初金澤，楊雪，梅昱，徐文倩，蔡振存

3 D打印技術(shù)在骨科應(yīng)用的研究進(jìn)展

初金澤1，楊雪1，梅昱2，徐文倩3，蔡振存4*

（1.沈陽(yáng)醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)2012級(jí)22班，遼寧沈陽(yáng)110034；2.醫(yī)學(xué)影像學(xué)專業(yè)2014級(jí)3班；3.麻醉學(xué)專業(yè)2014級(jí)2班；4.附屬中心醫(yī)院骨科）

近年來(lái)，3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但在骨科領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于初步研究階段，由于骨科解剖學(xué)特征和治療技術(shù)的復(fù)雜性，熟悉3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，結(jié)合臨床實(shí)際應(yīng)用，在術(shù)前更加深入研究疾病的特點(diǎn)，做好充分的手術(shù)計(jì)劃，可最終提高臨床療效。同時(shí)，也應(yīng)注意到3D打印輔助手術(shù)技術(shù)的局限性，在臨床工作中揚(yáng)長(zhǎng)避短，使其更好地為患者服務(wù)。

3D打印技術(shù)；骨骼模型；手術(shù)導(dǎo)板；個(gè)體化的假肢；個(gè)性化的植入物

3D打印技術(shù)是一種快速成型技術(shù)，其核心技術(shù)是數(shù)字化、智能化制造與材料科學(xué)的結(jié)合［1］，它的出現(xiàn)，更被譽(yù)為是“第三次工業(yè)革命的標(biāo)志”［2］。3D打印技術(shù)最早的源頭是美國(guó)科學(xué)家Charles Hull于1986年開發(fā)的第一臺(tái)商用立體光敏3D打印機(jī)，自此，3D打印技術(shù)迅猛發(fā)展，近十年來(lái)，在各個(gè)領(lǐng)域都頗有成就。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，應(yīng)用3D打印技術(shù)打印內(nèi)臟器官、血管、骨骼等模型拯救生命；其中在骨科領(lǐng)域中，可用于術(shù)前規(guī)劃、術(shù)中導(dǎo)航、個(gè)性化關(guān)節(jié)置換模型和假肢的制作等，現(xiàn)已成功應(yīng)用于臨床，深受醫(yī)生和患者的青睞。就目前而言，3D打印技術(shù)在骨科的發(fā)展前景是非常光明的。本文就3D打印技術(shù)打印原理，在骨科領(lǐng)域的應(yīng)用，以及所具有的優(yōu)勢(shì)及局限性進(jìn)行綜述。

13 D打印原理和過程

傳統(tǒng)的建模主要包括圖像分割、幾何重建、網(wǎng)格生成和分配的材料屬性［3］。而3D打印技術(shù)的基本過程可以分為三步：第一步是做三維設(shè)計(jì)，即要先對(duì)患者的病變部位進(jìn)行CT掃描，以便獲取病變部位的相應(yīng)數(shù)據(jù)，然后通過CAD軟件根據(jù)CT獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終得出所要打印物體的三維立體模型，用三角面近似模擬物體的表面，可以增大其分辨率；第二步是做切片處理，將所要打印的物品逐層進(jìn)行數(shù)字編程；第三步是完成打印，即將數(shù)字程序以STL的文件格式輸入到3D打印機(jī)，3D打印機(jī)就可以將所需要的材料通過相應(yīng)的技術(shù)，采用“逐層打印”的方式打印出與所需要的物體呈1∶1比例的物體［4］。

