陳揚藍(lán)濤錢文斌

綜述與講座

3D 打印技術(shù)在修復(fù)骨缺損中的應(yīng)用研究

陳揚1藍(lán)濤2錢文斌3

1 引言

創(chuàng)傷、腫瘤、囊腫、結(jié)核等疾病是導(dǎo)致組織缺損的重要原因，特別是硬組織外科領(lǐng)域，選擇一種合適的植入物替代組織缺損重塑結(jié)構(gòu)的完整性是手術(shù)治療的關(guān)鍵。組織缺損的不規(guī)則性，往往造成植入物與缺損區(qū)的不匹配，就要求手術(shù)者在術(shù)中對傳統(tǒng)植入物的塑形與反復(fù)的匹配，對手術(shù)者提出了更高的要求，同時延長了手術(shù)時間、增加了術(shù)中的出血量，最終影響手術(shù)的效果，臨床上需要一種患者個體化的植入物快速的完成缺損的修復(fù)過程?；诂F(xiàn)代影像技術(shù)及計算機輔助設(shè)計技術(shù)對缺損區(qū)進行三維重建，利用3D打印制備患者個體化的植入物進行組織缺損的修復(fù)或制備仿生模型進行術(shù)前的手術(shù)模擬，可以大大提高了外科手術(shù)的精確性與安全性。

2 3D打印技術(shù)的原理

3D打印技術(shù)是20世紀(jì)80年代后期國際上出現(xiàn)的新技術(shù)，集成計算機輔助設(shè)計和計算機輔助制造（CAD/CAM）、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)、高分子材料、三維CT技術(shù)等領(lǐng)域為一體的現(xiàn)代工業(yè)制造技術(shù)，主要根據(jù)離散/堆積成形原理，在計算機控制下利用零件的CAD模型所確定的幾何信息，對層片材料或粉層進行二維掃描和處理，由點到線，由線到面，由面到體，層層堆積可得到一個三維實體（原型）。3D打印制備植入物可以減少物理模型或樣品乃至批量產(chǎn)品制造所用的時間和成本，同時可以保證制造的精度[1]。

3 個體化植入物的三維數(shù)字化重建與制造

對病變?nèi)睋p區(qū)域進行CT斷層掃面，獲得病變節(jié)段斷面圖像，以DICOM格式保存后輸入計算機，應(yīng)用MIMCS軟件通過閾值分割與區(qū)域增長生成三維圖像，采用完全貼合與交互式屏幕顯示設(shè)計法在CAD三維模型上、缺損的周圍定點并排序，通過圖像分割和配準(zhǔn)，提取興趣區(qū)域，經(jīng)過無數(shù)據(jù)損失的表面繪制得到三角化網(wǎng)格圖像，填充后即生成三維模型。重建結(jié)果以.STL格式輸出，得到修復(fù)體的三維模型數(shù)據(jù)通過數(shù)字接口輸入3D打印機。對STL文件進行“切片”處理，這些片層信息經(jīng)過程序處理依次控制3D打印設(shè)備，逐層堆積完成修復(fù)體的制造。

4 3D打印技術(shù)的臨床應(yīng)用

3D打印技術(shù)自誕生之日起，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，特別是硬組織外科領(lǐng)域，受到了高度重視并已應(yīng)用于臨床，3D打印在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)取得了重大的進步，給患者、臨床醫(yī)生乃至整個社會帶來了巨大的幫助。

