余浪波綜述，彭笳宸審校

0 引 言

3D打印技術(shù)起源于20世紀(jì)80年代，隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)開始應(yīng)用于臨床并在骨科得以廣泛應(yīng)用，目前，3D打印技術(shù)在骨科的應(yīng)用主要包括[1]：①能夠相對準(zhǔn)確反映四肢骨折的實際損傷情況。②降低椎弓根螺釘?shù)拇┛茁剩瑴p小插入角度的誤差。③幫助醫(yī)師在骨腫瘤切除手術(shù)中制定最佳手術(shù)方案。④打印出組織工程支架，促進(jìn)軟骨及骨缺損修復(fù)。⑤為髖關(guān)節(jié)置換術(shù)提供新的手術(shù)方案。⑥制作個性化截骨導(dǎo)板(personalized osteotomy guide, PSI)及模型。其中，通過制作精確的膝關(guān)節(jié)模型，應(yīng)用于術(shù)前評估、手術(shù)設(shè)計演練、教學(xué)演示以及醫(yī)患溝通等；利用3D打印的PSI進(jìn)行術(shù)中截骨，輔助全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)(total knee arthroplasty，TKA)的完成。其中，PSI股骨截骨模塊用于確定股骨外翻角度，截骨水平，力線對準(zhǔn)，旋轉(zhuǎn)和股骨假體的尺寸，而患者PSI脛骨截骨模塊則用于確定脛骨力線對準(zhǔn)，截骨水平以及脛骨傾斜度和旋轉(zhuǎn)度[2]。其中，3D打印PSI則在TKA中應(yīng)用廣泛并取得較好效果。TKA術(shù)的成功與否取決于膝關(guān)節(jié)的定位、間隙以及軟組織平衡，而三者均依賴于安放假體的正確位置，應(yīng)用3D打印PSI可通過術(shù)前設(shè)計和演練考慮到任何輕微的畸形或骨贅，并可事先確定假體大小、位置和旋轉(zhuǎn)[3-5]，從而有利于調(diào)整下肢力線，使其接近于中立位力線，又使假體位置安放更加精準(zhǔn)；在3D打印PSI輔助下對股骨遠(yuǎn)端和脛骨近端截骨可以獲得精確的截骨量，與傳統(tǒng)手術(shù)、計算機(jī)導(dǎo)航下手術(shù)相比，具有更好的手術(shù)效果和精確性[6-8]。本文主要就3D打印PSI在TKA中的研究進(jìn)展作一綜述。

1 3D打印PSI歷史由來

2006年，OtisMed公司在美國開發(fā)了3D打印的PSI，第一次將3D打印的PSI臨床應(yīng)用到TKA手術(shù)中。此后3年，美國約有23000個TKA手術(shù)中均使用了3D打印PSI。然而，2009年美國食品和藥物管理局(FDA)要求停止該產(chǎn)品的使用，是因為需要對現(xiàn)有軟件程序進(jìn)行修改。2010年，美國Stryker公司收購了OtisMed公司，在對軟件程序進(jìn)行更新以及升級3D打印設(shè)備后，F(xiàn)DA對該產(chǎn)品予以批準(zhǔn)，并于2012年推出最新的3D打印的PSI產(chǎn)品[9],并取得了廣泛應(yīng)用。國內(nèi)學(xué)者于2014年將3D打印PSI應(yīng)用于臨床TKA術(shù)。我國食品藥品監(jiān)督管理總局(CFDA)分別于2015、2016年批準(zhǔn)了3D打印人工髖關(guān)節(jié)假體和3D打印人工椎體的使用。盡管3D打印技術(shù)在全球的應(yīng)用逐步擴(kuò)大，但對3D打印膝關(guān)節(jié)假體植入的臨床應(yīng)用還在進(jìn)一步研究中[10-11]。因此，本文主要探討3D打印PSI在TKA術(shù)中的應(yīng)用進(jìn)展。