2 3 D打印技術(shù)在骨科領(lǐng)域中的應(yīng)用

2.1 打印骨骼模型以輔助骨科手術(shù)針對(duì)較為復(fù)雜的骨折和畸形，傳統(tǒng)手術(shù)的設(shè)計(jì)主要是由術(shù)者依據(jù)患者的X線片和二維CT圖像，在腦海中進(jìn)行虛擬的術(shù)前設(shè)計(jì)，但是該方法有一定的局限性和不確定性［5］，而3D打印的骨骼模型可以將真實(shí)的骨骼結(jié)構(gòu)更立體地呈現(xiàn)在臨床醫(yī)生的眼前，以便醫(yī)生更加直觀地了解病損的嚴(yán)重程度，可以從一定程度上彌補(bǔ)傳統(tǒng)技術(shù)的缺陷［6-7］。Lin等［8］將21例骨骼模型術(shù)列入研究，術(shù)后均進(jìn)行CT掃描的三維重建，結(jié)果顯示接骨板、螺釘規(guī)格以及位置等均與之前在Mimics軟件中模擬的預(yù)設(shè)完全一致。這說明術(shù)前數(shù)字化的設(shè)計(jì)與實(shí)際的手術(shù)實(shí)施效果十分接近，有助于術(shù)前診斷以及手術(shù)方案的設(shè)計(jì)。Zeng等［9］利用三維印刷技術(shù)輔助不穩(wěn)定性骨盆骨折的內(nèi)固定術(shù)，用以識(shí)別和結(jié)扎腹壁下動(dòng)脈或髂外血管及閉孔，然后就可以準(zhǔn)確地將鋼板或螺釘插進(jìn)安全區(qū)域。在骨科手術(shù)中利用3D打印技術(shù)可以制作術(shù)中的引導(dǎo)裝置，這樣既可以得到良好的重建效果，又可以起到指導(dǎo)手術(shù)的作用。

2.2 打印導(dǎo)板輔助骨科治療3D打印技術(shù)可在手術(shù)過程中起到個(gè)體化的導(dǎo)航作用，以免在術(shù)中損傷到毗鄰的重要解剖結(jié)構(gòu)，還能在一定程度上提升手術(shù)效率，降低術(shù)中的一些不必要風(fēng)險(xiǎn)，減少術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生。比如在長(zhǎng)骨骨折的復(fù)位中利用3D打印技術(shù)定制的外固定器，可以在臨床上起到良好的固定效果，并縮短了骨折愈合的時(shí)間［10］。Zhou等［11］研究表明將CT三維重建設(shè)計(jì)和3D打印的導(dǎo)板應(yīng)用到髖臼周圍截骨術(shù)，可以提高該種手術(shù)的精準(zhǔn)性以及安全性。目前，3D打印個(gè)性化骨科植入物在髖、膝關(guān)節(jié)的置換術(shù)及骨盆骨折的手術(shù)中應(yīng)用的最多。比如在全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中，傳統(tǒng)的方式是要利用手術(shù)器械進(jìn)行定位，這樣的定位方式，即使是經(jīng)驗(yàn)豐富的關(guān)節(jié)外科醫(yī)生，其實(shí)施的置換術(shù)的下肢機(jī)械軸線的偏差大于3°的概率也高達(dá)20%～40%，而利用計(jì)算機(jī)輔助定位的下肢機(jī)械軸線偏差大于3°的概率只有10%［12］，所以3D打印技術(shù)可以明顯提高截骨的準(zhǔn)確性，另外王均等［13］研究表明，除此之外，3D打印技術(shù)還能有效促進(jìn)創(chuàng)傷性膝內(nèi)翻畸形患者膝關(guān)節(jié)的功能恢復(fù)，而患者的1年恢復(fù)優(yōu)良率也可高達(dá)92.6%。

