3D打印技术在骨科的应用及护理进展▲

黄式环

(广西贵港市人民医院，贵港市 537100)

【提要】 3D打印技术有成型精度高、个性化突出等优势，在骨科领域中得到了广泛的应用与发展。本文在3D打印技术的工作原理及分类的基础上，对3D打印技术在骨科临床以及围术期护理、术后康复、护理教学的应用进展进行综述，总结3D打印技术在骨科护理应用中面临的问题，对其在骨科护理中的应用进行归纳，有助于促进护理人员及时了解及推广3D打印技术。

三维(three dimension，3D)打印是一种高科技快速成型技术，其以三维模型为基础，通过逐层打印的方式来构造物体[1]。随着骨科医疗技术的进步，微创、精准化、个体化医疗成为发展的方向，3D打印技术的应用为这一目标的实现提供了可靠的技术支持，其分辨率高，能进行个体化定制，有效解决了骨科众多疑难问题，呈现出不可估量的应用前景[2]。然而，3D打印技术作为一种新技术，护理人员对其知之甚少，影响护理人员与医生的默契配合，从而影响手术效率和手术结局。因此，为了促进护理人员及时了解及推广3D打印技术，迎接护理工作全新的挑战，本文对3D打印技术在骨科的临床以及围术期护理、术后康复、护理教学的应用进展进行综述。

1 3D打印技术原理

3D打印技术是集成计算机辅助设计和制造、数控技术、激光技术、高分子材料、三维CT技术等知识为一体的全新快速成型(rapid prototyping，RP)技术。在快速成型装置内装有液体或粉末等打印材料，将计算机设计的三维模型数据分层并逐层打印，然后叠加到一起，成为一个立体物体。分层制造、逐层叠加是其核心原理[3-4]。

2 3D打印技术的分类

在骨科应用中，3D打印技术根据制造材料及方法不同分为以下几类：(1)熔融沉积成型法(FDM)；(2)光固化(SLA)；(3)激光选区烧结/熔融(SLS/SLM)；(4)分层实体制造( LOM )；(5)电子束熔化(EBM)。不同的3D打印技术各有优势。FDM技术是采用丝状的塑料、蜡、金属材料进行制作，精度及性能较差，适用于精度要求不高的模型；SLA技术使用的材料是光固化树脂，能承受标准灭菌程序，可打印出高精度模型及各类导板，但不可用于体内植入；SLM技术制备精度高，适用于小型、高精度内植物的打印；而EBM技术对钛合金具有良好生物相容性，产品质量稳定，适用于骨科内植物的制备，经美国食品药品监督管理局(FDA)及欧盟认证，得到多数骨科内植物生产企业采用[5]。

3 3D打印在骨科临床中的应用

3.1 利用3D打印技术辅助手术设计 利用CT、MRI等影像技术，重建骨骼的三维图像，根据人体解剖的对称性，反求或模拟缺失部位的骨骼三维图像进行辅助手术设计，以确定手术方案、植入物的型号以及固定位置，对植入物进行预塑形等。上海交通大学附属第九人民医院[6]为患者定制半骨盆假体用于半骨盆切除、髋臼侧严重骨缺损的重建。马向浩等[7]在锁骨、跟骨、胫腓骨、脊柱侧弯、关节翻修、骨肿瘤等手术中运用3D打印技术进行模拟手术设计后，能够明显缩短手术时间、降低手术创伤、减少术中出血量、提高手术质量。随着3D打印技术的日渐成熟，以及成型设备价格的下降，越来越多的医师借助3D打印进行复杂手术的设计与演示。

3.2 3D打印导板的设计与应用 在骨科领域基于3D打印的导板设计与应用正不断深入，逐渐显现其特殊的价值。陈宣煌等[8]利用3D打印技术制作导航模板辅助椎弓根螺钉置入，获得了满意的效果。Merc等[9]对20例多节段腰骶椎手术患者置入54枚椎弓根螺钉，通过术后影像学检查对比，3D打印技术制作的导航导板组较徒手置钉组螺钉偏移率和穿破骨皮质风险显著降低。谢兆林等[10]应用3D打印导航模板辅助颈椎椎弓根螺钉置入可以提高置钉的准确率，增加颈椎手术的安全性。3D打印导板辅助置钉技术实用性强，应用简便，精确度高，明显缩短手术时间，减少术中出血量和 X 线透视次数，降低术后并发症发生率，利于术后患者的快速康复[11]。