2 3D打印PSI在TKA的應(yīng)用步驟

首先，患者進(jìn)行膝關(guān)節(jié)的CT或MRI檢查，通過MRI或CT相關(guān)影像學(xué)資料，創(chuàng)建計算機(jī)輔助設(shè)計(computer aided design，CAD)，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信。通過在CAD上設(shè)計組件，設(shè)計轉(zhuǎn)換為STL文件，通過專業(yè)人員進(jìn)行導(dǎo)板個性化設(shè)計與制作，最終交付給3D打印機(jī)打印出3D打印PSI和關(guān)節(jié)模型。其次，運(yùn)用3D打印技術(shù)復(fù)制患者的膝關(guān)節(jié)模型，還原骨質(zhì)破壞及軟骨的磨損程度，有利于術(shù)者進(jìn)行手術(shù)預(yù)演和設(shè)計，并減少手術(shù)意外并降低復(fù)雜膝關(guān)節(jié)置換的手術(shù)難度。最后，對進(jìn)行消毒等術(shù)前準(zhǔn)備工作，利用3D打印的PSI輔助術(shù)中截骨[12]。其中，利用3D打印PSI進(jìn)行的髓外定位截骨方式是根據(jù)機(jī)械軸垂直方向來進(jìn)行截骨，與傳統(tǒng)手術(shù)相比，可克服因解剖軸與機(jī)械軸的差異所致的準(zhǔn)確性有限的問題。具體步驟如下：①常規(guī)入路顯露關(guān)節(jié)，但保留股骨髁及脛骨平臺邊緣骨贅;②與PSI 接觸的骨面需充分暴露，去除半月板等殘余結(jié)構(gòu);采用專用工具刮除與截骨導(dǎo)板接觸的平臺和股骨髁面軟骨;③將3D打印的PSI與骨面緊密貼合，然后以固定釘固定，確認(rèn)截骨角度與厚度與術(shù)前計劃一致后，完成股骨遠(yuǎn)端和脛骨近端的截骨；④利用股骨髁前后軸線和通髁線確定股骨外旋，常規(guī)完成股骨前后髁截骨;⑤使用間隙測量器測量屈伸間隙，屈曲位內(nèi)外側(cè)平衡;⑥松解內(nèi)側(cè)副韌帶淺層后半部分至伸直位平衡;⑦使用事先預(yù)測好大小的假體完成安裝[13]。

3 3D打印PSI在TKA中的臨床應(yīng)用

3.1 應(yīng)用效果膝關(guān)節(jié)下肢力線的恢復(fù)和假體安放的位置是TKA成功的關(guān)鍵因素[14]。而傳統(tǒng)TKA，術(shù)前僅根據(jù)膝關(guān)節(jié)X線或CT判斷下肢力線的偏移、股骨外翻角、股骨外旋角等角度進(jìn)行手術(shù)預(yù)測，且膝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)也會影響角度判斷，可能會導(dǎo)致手術(shù)誤差。同時，股骨力學(xué)軸線和解剖軸線不一致，傳統(tǒng)上大部分截骨定位是通過保持股骨外翻角固定來實現(xiàn)的，所以當(dāng)股骨側(cè)弓或畸形時可能會導(dǎo)致相應(yīng)的誤差；常規(guī)手術(shù)髓內(nèi)或髓外定位器械手術(shù)方法標(biāo)準(zhǔn)單一，無法滿足個體化的需求。據(jù)統(tǒng)計，即使是經(jīng)驗豐富的關(guān)節(jié)外科醫(yī)師，其實施的TKA術(shù)下肢力線偏離中立位平均值超過3°的幾率也高達(dá)20%[15-16]。在Iorio等[17]研究中，通過對TKA術(shù)后的患者進(jìn)行5年的隨訪得出，所有患者的結(jié)果測量數(shù)據(jù)之間無顯著差異，五年生存率為93%～97%。Ikram等[18]利用3D打印技術(shù)進(jìn)行TKA術(shù)，通過術(shù)前預(yù)測截骨量與術(shù)中實際截骨量的比較，顯示90%的截骨誤差<1 mm，且所有TKA術(shù)后無并發(fā)癥發(fā)生，無1例發(fā)生感染；陳國仙等[19]對比PSI輔助TKA術(shù)前設(shè)計的截骨厚度與術(shù)中實際的截骨厚度，其測量值差異均無統(tǒng)計學(xué)意義。對于股骨彎曲畸形嚴(yán)重的患者，傳統(tǒng)手術(shù)常由于定位導(dǎo)向器難以插入股骨髓腔而增加手術(shù)難度，在3D打印的PSI未應(yīng)用于臨床之前常有如下三種方案：TKA術(shù)同期行關(guān)節(jié)外截骨矯形；先實施關(guān)節(jié)外畸形矯正，再行TKA術(shù)；TKA術(shù)中關(guān)節(jié)內(nèi)截骨加軟組織平衡[20-21]。而張鳳軍等[22]利用3D打印技術(shù)對股骨關(guān)節(jié)外畸形的患者進(jìn)行TKA術(shù)，并聯(lián)合術(shù)中松解膝關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)軟組織技術(shù)，術(shù)后取得較好的效果，患肢機(jī)械軸得到矯正，膝關(guān)節(jié)活動度明顯增強(qiáng)以及HSS評分顯著提高，且差異均具有統(tǒng)計學(xué)意義。另有研究在3D打印的PSI輔助下對重度膝關(guān)節(jié)炎并下肢畸形患者進(jìn)行TKA術(shù)后，認(rèn)為在3D打印PSI不僅可簡化手術(shù)步驟、節(jié)約手術(shù)時間，還獲得較好的假體位置和下肢力線[23-24]。相比傳統(tǒng)手術(shù)，3D打印PSI更適合高齡、一般情況差的患者。綜上，3D打印PSI輔助TKA術(shù)可更好恢復(fù)下肢力線、提高膝關(guān)節(jié)HSS評分，精確截骨、簡化手術(shù)步驟、節(jié)約手術(shù)時間等，尤其在骨性關(guān)節(jié)炎合并關(guān)節(jié)外畸形的TKA術(shù)中優(yōu)勢更為明顯。

