3D打印技术在临床骨科中的应用

王宇辰 陈云丰



3D打印技术在临床骨科中的应用

王宇辰 陈云丰

相对于传统大规模量产物品的加工，3D打印技术无需生产流水线，仅需要计算机、打印机及相关打印材料即可完成打印，具有低成本、耗时少的优点，在制造个性化物品如假肢、骨骼、牙齿、血管等领域有着独特的优势。近些年，制造业先进技术的迅速发展加上组织工程技术的突破，使得3D打印技术越来越多地应用于骨科手术中。该文就3D打印技术在临床骨科中的应用作一综述。

3D打印；骨科；临床应用

3D打印技术是通过计算机辅助设计读取影像数据，经处理后转化为三维结构的图像，再连接打印机，运用金属粉末、塑料等材料一层一层地将实物打印出来并粘合成型，在制造个性化物品如与患者匹配的假肢、骨骼、牙齿、血管等领域有着独特的优势。本文就3D打印技术在临床骨科中的应用作一综述。

1 3D打印技术工艺

1.1 光固化立体造型术

光固化立体造型术(SLA)是通过计算机软件将3D数字模型按照一定的厚度分割成若干个平面，再由紫外线激光从底层开始向上照射平台内可被激光照射固化的液体，底层最先固化，之后平台移动并逐层固化，直到完成所有层次的固化而成型。该技术分辨率高，成本适中，成型范围大，但强度中等[1-4]。

1.2 熔融沉积制造技术

熔融沉积制造(FDM)技术通过高温将热熔性材料(ABS树脂、尼龙、蜡等)加热融化至半流状态，在计算机控制下，通过喷嘴将半流状材料挤压出来，这些挤压出的颗粒在喷出后立即固化，相互形成薄层，如此循环形成自上而下的整体实物。该技术分辨率中等，成本低，强度高，但成型速度较慢[1-4]。

1.3 选择性激光烧结技术

选择性激光烧结(SLS)技术在工作台上放置待烧结材料的粉末，采用大功率二氧化碳激光从最底层开始烧结，在新层面铺粉开始新的循环，直至各层均烧结完毕。该技术分辨率中等，成本高，成型范围大，材料种类多，强度高，但成型表面质量差[1-4]。

1.4 三维喷绘打印技术

三维喷绘打印(3DP)技术通过喷射粘合剂将粉末材料粘结，最终粘合成一个整体。3DP材料包括尼龙粉末、ABS粉末、金属粉末、陶瓷粉末及干细胞溶液等。该技术分辨率低，成本低，成型速度快，材料种类多，但强度差[1-4]。

1.5 电子束熔融技术

电子束熔融(EBM)技术使用电子束将金属粉末分层融化，再形成致密的整体。该技术精度略逊，但成型效率高，已获得美国食品药品监督管理局(FDA)认证，多家公司正在研发生产中[5]。

2 术前应用

2.1 模拟手术

在创伤骨科的诊断治疗中，复杂骨折一直是难点之一。利用传统的2D平面影像对患者受伤程度进行评估，有时不能全面地观察到骨折各个细节。3D打印技术可在术前打印出等比例的实体模型，在模型上进行模拟手术，能很大程度地减少术中出血，缩短手术时间，并提高手术精确度。

2.1.1 减少术中出血及缩短手术时间

骨盆具有复杂的解剖结构，骨盆骨折常伴有不同平面上的旋转及短缩畸形。在诊治伴有复杂畸形的骨盆骨折老年患者时，仅通过传统的影像学检查不能获得足够完善的信息。有学者[6]对需手术治疗的Tile B、C型不稳定性骨盆骨折患者进行分组，3D打印组采用SLS技术将CT扫描获取的影像信息处理后打印出包含动、静脉血管及骨盆骨折的个体化标本，术前在个体化标本上进行模拟骨折块复位、钢板放置及确定螺钉长度、进钉位置和角度等，结果表明与常规组相比，3D打印组可提高复杂骨盆骨折的手术效率(3D打印组、常规组手术时间分别为2.7 h和4.4 h，P<0.05)并减少术中出血量(3D技术组、常规组平均出血量分别为646 mL和827 mL，P<0.05)。这充分表明包含动、静脉血管及骨盆骨折的3D模型在指导复杂骨盆骨折手术治疗中具有优势。