3.3 3D打印骨科金属植入物的研发 目前3D打印在骨科最有价值的应用方向是研制金属植入物和个性化假体，在国内3D打印制造的骨科内植物已获国家食品药品监督管理总局批准。目前医疗企业提供骨科的内植物只有为数不多的几种型号，对于解剖结构变异、病损复杂的患者，内植物与机体骨骼表面的贴合度差，影响使用的安全有效性和术后愈合效果。根据患者自身特点和实际需要定制个体化、符合解剖特性及生物力学特性和适于骨长入的内植物是亟待解决的问题。Phan等[12]对1例65岁C1～C2疾病的女性患者应用3D打印技术打印个性化内固定材料行后路融合术，取得了良好效果。北京大学第三医院研究团队[13]设计制作了世界首例全微孔型3D打印钛合金人工椎体作为内植物，对脊椎肿瘤进行稳定性重建。目前越来越多的医疗机构、科研单位、骨科产品生产企业投入到3D打印内植物的研究中，实现材料、设备、应用产业链的全覆盖，临床上也不断涌现出定制骨科内植物应用成功的报道[14]。

3.4 3D打印技术的基础研究 3D打印技术基础研究的热点之一是3D打印构建的金属微孔表面改性问题。第四军医大学西京医院与上海交通大学的研究团队[15-16]在3D打印的多孔钛合金表面涂层，经过改性后在糖尿病诱导损伤状态下提升骨整合效应。另外，可降解生物材料的3D打印也是基础研究的热点。张维杰等[17]将3D打印的软骨复合支架应用于兔软骨缺损模型中，发现软骨的骨微结构参数与软骨修复关系密切，但距离临床转化还有相当的距离。无论如何，3D打印技术将是中国骨科内植物器械制造赶上国际步伐的一个良好机遇。

4 3D打印技术在骨科护理的应用

4.1 3D打印技术在骨科围术期护理的应用

4.1.1 术前心理护理 骨科手术属于高难度、高风险的手术，不同患者对手术必要性和风险性的理解能力存在差异，无法准确理解会使患者及家属承受巨大的精神压力，既对手术寄予很大的希望，又心存疑虑和恐慌。术前如何与患者家属进行有效沟通，做好心理护理、缓解患者及家属的焦虑不安情绪，是减少医患纠纷的关键[18]。使用3D打印技术打印出患者目标部位，以1 ∶1的实物模型和数字三维图像，向患者介绍3D打印技术的优势、应用3D打印技术治愈患者的案例和经验，帮助患者树立积极的心态，给患者及家属讲解术前注意事项、手术过程，减轻患者的恐惧，提高患者自我参与意识，使其更好地配合护理工作，提高患者满意度[19]。Kong等[20]报道用3D模型展示，帮助患者及家属了解手术基本原理、流程，消除紧张、焦虑等不良情绪。马利群等[21]报道3D打印辅助教育干预的方法，可有效控制急性创伤患者的焦虑情绪、缓解疼痛、提高睡眠质量。

4.1.2 术前指导 应用打印出来的实物模型，根据患者病情作出相应的指导，可以减轻患者痛苦以及促进手术早期进行。王树芬等[22]报道根据3D打印模型帮助护理人员全方位观察骨盆骨折移位情况，根据移位情况做好翻身前的患肢牵引制动、骨盆环稳定等辅助工作，有效降低术前护理翻身所造成的伤害。李卉等[23]报道了3D打印模型用于复杂Pilon骨折患者的术前护理，实施个性化健康教育，让患者及家属直观地了解骨折的部位、特点及需要配合的注意事项，取得其理解与配合；在进行跟骨牵引前，通过3D模型讲明牵引的原理及必要性，指导康复运动，缩短术前准备时间。

4.1.3 术前模拟演练 组织护理人员学习骨科3D打印技术相关知识，参与术前讨论，配合医生使用患者的3D打印实物模型进行术前模拟演练。护理人员通过积极参与，清晰了解患者的病情、手术方式、配合要点，提前熟悉步骤以及知晓定制器械的使用方法，可以节约手术时间、减少术中出血，有助于手术的顺利完成[24]。