3.2 與傳統(tǒng)手術(shù)比較近年來，隨著骨性關(guān)節(jié)炎患者的不斷增加，TKA術(shù)得以廣泛應(yīng)用的同時也引發(fā)了一些新的問題，如假體尺寸預(yù)測，截骨定位以及軟組織平衡等。對此，國內(nèi)外骨科醫(yī)師進(jìn)行了新的探索。有研究表明3D打印PSI組和傳統(tǒng)手術(shù)相比，3D打印PSI組患者手術(shù)出血量更少以及手術(shù)時間更短[25-27]。Rahm等[28]結(jié)論是，相對于傳統(tǒng)手術(shù)和計算下導(dǎo)航手術(shù)，PSI的優(yōu)勢在于避免嚴(yán)重的誤差并實現(xiàn)理想的脛骨后傾角，但3D打印PSI的額外成本和制造時間阻礙了其推廣應(yīng)用。與傳統(tǒng)手術(shù)不同，3D打印PSI使用簡單、學(xué)習(xí)曲線較短，更適用于身體質(zhì)量指數(shù)較高以及關(guān)節(jié)外畸形的患者，對于假體大小的預(yù)測也更加準(zhǔn)確[29]，并且可提高TKA手術(shù)精度和療效[30]。有學(xué)者通過臨床研究發(fā)現(xiàn)PSI在截骨精確度上明顯優(yōu)于傳統(tǒng)手術(shù)及計算機(jī)導(dǎo)航手術(shù)，并且節(jié)約手術(shù)時間，但在術(shù)后下肢力線的偏移上無明顯差異[31-32]；而Yan等[20]研究則表明3D打印PSI、傳統(tǒng)手術(shù)組、計算機(jī)導(dǎo)航下手術(shù)組三者無明顯影像學(xué)和臨床差異。只有劉浩等[33]研究表明PSI在術(shù)后下肢力線的恢復(fù)效果優(yōu)于傳統(tǒng)手術(shù)。綜上，3D打印PSI相較于傳統(tǒng)手術(shù)及計算機(jī)導(dǎo)航手術(shù)主要有以下優(yōu)勢：節(jié)約手術(shù)時間、減少出血量以及截骨精確度較高。目前，3D打印PSI在患者術(shù)后下肢力線的恢復(fù)效果上并未體現(xiàn)較大優(yōu)勢，可能是因為相關(guān)研究隨訪時間不足所致，術(shù)前術(shù)后下肢力線的對比并不能體現(xiàn)差異。因此，在3D打印技術(shù)以及3D打印PSI的研究上，還需要更多的骨科醫(yī)師進(jìn)行探索，為3D打印技術(shù)能更好地應(yīng)用于骨科打下堅實基礎(chǔ)。