4.1 3D打印技術(shù)在頜面外科的應(yīng)用

2012年2月13日比利時和荷蘭的醫(yī)生成功為一名下頜骨壞死的83歲的老人植入3D打印的下頜骨，這是世界上首次完全使用定制植入物代替整個下頜骨。傳統(tǒng)植入物的制備需要數(shù)天的時間，手術(shù)的過程需持續(xù)7個小時，術(shù)后尚需留院觀察2～4周。而術(shù)前已經(jīng)利用3D打印技術(shù)制備符合患者個性化的下頜骨，手術(shù)歷時只有短短的4個小時，患者術(shù)后1天便已可以說話和吞咽，充分顯示通過3D打印技術(shù)快速制作個體化醫(yī)學(xué)內(nèi)植物在臨床實際應(yīng)用過程的革命性意義。國內(nèi)學(xué)者董青山等[2]對5例下頜骨下頜骨缺損需即刻行外形與功能修復(fù)的患者，現(xiàn)行三維CT掃面獲得頜面部影像數(shù)據(jù)，在計算機內(nèi)進行三維重建，應(yīng)用快速成型技術(shù)制作頜面部實體模型，并運用模型進行手術(shù)部位、截骨點、鈦板方向和角度模擬，結(jié)果顯示手術(shù)過程快捷、順利，手術(shù)效果滿意。龔振宇等[3]運用快速成形術(shù)對43例復(fù)雜頜面骨性病變的患者設(shè)計、制作骨骼實體模型進行外科模擬，最終手術(shù)過程順利，明顯縮短了手術(shù)時間提高了手術(shù)質(zhì)量。Waran[4]等報道了3D打印技術(shù)制備頭顱模型協(xié)助教學(xué)、術(shù)前訓(xùn)練等。Lee[5]等曾利用CT掃描獲得患者頜面缺損影像數(shù)據(jù)后進行三維重建，制備模型對缺損進行評估，并完成頜面部缺損的修復(fù)手術(shù)，體現(xiàn)了計算機技術(shù)與3D打印技術(shù)聯(lián)合并應(yīng)用臨床工作的可行性。

4.2 3D打印技術(shù)在骨外科領(lǐng)域的應(yīng)用

傳統(tǒng)的假體并不能完美的匹配患者骨骼的個體差異，各種疾病導(dǎo)致的骨缺損使骨骼的外形更不確定。3D打印技術(shù)設(shè)計與制備的植入物能夠完美解決這些問題。國內(nèi)杜浩[6]等學(xué)者通過三維重建結(jié)合3D打印快速制備6位股骨頭壞死實物模型進行術(shù)中定位顯示術(shù)前設(shè)計、構(gòu)建的實物模板對手術(shù)的效果起到了關(guān)鍵作用。丁煥文[7]等采用快速成型技術(shù)對106例骨病患者制作骨關(guān)節(jié)原型，進行外科手術(shù)過程設(shè)計、預(yù)演、制作外科手術(shù)輔助模板、個性化植入物等，最后精確實施骨關(guān)節(jié)外科手術(shù)，與傳統(tǒng)手術(shù)方式相比，手術(shù)時間大大縮短，術(shù)中出血減少，術(shù)前的手術(shù)模擬更方便了外科醫(yī)生對解剖結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，大大降低了手術(shù)帶來的副損傷。于乃春[8]等利用快速成型術(shù)對脊柱畸形的患者進行脊柱三維重建，從不同的角度與方向觀察實物模型，術(shù)前建立個體化導(dǎo)航模板，術(shù)中引導(dǎo)椎弓根置釘，明顯縮短手術(shù)時間，實現(xiàn)了準(zhǔn)確置釘?shù)哪康?。國外亦有關(guān)于在治療兒童先天性脊柱側(cè)凸、后凸時運用3D打印技術(shù)的病例報道[9]。Matthew[10]等利用CT三維重建與3D打印制備一名6歲小女孩肩胛骨腫瘤的模型，模型的可視化可以協(xié)助外科醫(yī)生進行病情解釋與術(shù)前病情分析。Debarre[11]等亦指出快速成型術(shù)對病變破壞與缺損區(qū)域進行建模比CT三維重建在臨床應(yīng)用方面更有優(yōu)勢，并對干骺端骨不連進行截骨術(shù)、肩關(guān)節(jié)成形術(shù)、股骨滑車成型術(shù)的不同患者進行術(shù)前建模，利用3D制備的模型或者植入物更加客觀形象的反應(yīng)病變并成功的實施手術(shù)，手術(shù)效果令人滿意。