2.3 制訂個(gè)體化的假肢現(xiàn)階段臨床所應(yīng)用的假肢均是通用的幾種標(biāo)準(zhǔn)，很難滿足于患者的個(gè)體化需求，而3D打印技術(shù)可以在常規(guī)的設(shè)計(jì)理念基礎(chǔ)上，參考患者個(gè)體解剖結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行假肢的優(yōu)化設(shè)計(jì)、制作和置入，以符合不同的解剖及生物力學(xué)的需求，可以達(dá)到滿足不同性別、人種、運(yùn)動(dòng)習(xí)慣和職業(yè)的個(gè)體目的［14］。此外，3D打印還可應(yīng)用于兒童假肢的制作，因?yàn)閮和瘯r(shí)期的骨骼在不斷地生長(zhǎng)，傳統(tǒng)的假肢很難滿足其需求，而3D打印技術(shù)可以制作出固定性良好的、較輕的、便于拆卸的以及成本較低的兒童假肢［15］，2014年10月，醫(yī)生和科學(xué)家們利用3D打印技術(shù)成功地為一名5歲的先天性左臂殘疾的女童裝上手掌［16］。

2.4 組織工程領(lǐng)域的個(gè)性化應(yīng)用及輔助癌癥的相關(guān)研究在骨組織工程領(lǐng)域，以往的組織工程支架大多為批量生產(chǎn)，規(guī)格有限，不匹配的植入物則會(huì)影響手術(shù)效果，也可能會(huì)引起二次手術(shù)等不良后果。而3D打印技術(shù)可以用于制作結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、大小形狀各異的組織工程支架［17］，甚至可以根據(jù)醫(yī)學(xué)影像學(xué)數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)的輔助設(shè)計(jì)技術(shù)下制造出與患者的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)相匹配的支架，以滿足患者的個(gè)體化需求［18］。Lee等［19］以聚乙酸及殼聚糖為原材料，通過3D打印技術(shù)構(gòu)建了個(gè)體化的髁突支架，并取得了滿意的效果。2014年8月，北京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)成功地為一名12歲男孩植入了3D打印脊椎，這屬全球首例，而且預(yù)后十分良好［20］。Ding等［21］利用3D打印技術(shù)將軟骨細(xì)胞和骨髓基質(zhì)細(xì)胞分別植入到具有特定形狀和結(jié)構(gòu)的聚乳酸涂層的聚羥基乙酸和聚己內(nèi)酯/納米羥基磷灰石的支架中，分別用于骨和軟骨的再生。

對(duì)于乳腺癌來(lái)說，骨是最容易轉(zhuǎn)移的部位，故Zhu等［17］利用3D打印技術(shù)研制出了一種“好骨”環(huán)境，希望以此來(lái)研究骨轉(zhuǎn)移瘤的生物學(xué)特性，而他們的研究成果同樣也將適用于其他癌癥研究者的工作。

3 3 D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與局限

首先和其他技術(shù)相比，3D打印技術(shù)的打印精度更高，目前上市的主流3D打印機(jī)精度基本控制在0.3 rain以下，個(gè)別精度較高的可實(shí)現(xiàn)600 dpi的分辨率，打印厚度只有0.01 mm；其次從理論上來(lái)講，3D打印機(jī)可以打印出計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的任何形狀的模型，故能滿足醫(yī)生和患者的個(gè)性化需求，而且打印的骨骼中有可供患者本身骨細(xì)胞生長(zhǎng)的孔隙，這樣就可以使打印的骨骼與患者本身骨骼融合，有助于患者康復(fù)，提高穩(wěn)定性；同時(shí)，3D打印導(dǎo)板技術(shù)還可以提高截骨的精準(zhǔn)性和安全性；另外，3D打印因其增材制作的特性，因此在生產(chǎn)中不會(huì)產(chǎn)生邊角料，從而會(huì)提高材料的利用率，而且打印速度也很快，操作也很簡(jiǎn)單［1，22］。

