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

來源：中國骨與關(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逐層打印的方式來構(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，針對患者個體化骨關(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)首先需要通過計算機(jī)輔助設(shè)計（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)備對實(shí)體進(jìn)行掃描和測量，進(jìn)而通過逆向工程軟件對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和封裝，最終獲得相應(yīng)對象的立體光刻（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、無機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料、生物材料等。常見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、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域；無機(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、國防、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域；有機(jī)高分子材料如ABS樹脂、光敏樹脂、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)具有較大的活動范圍且能夠在活動過程中維持關(guān)節(jié)的穩(wěn)定，這主要得益于其周圍復(fù)雜的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。髖膝關(guān)節(jié)周圍除了神經(jīng)、大血管外，以肌肉群為代表的動力性穩(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)周圍附著，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。過去依靠傳統(tǒng)的解剖教學(xué)手段，骨科醫(yī)師對不同的關(guān)節(jié)外科入路會產(chǎn)生不同的理解層次，使得手術(shù)團(tuán)隊成員之間在手術(shù)操作過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，有別于影像閱片和正常標(biāo)本觀察，3D打印模型給醫(yī)師還原了一個更加直觀的、可觸摸的1∶1個體化病變模型，有利于低年資醫(yī)師加深對患者病情的認(rèn)識，對手術(shù)方案設(shè)計、術(shù)中操作細(xì)節(jié)溝通也具有重要意義。同時病變模型及術(shù)前的操作演示也有助于手術(shù)團(tuán)隊在體外完成手術(shù)預(yù)操作并有針對性地提出其中存在的風(fēng)險和相應(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。舒詩軍等利用3D打印技術(shù)制造出囊括解剖動、靜脈血管的骨盆骨折個體化模型，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疾病治愈信心及對醫(yī)療服務(wù)的滿意度。

3D打印個性化輔助器械在關(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、截骨過程時為了確保準(zhǔn)確性和避免損傷周圍神經(jīng)、血管、器官等重要結(jié)構(gòu)，往往需要依賴術(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)時間過長，并且螺釘存在松動失效的風(fēng)險。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)計個性化的手術(shù)導(dǎo)板，術(shù)中按導(dǎo)板方向直接置釘可簡化手術(shù)操作，同時提高手術(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)切口小；截骨導(dǎo)板的設(shè)計整體呈楔形，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。

陳國仙等利用3D打印技術(shù)設(shè)計并打印出截骨導(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)時間短，創(chuàng)傷小，無并發(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)來設(shè)計假體置入的位置和角度，對主刀醫(yī)師的技術(shù)要求高，特別是對于復(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)行個性化定制，能幫助術(shù)者從容面對復(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)計了3D打印專用髓內(nèi)導(dǎo)向器，分別為患者施行3D打印個體化輔助全膝關(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打印個體化組的髓內(nèi)引導(dǎo)深度小，髕骨運(yùn)動軌跡更好，可以實(shí)現(xiàn)更好的對線和更高的假體置入精度。張元智等利用計算機(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)操作更加作簡便，手術(shù)時間明顯縮短，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，由于傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化假體采用的是規(guī)格化設(shè)計，往往會出現(xiàn)現(xiàn)有規(guī)格系列均無法良好匹配宿主骨的問題，從而導(dǎo)致術(shù)后假體松動過早發(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)計出與其相對應(yīng)解剖或骨組織缺損部分相匹配且高精度的個性化假體。目前3D打印個性化設(shè)計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性化定制，術(shù)后短期隨訪未見腫瘤復(fù)發(fā)及肺轉(zhuǎn)移，骨與軟組織腫瘤協(xié)會MSTS評分為17~26分，而影像學(xué)檢查顯示假體與患者周圍骨組織嵌合度良好。Wang等為26例髖臼周圍惡性腫瘤患者設(shè)計了一系列3D打印定制多孔結(jié)構(gòu)的一體化半骨盆假體，術(shù)后均無深部感染、假體脫位、假體斷裂、假體無菌性松動或局部復(fù)發(fā)。裴延軍等設(shè)計并3D打印出個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評分良好，無并發(fā)癥發(fā)生，療效滿意。在假體生存率方面，傳統(tǒng)假體與周圍骨組織的界面結(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)骨組織長入，從而獲得長期穩(wěn)定性。Wauthle等采用大鼠股骨原位負(fù)荷性骨缺損模型評價平均孔徑為500μm、孔隙率為80%的3D打印多孔鉭假體在體內(nèi)的骨長入性能，12周即可觀察到微孔表面大量骨生長，置入體-骨界面連接牢固，功能良好。蘇可欣等通過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，結(jié)果表明3D打印多孔鉭具備優(yōu)良的骨長入性能。

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，為此國內(nèi)外許多學(xué)者開始著眼于細(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)，以期通過耦合活體細(xì)胞（種子）和細(xì)胞外基質(zhì)（含生長因子）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題�，F(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、耳廓等類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。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。目前解決這個問題的方法是從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，通過去鐵胺的控釋，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法解決細(xì)胞營養(yǎng)和氧氣供應(yīng)問題，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，亟待出臺切實(shí)可行的管理規(guī)范和政策性文件；此外，對于現(xiàn)有的前期應(yīng)用尚缺乏具有說服力的長期隨訪數(shù)據(jù)，未來仍有待開展更多高證據(jù)級別的臨床研究。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)重建將會出現(xiàn)更多新的選擇，而3D打印的個性化、精準(zhǔn)化、微創(chuàng)化元素將有力推動關(guān)節(jié)外科領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展。