4.1.4 术后指导 利用3D打印模型对患者及家属进行针对性的康复教育，演示如何保持正确体位及进行体位转换，以防止不正确的体位导致骨折移位、内固定不稳或断裂，让患者及家属理解并重视。覃柏良等[25]用3D髋关节模型指导术后患者体位变换，可保持关节的基本轴线不发生改变，展示不同强度、角度以及运动量对患者康复的影响，快速有效地促进髋关节功能康复，缩短住院时间。

4.2 3D打印在骨科术后护理康复的应用 骨科疾病患者很多时候需要康复辅助支具来帮助恢复正常的功能，目前临床一般采用石膏进行外固定，由于石膏比较硬，与皮肤贴合度差，患者感到不舒适，影响患肢功能训练的依从性，导致患肢肌力减弱，关节活动度低。结合患者资料，用3D打印技术个性化设计和制造的康复支具外形仿真人体解剖形态，与人体结构更贴合，在不影响生物力学强度情况下，支具制作呈多孔或呈网状，保持透气性。3D打印支具穿戴方便，可以洗澡，材料较刚硬的3D打印支具对患肢起到支撑、保护作用，材料较柔韧的可以辅助进行关节功能训练。3D打印支具在不久的将来可能成为骨骼外固定的主流[26]。Mavroidis等[27]用3D打印技术个性化设计和制造踝支具，对受试者佩戴后进行步态分析，结果符合步态生物力学曲线，受试者感到更贴合和舒适。曾辉等[28]报道3D打印外固定支具应用于手足骨折患者，支具轻便、坚固、舒适、透气性好，符合患者个性化需求，有效减少住院时间、术后恢复时间，减轻患者痛苦。

4.3 3D打印在骨科护理教学中的应用 骨科相关疾病的解剖结构、部位相对抽象，传统的护理教学方法学生不易理解。根据医院真实的骨骼疾病案例影像学资料，设计并完成3D打印，将患者的骨骼病变情况从二维图像转变为三维实体，体内伤情可视化且生动形象地展现出来，使得教学更加贴近现实。而3D打印耗材来自玉米粉、聚乳酸等物美价廉而且耐保存的材料，具备教材所展示的典型病理骨骼的各种特征，避免了普通制作模型的不真实感及成本高等问题，为学生提供更合理的教学模具。更重要的是，各种真实的骨骼疾病数字三维图像及3D实体模型丰富了骨科护理教学的病例数据库，实现护理教学中典型病例资料的获取与分析，加深了学生对疾病的认识。同时，3D打印技术应用到临床护理教学中，能帮助护理实习生理解骨科的专科知识与专科技能。朱菁菁等[29]将3D打印技术联合常规教学应用于人体护理解剖教学中效果理想，提高了教学质量和教学满意度。目前3D打印技术已应用于骨科创伤、脊柱、关节、足踝等领域的护理教学。

5 3D打印在骨科护理应用中面临的问题

在临床应用中发现，虽然3D打印技术在骨科护理中取得一定的效果，但是仍然存在一些不足：(1) 3D打印制作一个模型需要一定的时间，而且需要专门人员操作，因此对于急诊手术患者术前无法使用3D打印模型；(2)目前打印骨骼模型基本能满足骨科临床的需求，但是对于一些特殊病变或损伤，需要打印出骨骼病变部位及周围组织、血管、神经时，就会需要更长的时间，而高精度的材料成本较高；(3)如果开始在临床各领域大范围的应用，如何收费也是需要我们考虑的问题[30]。

6 前景与展望

3D打印因具有高精度、个体化突出等优势，满足了骨科众多患者差异化的需求，其临床实践的效果也越来越明显。随着3D打印设备价格的合理化，打印材料的日渐丰富，制作软件的无缝对接，国家有关法规、标准的逐步完善，其应用前景不可估量。因此，笔者认为3D打印可以由临床医护人员向数字医学3D中心提交打印申请，在患者进行影像学检查后，数字医学3D中心自动获取影像学数据进行设计，在最短的时间内打印出3D模型交付临床使用，这样节省了中间环节，缩短了不少等待的时间；另外，3D打印模型的收费项目列入影像学科的后期设计制作，可以对3D打印在临床各领域大范围的应用起到很好的推动作用。