雖然可以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化是3D打印技術(shù)的一個(gè)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，但是正因?yàn)樗膫€(gè)性化太強(qiáng)，從另一角度來(lái)講就不利于大規(guī)模的批量商業(yè)生產(chǎn)。此外，目前的3D打印技術(shù)仍屬于發(fā)展初期，經(jīng)驗(yàn)相對(duì)不足，且缺乏專業(yè)型的人才，如果一旦出現(xiàn)問題，打印的模型就可能會(huì)變形；另外，3D打印相比較于普通的X線、CT掃描以及MRI等影像學(xué)檢查，價(jià)格仍稍顯昂貴，其推廣度和認(rèn)可度仍有待加強(qiáng)；而且由于模型的前期準(zhǔn)備時(shí)間比較長(zhǎng)，不適用于急診手術(shù)；如果一旦中途手術(shù)計(jì)劃發(fā)生改變，也無(wú)法在術(shù)中重新進(jìn)行設(shè)計(jì)［23］。

4 展望

目前的3D打印技術(shù)有優(yōu)勢(shì)也有劣勢(shì)，所以將其成功地應(yīng)用于骨科的各個(gè)領(lǐng)域仍有很長(zhǎng)的一段路要走，而一旦成功應(yīng)用，將具有傳統(tǒng)手術(shù)方法無(wú)法比擬的優(yōu)越性。隨著其技術(shù)的發(fā)展，在不久的將來(lái)很可能會(huì)逐步實(shí)現(xiàn)組織工程支架、植入物、人工關(guān)節(jié)、假肢等的私人定制，甚至可以使基于3D打印技術(shù)的生物組織、器官再生成為可能，3D打印技術(shù)給人類帶來(lái)無(wú)盡的想象和可能。

［1］Yu Q，Tian J.Application of three-dimensional printing technique in manufacturing scaffolds for bone tissue engineering［J］.Chinese Journal of Tissue Engineering Research，2015，19（30）：4870-4875.

［2］黃健，姜山.3D打印技術(shù)將掀起“第三次工業(yè)革命”［J］.新材料產(chǎn)業(yè)，2013，（1）：62-67.

［3］Huang H，Xiang C，Zeng C，et al.Patient-specific geometrical modeling of orthopedic structures with high efficiency and accuracy for finite element modeling and 3D printing［J］. Australas Phys Eng Sci Med，2015，38（4）：743-753.

［4］Tian Y，Zeng QH，Hu XH，et al.The principle of 3D printing technology and its research progress in tissue engineering［J］. China Medical Device Information，2015，（8）：7-12.

［5］Belitskaia NV.Current technologies of radiodiagnosis for pelvic injuries［J］.Vestn Rentgenol Radiol，32012，（3）：24-27.

［6］Bagaria V，Deshpande S，Rasalkar DD，et al.Use of rapid prototyping and three-dimensional reconstruction modeling in the management of complex fractures［J］.Curr Orthop Prac，2011，80（3）：814-820.

［7］孟國(guó)林，劉建，胡蘊(yùn)玉，等.快速成型模型在制定脛骨平臺(tái)復(fù)雜骨折手術(shù)方案中的指導(dǎo)作用［J］.中華創(chuàng)傷骨科雜志，2011，13（12）：1135-1138.

［8］Lin HB，Huang WH，Chen XH，et al.Digital design of internal fixation for distal femoral fractures via 3D printing and standard parts database［J］.Natl Med J China，2016，96（5）：344-348.

［9］Zeng CJ，Xiao JD，Wu ZL，et al.Evaluation of threedimensional printing for internal fixation of unstable pelvic fracture from minimal invasive para-rectus abdominis approach：a preliminary report［J］.Int J Clin Exp，2015，8（8）：13039-13044.

［10］Qiao F，Li DC，Jin ZM，et al.Application of 3D printed customized external fixator in fracture reduction［J］.Injury，2015，46（6）：1150-1155.

［11］Zhou Y，Xu XS，Li C，et al.Application of 3D reconstruction navigation template in Bernese periacetabular osteotomy［J］. Chin J Orthop Trauma，2016，18（1）：17-23.

［12］Qiu B，Zhang MJ，Tang BS，et al.A novel integrated patient specific instrumentation system and its application for total knee arthroplasty［J］.Chin J Orthop，2016，36（3）：143-150.