以往在儿童前臂骨折骨连接不正的治疗中，依靠2D图像并不能可靠地显示出骨折存在的旋转畸形。Storelli等[7]对有症状的前臂骨连接不正并伴有活动受限或远端尺桡关节不稳定的儿童患者尝试使用3D打印技术，术前打印出模型进行演练，结果7例患者术后均达到影像学和临床上的骨连接，其中4例术前存在远端尺桡关节不稳定，术后均得到修复，且缩短了手术时间，止血带平均使用时间仅为121 min。

Bagaria等[8]将CT信息转换成STL文件后采用FDM技术打印出髋臼、跟骨骨折及Hoffa骨折模型，以助术前确定复位顺序、选择合适的内植物、确定植入角度等，结果显示该技术不仅缩短了纯手术时间，而且简化了术前大量冗杂的器械准备等工作，同时减少了麻醉药用量、术中出血量及术中射线暴露；因此推荐在关节周围、髋臼及颅颌面骨折中应用3D打印技术。

2.1.2 提高手术精确度

Wu等[9]先将16具尸体的骨盆进行CT扫描并打印，比较打印出的模型与实际尸体骨盆，发现两者无统计学差异，表明打印出的模型精确度可信；在术前利用打印出的模型进行模拟手术，证实术前模拟所选择的最佳手术入路、钢板预弯及钢板放置位置等均与术中实际情况良好匹配；打印1个骨盆模型平均需要7 h(6～9 h)，9例患者术后经历3～29个月(平均5个月)随访，骨盆骨折愈合时间为9～17周(平均10.7周)，均未发生切口延迟愈合、伤口感染及骨不连；在术前模拟手术过程中寻找一些有助于术中定位的解剖学标记并对其进行测量，结果这些解剖学标记对术中导航帮助很大。

对于跟骨关节内骨折患者，目前最常用的手术入路是扩大外侧入路[10]。该入路可以很好地暴露骨折范围，但它也常引起皮瓣坏死、切口感染等软组织并发症[10-12]。为了避免这些并发症，一些微创入路如跗骨窦入路备受关注[13-14]。但由于骨折端可能暴露不全，采用微创入路可能会带来钢板塑形问题。Chung等[15]为了解决这一问题，术前打印出跟骨关节内骨折患者健侧跟骨等比例模型，并在模型上对钢板进行预塑形使钢板匹配受伤前的跟骨，实现了微创切口置入跟骨钢板的操作。Kim等[16]利用类似方法在术前选择最合适的钢板治疗锁骨骨折，取得了精确的复位效果。Zeng等[17]打印出10例髋臼骨折模型并用计算机进行模拟复位，在模拟过程中对钢板进行预弯，术中发现预弯的钢板完美地贴合骨骼，不需要再进行塑形或其他调整，骨折复位情况得到极大改善；10例患者中有7例在复位后产生小于1 mm的移位，3例在复位后移位仅有1～2 mm，均未出现螺钉穿出、畸形愈合。