4.3 3D打印技術(shù)在組織工程中的應(yīng)用

種子細(xì)胞、生物活性因子及基質(zhì)材料是組織工程的三大要素[12]。組織工程支架作為組織工程學(xué)研究的核心要素之一，為細(xì)胞生長、增殖及分化提供載體，可植入機體病變部位，繼續(xù)增殖、分化，形成新的與自身功能和形態(tài)相適應(yīng)的組織或器官，達(dá)到修復(fù)或改善病變部位的目的。利用3D打印技術(shù)制備的生物支架，豐富的材料保證了支架具備很好的生物相容性，而且支架孔隙的大小、形狀更加符合種植細(xì)胞的遷移、增殖與分化，能夠為組織缺損的修復(fù)提供優(yōu)良的環(huán)境。Meseguer[13]等將3D打印技術(shù)制備的羥基磷灰石/聚己內(nèi)酯/脫鈣骨基質(zhì)植入兔子體內(nèi)不僅在支架周圍成功誘導(dǎo)骨生成，同時能夠引導(dǎo)骨細(xì)胞在支架的孔隙內(nèi)爬行并產(chǎn)生新生骨。Cui X[14]等用PEGDMA（聚乙二醇-二甲基丙烯酸酯）聚合支架過程中同時混合入軟骨細(xì)胞制備的生物支架保證了細(xì)胞在支架內(nèi)的精確分布，提高了軟骨細(xì)胞的成活率，支架能夠與周圍組織更好的匹配并完成軟骨的修復(fù)。國內(nèi)學(xué)者孫梁[15]等通過3D打印技術(shù)制備的聚乳酸-聚羥乙酸/磷酸三鈣生物支架復(fù)合BMP成功修復(fù)了兔子15mm的骨缺損，成骨的速度可以完美的匹配支架的降解速度。應(yīng)用3D打印制備生物支架，不僅能夠滿足生物相容性、生物活性、力學(xué)性能等要求，而且其高孔隙率的三維立體結(jié)構(gòu)更適合種子細(xì)胞增殖、分化與誘導(dǎo)成骨修復(fù)缺損，具有重大的應(yīng)用價值。

5 展望

因創(chuàng)傷、腫瘤、結(jié)核等疾病所致的骨缺損往往不規(guī)則，傳統(tǒng)的人造骨不僅來源有限，生產(chǎn)的周期長，產(chǎn)品的大小、形狀往往不能完美的匹配骨缺損，最終導(dǎo)致手術(shù)效果不理想。個體化與精確化是21世紀(jì)醫(yī)學(xué)發(fā)展的方向。3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，將會極大的推動醫(yī)學(xué)的進步。3D打印技術(shù)拋棄了傳統(tǒng)的依賴于工廠生產(chǎn)的模式，可以便捷、快速的為患者量體裁衣，制備個性化的植入物，生產(chǎn)周期明顯縮短，打破了傳統(tǒng)制造業(yè)時間和空間的限制，具有重要的社會效益。同時，集影像技術(shù)、計算機輔助技術(shù)與制造于一身的3D打印技術(shù)，可以更直觀的協(xié)助醫(yī)患溝通，幫助臨床醫(yī)生術(shù)前全面的評估病情、設(shè)計更為合理的手術(shù)方案從而使減少手術(shù)時間、術(shù)中出血及各種并發(fā)癥的發(fā)生成為可能，具有顯著的臨床效益。3D打印技術(shù)作為一項新技術(shù)在骨科乃至整個臨床中的應(yīng)用，具有傳統(tǒng)手術(shù)方法無法比擬的優(yōu)勢，但目前制作成本仍較高。打印過程所需的原材料不僅要求生物相容性好，還必須滿足生物力學(xué)的性能，這也成為3D打印技術(shù)在臨床運用的一大難題。同時新技術(shù)比要求臨床醫(yī)生在熟練掌握醫(yī)學(xué)技能的前提下，具備一定三維重建與CAD技術(shù)。但是我們有理由相信隨著生物材料知識及計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，3D打印技術(shù)將會更為之成熟的投入臨床使用，為患者解決臨床難題。

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陳揚（1965-）男，教授，碩士研究生導(dǎo)師，主任醫(yī)師。研究方向：脊柱外科。

2013-11-25）

深圳大學(xué)醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院（深圳市第二人民醫(yī)院脊柱外科），廣東深圳518030