［13］王均，陸聲，周游，等.3D打印技術(shù)輔助創(chuàng)傷性膝內(nèi)翻畸形矯正的初步臨床應(yīng)用［J］.中華創(chuàng)傷骨科雜志，2015，17（1）：40-44.

［14］Luo Q，Tak WL，F(xiàn)ang XS.Application of three-dimensional printing technique in orthopaedics［J］.Chin J Repar Reconst Surg，2014，28（3）：268-271.

［15］Burn MB，Ta A，Gogola GR.Three-dimensional printing of prosthetic hands for children［J］.J Hand Surg Am，2016，41（5）：e103-e109.

［16］HU K，LI Lh，YU Jw，etal.Application of 3D printing technology in orthopaedics personalized treatment［J］.Polymer Bulletin，2015，27（9）：61-70.

［17］Zhu W，Holmes BJ，Glazer RI，et al.3D printed nanocomposite matrix for the study of breast cancer bone metastasis［J］. Nanomedicine，2016，12（1）：69-79.

［18］Eltoreai AE，Nguyn E，Daniels AH.Three-dimensional printing in orthopedic surgery［J］.Orthopedics，2015，38（11）：684-687.

［19］Lee JY，Choi B，Wu B，et al.Customized biomimetic scaffolds created by indirect three-dimensional printing for tissue engineering［J］.Biofabrication，2013，5（4）：045003.

［20］蘇暄.劉忠軍：3D打印技術(shù)帶來(lái)脊柱外科個(gè)體化治療時(shí)代［J］.中國(guó)醫(yī)藥科學(xué)，2015，5（24）：1-4.

［21］Ding C，Qiao Z，Jiang W，et al.Regeneration of a goat femoral head using a tissue-specific，biphasic scaffold fabricated with CAD/CAM technology［J］.Biomaterials，2013，34（28）：6706-6716.

［22］Xia Y，Zhang HH，Xiang H，et al.Research progress of 3D printing technology and its application in medical equipment［J］. Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（4）：108-110.

［23］Yan H，Shi Q，Wu WP，et al.Application of 3D printing technology in the revision surgery for DDH in children［J］.China Digital Medicine，2015，10（5）：18-19.

Re s e a r c hPr o g r e s s o f 3 D Pr i n t i n g T e c h n o l o g y i nO r t h o p a e d i c A p p l i c a t i o n

CHU Jinze1，YANG Xue1，MEI Yu2，XU Wenqian3，CAI Zhencun4*
（1.Grade 2012 Class 22，Shenyang Medical College，Shenyang 110034，China；2.Grade 2014 Class 3；3.Grade 2014 Class 2；4.Department of Orthopaedics，The Central HospitalAffiliated to Shenyang Medical College）

Recently，3D printing technology has been applied more and more widely in medical field，but in the orthopaedic field，it is still in the primary stage.Because of the orthpaedic anatomy feature and the complexity of treatment technology，we must be familiar with the advantage and characteristic about 3D printing technology，do more thorough preparatory work about disease features before the surgery，make a sufficient surgery plan and aims to improving the clinical curative effect.At the same time，we should also pay attention to the limitation of 3D printing technology，make the best use of the advantages and bypass the disadvantages in the clinical work，eventually offer better service to the patients.

3D printing technology；skeleton model；operation guide；individualized artificial limbs；personalized implants

R687.4

A

1008-2344（2017）02-0182-03

2016-08-09

（文敏編輯）

沈陽(yáng)醫(yī)學(xué)院科技基金項(xiàng)目（No.20166057）；沈陽(yáng)醫(yī)學(xué)院大學(xué)生科研立項(xiàng)項(xiàng)目（No.20160826）

蔡振存（1980—），男（漢），副主任醫(yī)師，研究方向：骨科關(guān)節(jié)疾病與創(chuàng)傷.E-mail：caizhencun@126.com

d o i：10.16753/j.cnki.1008-2344.2017.02.033