2.2 临床教学

2.2.1 进一步认识骨折

Bizzotto等[18]使用3D打印技术打印出1∶1的骨折模型，术前两组医生(一组为专家，一组为住院医生)对模型进行评估，两组医生均表示对骨折类型的认识程度有了很大的提高，模型可以精确地展示出骨折各个方面如关节脱位、骨折处附近的碎片等。Hurson等[19]利用SLS技术打印出20例1∶1大小的髋臼骨折模型，参与医生认为这些模型有助于清晰认识骨折具体情况。有研究[20]报道，3位专家和3位高年级学生被要求分别采用传统方法(前后位骨盆X线片、Judet位X线片、CT图像)和模型对骨盆骨折进行分型，采用kappa值来评价观察者间和观察者内的一致情况，专家通过传统方法分型的kappa值为0.61，通过模型分型的kappa值为0.76(P<0.05)，学生通过传统方法分型的kappa值为0.42，通过模型分型的kappa值为0.71(P<0.01)。这表明实体模型大大降低了骨折分型时观察者间和观察者内的变异度。骨盆、髋臼等拥有复杂的三维解剖结构，3D打印技术有助于对这些部位骨折进行准确评估、分型及术前规划，尤其对于年轻医生的临床教学训练帮助很大[21]。

2.2.2 为骨科临床教学提供新思路

Li等[22]应用打印出的脊柱骨折模型对医学生进行教学，将学生随机分为3组(CT组、3D图像组和3D打印组)进行随机对照研究，课程结束后每位学生回答10个关于脊柱骨折的解剖问题及4个关于教学模型的问题，发现3D图像组和3D打印组对解剖知识的掌握好于CT组，3D打印组最早答完所有问题，且3D打印组大多数学生对这种教学方式给出的评价是“愉悦、有帮助、有效、自信”。由此可知，这些模型可给年轻医生、医学生和手术室人员的教学提供便利。

3 术中应用

3.1 3D导板导航

使用传统方法治疗复杂骨折时，往往需要消耗大量的手术时间，手术效果也很难达到最佳。3D打印导板的应用使得术者能在导板引导下精确置入内植物，减少手术时长的同时，提高了手术精确度。穆卫庐等[23]根据CT扫描数据打印个体化骨盆模型，通过软件设计并打印出骶髂螺钉置入导板，术中在导板辅助下置入骶髂螺钉，与传统透视下手术相比，该技术避免了钉道修正及反复透视操作过程，手术更加简便；骶髂螺钉置入时间约为30 min，少于C形臂X射线机透视下及CT导航下置入时间(分别为116 min和97 min)；术中螺钉进钉点、进钉方向均与术前设计方案的最佳进钉点、方向一致，未见螺钉穿破骶骨侧块皮质，表明骶髂螺钉置入导板与骨性标志匹配良好，实现了骶髂螺钉的精确置入。

实施全髋关节置换术时，如用传统方式置入假体，利用现有的设备并不能保证足够的准确度，是否成功往往取决于术者操作经验[24]。能精确仿制股骨近端和髋关节的解剖结构及精准置入内植物对于保证患者术后功能恢复最为重要，3D打印技术为全髋关节置换术提供了新的思路。Zhang等[25]将20例单侧髋关节病变并计划实施全髋关节置换术患者随机分成常规组与导板组，对导板组患者进行CT扫描，根据髋臼轮廓和股骨头解剖特征设计出特定的导航模板，结果导板组植入前倾角和外展角误差均显著优于常规组，导板组平均手术时间明显短于常规组(导板组118.6 min，常规组140.2 min，P<0.05)，且平均术中出血量明显少于常规组(导板组410.9 mL，常规组480.6 mL，P<0.05)。Huang等[26]打印出个体化导航模板辅助复杂胫骨平台骨折内植物植入，比较理想与实际螺钉长度、进钉点和进钉方向，发现两者无统计学意义，认为在个体化导板辅助下术前精确放置钢板和螺钉的理想化设计成功实现。

由于膝关节骨肿瘤解剖复杂，且手术难度大，技术要求高，常规的膝关节置换术仍达不到满意的效果。潘伟等[27]对16例胫骨近端恶性骨肿瘤患者采用旋转铰链型人工膝关节进行膝关节置换术，术前行CT及MRI扫描设计复位导板，应用FDM技术制作实体导板以术中引导截骨，术后所有患者均获随访，平均31个月，结果患者下肢功能评定总优良率为88.1%，无感染、皮肤局部坏死、腓总神经损伤及假体脱位等并发症发生。3D 打印技术的应用使得重建的膝关节更符合生理需求，达到精确切除肿瘤并尽可能恢复患膝功能的目的。