4 3D打印PSI的不足與展望

目前，盡管3D打印PSI具有很多有優(yōu)點(diǎn)并在臨床應(yīng)用中獲得較好手術(shù)效果，但仍存在一些不足：①3D打印PSI制作精確度有誤差。CT不能顯示膝關(guān)節(jié)軟骨，這可能是誤差的來源之一，且盡管可基于MRI重建關(guān)節(jié)以及軟骨等軟組織，但運(yùn)動偽影可能導(dǎo)致3D打印PSI的模型不夠精準(zhǔn)，可能會影響術(shù)前手術(shù)預(yù)演以及截骨精確度[34]。目前，相關(guān)研究人員可基于圖像修正以及基于硬件的修正來減少運(yùn)動偽影導(dǎo)致的誤差，如有恒定角速度的偽影校正法、迭代算法以及凸集投影法，這些方法[35]的應(yīng)用有可能極大的減少誤差，為PSI制作的精確度提供保障，有望取代CT作為3D打印PSI的首選檢查。②3D打印成本較高。相比傳統(tǒng)手術(shù)，3D打印設(shè)備、材料、術(shù)前預(yù)演假體、3D打印PSI以及額外的影像學(xué)檢查是費(fèi)用增加的主要原因，因此增加了患者的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，也限制了3D打印技術(shù)的推廣應(yīng)用。③3D打印材料種類繁多，但可內(nèi)植入于患者體內(nèi)的少之又少，且目前3D打印技術(shù)不能打印出機(jī)械強(qiáng)度、生物力學(xué)以及微觀結(jié)構(gòu)均能達(dá)到理想要求的骨組織或假體。因此3D打印技術(shù)應(yīng)用與TKA手術(shù)也僅局限于術(shù)前預(yù)演假體及PSI，3D打印膝關(guān)節(jié)假體植入的應(yīng)用還需進(jìn)一步研究。而聚醚醚酮是全芳香族半結(jié)晶性的熱塑性特種工程塑料，其復(fù)合型材料如碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮具有彈性低強(qiáng)度高的特點(diǎn)，在關(guān)節(jié)置換中里可有效減少應(yīng)力屏蔽及由其引起的骨吸收、骨萎縮及假體松動等并發(fā)癥[36]，因此，聚醚醚酮及其復(fù)合材料的應(yīng)用可能為此帶來希望。④制作周期較長。影像學(xué)的檢查及數(shù)據(jù)采集、3D打印PSI設(shè)計、交付3D打印機(jī)打印，整個過程可能會增加患者額外的2～3 d住院時間。⑤需要多學(xué)科合作。包括組織工程、生物材料、臨床醫(yī)學(xué)及影像學(xué)等領(lǐng)域共同合作，才能保證質(zhì)量又能保證效率，這讓3D打印技術(shù)在大部分醫(yī)院開展困難[37-39]。⑥行業(yè)缺乏對3D打印設(shè)備的評估標(biāo)準(zhǔn)，國家層面需要加強(qiáng)監(jiān)管，需要盡快完善3D 打印醫(yī)療產(chǎn)業(yè)相關(guān)法律法規(guī)，以便促進(jìn)其在醫(yī)學(xué)中的規(guī)范發(fā)展[40]。

隨著3D打印技術(shù)的革新與發(fā)展，希望未來可縮短制作周期，并開發(fā)質(zhì)量過硬且成本更低的3D打印設(shè)備和材料，減少制作成本，從而為患者減輕經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)并推廣應(yīng)用；為減少誤差，需要繼續(xù)完善相關(guān)影像學(xué)修正方法，如上述偽影校正法、迭代算法以及凸集投影法等，還需要完善個性化匹配標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一假體匹配標(biāo)準(zhǔn)與手術(shù)導(dǎo)板設(shè)計方案；且3D 打印醫(yī)療產(chǎn)業(yè)相關(guān)法律法規(guī)要完善，可使得該技術(shù)的臨床應(yīng)用更加規(guī)范合理；此外，需要進(jìn)一步開發(fā)3D打印生物支架與細(xì)胞，加大假體材料和制作工藝的創(chuàng)新力度，相關(guān)研究顯示骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞具備多向分化潛能，且易于獲得、易于培養(yǎng)，可成為未來生物活性關(guān)節(jié)置換的理想種子細(xì)胞之一[41-44]，為未來實現(xiàn)具有生物活性的膝關(guān)節(jié)假體的置換、植入的工廠化生產(chǎn)打下堅實基礎(chǔ)。最后，在其他方面，還包括3D打印活性細(xì)胞、3D打印支架的廣泛應(yīng)用，甚至可以打印出具有生物活性的組織或器官，并進(jìn)行工廠化生產(chǎn)。相信3D打印PSI的潛力是巨大，不僅僅局限于TKA手術(shù)，還可是創(chuàng)傷、脊柱、其他關(guān)節(jié)置換手術(shù)，甚至利用3D打印組織或器官實現(xiàn)人工移植的目的。

5 結(jié) 語

隨著3D打印技術(shù)的飛速發(fā)展，使得3D打印PSI在TKA術(shù)中應(yīng)用取得較大進(jìn)步。隨著人口老齡化的增長，TKA手術(shù)的數(shù)量逐步增多，而3D打印PSI給TKA術(shù)帶來了便利，其理論優(yōu)勢在于有利于調(diào)整下肢力線，使其接近于中立位力線，又使假體位置安放更加精準(zhǔn)。而下肢力線以及假體位置安放又主要取決于股骨遠(yuǎn)端和脛骨近端截骨，在3D打印PSI的輔助下，正好可獲得精確的截骨量?；?D打印技術(shù)，使得骨科醫(yī)師在3D打印PSI的幫助下獲得很多便利，雖然從檢查、設(shè)計以及術(shù)后療效分析來看，3D印PSI或許存在一些不確定因素，但是3D打印PSI的優(yōu)點(diǎn)是值得肯定的，我們需要在克服挑戰(zhàn)的同時為患者帶來更優(yōu)質(zhì)的選擇?？傊?，3D打印是一項簡便、實用、成熟的技術(shù)，在醫(yī)學(xué)以及骨科領(lǐng)域的應(yīng)用正在逐步增多，目前這樣一種新型技術(shù)，符合個體化、精準(zhǔn)化要求，臨床應(yīng)用效果優(yōu)勢明顯，具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>