支架,，細(xì)胞在PCL/COL-Ⅰ半月板支架上附著的細(xì)胞數(shù)量更多,。由于關(guān)節(jié)軟骨、半月板,、椎間盤(pán)在體內(nèi)受到生理載荷,，相應(yīng)的組織工程結(jié)構(gòu)需要一定的力學(xué)強(qiáng)度，這就要求支架應(yīng)具備理想的力學(xué)特性以保證支架內(nèi)細(xì)胞的存活率和組織的本體穩(wěn)定性,。目前解決這個(gè)問(wèn)題的方法是從3D打印工藝和材料兩方面入手,，使粘合材料的連接強(qiáng)度和材料本身的機(jī)械特性滿足特定要求。Yan等受到骨發(fā)育階段的啟發(fā),，通過(guò)表面氨解和層層組裝技術(shù)制備了一種3D打印的可生物降解支架,，通過(guò)去鐵胺的控釋?zhuān)�使支架的降解與骨的分化、重構(gòu)相匹配,，結(jié)果表明該支架具有與天然松質(zhì)骨相似的力學(xué)性能,。Lui等利用3D打印技術(shù)制備出一種具有多孔界面的聚己內(nèi)酯多相骨-韌帶-骨支架（BLB），生物力學(xué)強(qiáng)度滿足生理載荷條件,，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示BLB支架具備較強(qiáng)的纖維引導(dǎo)特性,。如今3D生物打印日新月異，細(xì)胞及支架材料技術(shù)已取得一定成果,，然而在體外構(gòu)建組織等方面仍然充滿挑戰(zhàn),。細(xì)胞外基質(zhì)過(guò)于復(fù)雜，難以在體外模擬其結(jié)構(gòu)和生物學(xué)性能,，而現(xiàn)有的逐層沉積工藝也無(wú)法解決細(xì)胞營(yíng)養(yǎng)和氧氣供應(yīng)問(wèn)題,，這些研究還有待突破。

展望

現(xiàn)階段的3D打印技術(shù)在臨床應(yīng)用尚存在一定的局限性,。首先,，適用于醫(yī)用的3D打印材料種類(lèi)有限,，新材料的研發(fā)將進(jìn)一步拓寬其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景；其次,，對(duì)于骨與軟骨缺損的生物3D打印修復(fù)研究,，現(xiàn)階段仍停留在體外實(shí)驗(yàn)和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)階段，臨床應(yīng)用有效性和安全性仍需進(jìn)一步探索,；再次,，3D打印技術(shù)的相關(guān)法律法規(guī)仍有待完善，相關(guān)產(chǎn)業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)仍處于空白,，亟待出臺(tái)切實(shí)可行的管理規(guī)范和政策性文件,；此外，對(duì)于現(xiàn)有的前期應(yīng)用尚缺乏具有說(shuō)服力的長(zhǎng)期隨訪數(shù)據(jù),，未來(lái)仍有待開(kāi)展更多高證據(jù)級(jí)別的臨床研究,。但是有理由相信，隨著3D打印技術(shù)和材料科學(xué)的不斷革新,，骨關(guān)節(jié)退行性疾病、創(chuàng)傷,、腫瘤導(dǎo)致的組織缺損修復(fù)重建將會(huì)出現(xiàn)更多新的選擇,，而3D打印的個(gè)性化、精準(zhǔn)化,、微創(chuàng)化元素將有力推動(dòng)關(guān)節(jié)外科領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展,。