3.2 定制假体植入

Yang等[28]应用EBM技术打印出人造椎体，经动物实验证实该人工椎体与周围骨结构能良好地联系，具有良好的生物相容性和机械稳定性，预示着未来在人类应用的可能。Dai等[29]为10例需行内半骨盆切除术的骨盆肿瘤及骨盆严重损伤患者打印出骨盆假体模型，并根据模型进行模拟手术切除和设计个性化假体，假体制作完成后再在模型上进行模拟安装与调试，应用计算机辅助设计技术完成最终设计，术中发现该假体可提高固定效果，且准确性和可操作性更强，保证了手术的顺利进行。

4 术后应用

大部分骨科患者往往在相当长的时间内需采用各种外固定支具维持保护，目前临床常用的石膏外固定方式虽然经济方便，但硬度大，缺乏舒适度，长时间的石膏固定导致患者体验差，且后期康复锻炼非常痛苦而难以配合。新材料外固定支具如泡沫夹板、高分子夹板的出现改善了上述情况。最佳的外固定支具应具有维持稳定但不过于坚硬、与患者肢体匹配度高且舒适性好、便于拆卸等特点[30]。利用3D打印技术可以设计出与患者肢体高度匹配的外固定支具，实现支具轻量化的同时提高强度。而应用3D打印技术制作的矫形器可根据患者情况自由定制，突破了解剖结构上的限制，同时能节约制造时间和成本[30-32]。Mavroidis等[33]通过3D激光扫描收集患者体表解剖结构数据，使用计算机辅助设计，利用3D打印技术制作出踝足矫形器，随后让患者佩戴踝足矫形器进行步态分析，发现采用3D打印技术打印出的踝足矫形器与患者贴合度高，佩戴更加舒适，且更符合实际步态生物力学曲线。Qiao等[34-35]应用3D打印技术为3例胫骨骨折患者制作个体化外固定架，获得了良好复位，平均旋转1.21°，成角1.84°，横向移位2.22 mm。该个体化外固定架具有提供恰当固定、帮助获得高度精确复位、缩短手术时间、减少损伤、避免射线暴露过多等优点，且有助于患者自身体验及康复锻炼，支架足够的强度也减少了二次创伤的可能。

5 结语

材料学和打印工艺的发展加快了3D打印技术应用的步伐。Wauthle等[36]首次应用激光选区熔化(SLM)技术制造多孔纯钽内植物。这种多孔结构与金属钽的结合使得内植物的力学特性与人类骨骼相近，适于骨生长。新材料的出现拓展了3D打印技术在临床中的应用范围[37]。

3D模型用于术前准备可减少手术时间，但术前打印时间和规划时间也应考虑在内，这依赖于技术本身的改善。目前3D打印耗时长，难以应用于急诊手术[38]。3D打印技术为骨组织修复提供了新思路。利用3D打印技术制备骨组织支架，能保证支架个性化及力学强度，可通过计算机精细调节支架孔隙大小[39]。Kang等[40]利用生物3D打印机打印出骨、肌肉、耳等组织，随后将这些组织移植到小鼠体内，结果2个月后耳的外形得到保持的同时，形成了软骨组织，5个月后骨组织周围血管形成。然而，该技术尚有许多困难如材料、细胞类型、生长因子如何进行选择等需要进一步研究[41-42]。

3D打印作为一种跨学科的技术，需要多方合作，并制定合理规划和相关法规，以帮助这一技术在临床工作中发挥更多作用。

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(收稿：2016-03-24; 修回：2016-08-30)

(本文编辑：卢千语)

上海市科学技术委员会医学引导类科技项目(134119a2201)

200233， 上海交通大学附属第六人民医院骨科

陈云丰 E-mail： drchenyf@qq.com

10.3969/j.issn.1673-7083.2016.06.005