盧鵬 田文

·綜述 Review·

3D 打印技術(shù)在骨科及手外科領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展

盧鵬 田文

打印，三維；矯形外科學(xué)；手；外科手術(shù)，計(jì)算機(jī)輔助；生物打印

3D 打印技術(shù)是一種快速成型技術(shù)[1]。這種技術(shù)通過3D 打印機(jī)和相應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟件使 CT、MRI、X 線片、超聲成像等影像學(xué)檢查的三維重建圖像可以實(shí)體化。近年來在臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，尤其在骨科、脊柱外科、頜面外科、神經(jīng)外科、心外科中得到了越來越多的重視[2]。3D 打印技術(shù)通過其在診療過程中個體化、精細(xì)化的技術(shù)特點(diǎn)。利用3D 打印技術(shù)進(jìn)行診斷和輔助治療，代表著骨科及手外科手術(shù)個體化、精細(xì)化的先進(jìn)方向。筆者將結(jié)合國內(nèi)外的相關(guān)資料，介紹 3D 打印技術(shù)在骨科及手外科領(lǐng)域的研究進(jìn)展、應(yīng)用現(xiàn)狀、面臨的困難和未來展望。

一、3D 打印技術(shù)的種類及發(fā)展歷程

3D 打印技術(shù)是指在數(shù)字模型數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，運(yùn)用金屬或塑料等粉末，將模型數(shù)據(jù)實(shí)體化為實(shí)物的快速成型技術(shù)。本技術(shù)主要由建立 3D 打印模型、使用 3D 打印機(jī)打印模型、模型再加工三個核心步驟組成[3]。現(xiàn)代意義上 3D打印技術(shù)最早出現(xiàn)在 20 世紀(jì) 80 年代的美國，由美國科學(xué)家 Charles Hull 等發(fā)明。在接下來的三十余年中，3D 打印技術(shù)逐漸完善并發(fā)展出了如光固化法 ( stereo lithography apparatus，SLA )、熔融沉積成型 ( fused deposition modeling，F(xiàn)DM )、選擇性激光燒成 ( selective laser sintering，SLS )、多點(diǎn)噴射建模 ( multijet modeling，MJM )、粘結(jié)劑噴射技術(shù)( binder jet technique，BJT )、分層實(shí)體制造 ( laminated object manufacturing，LOM ) 等不同的 3D 打印技術(shù)[1,4-5]。這些技術(shù)各有優(yōu)劣，部分常用技術(shù)具體如下：

1. SLA：采用紫外激光和樹脂進(jìn)行打印。使用材料包括環(huán)氧樹脂、丙烯酸酯、光致聚合物 ( photopolymer )等。打印層厚 ( Layer thickness ) 0.002 mm，X / Y 分辨率0.004[6]，是現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)方法 ( current gold standard )。具有分辨率高、隨著打印尺寸的增大打印效率逐漸提高、內(nèi)部結(jié)構(gòu)精細(xì)等優(yōu)點(diǎn)。主要不足則包括＞1 天的打印時間、需要大量的后期手工處理、材料及維護(hù)昂貴等[1]。

2. FDM：由 Stratasys 公司開發(fā) ( Eden Prairie，MN，USA )。FDM 通過加熱的熱塑性材料逐層生成模型。使用材料包括丙烯腈－丁二烯－苯乙烯 ( ABS )、蠟、聚碳酸酯、聚丙烯、各種聚酯等。打印層厚 0.007 mm，X / Y 分辨率 0.0028[6]。維護(hù)費(fèi)用在各方法中最低[1]，優(yōu)勢是可以使用多種不同的材料以及不需要后固化處理 ( no postcuring )。缺點(diǎn)則包括在打印大尺寸模型時處理緩慢、細(xì)節(jié)差、表面光潔度低[4]。

3. SLS：使用 CO2激光將熱塑性粉末熔化或燒成形成模型。使用材料包括熱塑性塑料、尼龍、聚苯乙烯、鋼、鈦和復(fù)合材料等。打印層厚 0.004～0.006 mm，X / Y 分辨率 0.030～0.050[6]。主要優(yōu)點(diǎn)包括：可以打印復(fù)雜的或具有功能的物體、不需要支撐結(jié)構(gòu)、效率高[4]、可以使用金屬作為材料[1]等。缺點(diǎn)主要為費(fèi)用昂貴且需要操作者有非常專業(yè)的后期處理能力[1]。關(guān)于打印物品的表面光潔程度，不同文獻(xiàn)存在不同的說法，Chae 等[1]認(rèn)為表面光潔程度好，Alali 等[4]則認(rèn)為表面粗糙。

二、3D 打印技術(shù)在骨科及手外科中的研究及應(yīng)用

個體化治療是骨科的一個重要發(fā)展方向，通過個體化的治療，可以滿足不同性別、人種、宗教、運(yùn)動習(xí)慣、職業(yè)的個體需要[7]。3D 打印技術(shù)最突出的特點(diǎn)就是復(fù)雜成型和個體化。因此，3D 打印技術(shù)目前廣泛應(yīng)用于骨科及其下屬的各個亞?？飘?dāng)中。

目前，3D 打印技術(shù)在骨科及手外科臨床中主要用于以下幾個方面：( 1 ) 制作模具用于設(shè)計(jì)手術(shù)方案、術(shù)中導(dǎo)航；( 2 ) 個體化外固定及內(nèi)植入物；( 3 ) 臨床教學(xué)；( 4 )生物打印。下文將分別就這四點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1. 模具制作用于設(shè)計(jì)方案和術(shù)中導(dǎo)航：目前骨科臨床醫(yī)生最常使用 2D 的 X 線片或 CT、MRI 等進(jìn)行術(shù)前診斷和手術(shù)設(shè)計(jì)。但是這需要外科醫(yī)生具備優(yōu)秀的空間想象力。近年來，CT 和 MRI 的三維重建成像使得醫(yī)生們能夠獲得的影像資料更為立體，但是依然不夠直觀[2]。3D 打印技術(shù)通過制作模具可以有效地解決這一情況。與三維重建的圖像相比，3D 打印的實(shí)物更為直觀地再現(xiàn)了病變部位的解剖部位，方便測量和定位，簡化了手術(shù)設(shè)計(jì)的難度，同時可以用于術(shù)中導(dǎo)航、臨床教學(xué)等。

Hurson 等[8]參考 CT 影像學(xué)資料，使用 SLS 打印技術(shù)，對 12 例髖臼骨折患者的骨盆進(jìn)行了等比例的模型打印，邀請了多名高年資骨科醫(yī)師分別使用常規(guī)骨盆 X 線片、Judet 位 X 線片、CT 等傳統(tǒng)影像學(xué)資料對髖臼骨折進(jìn)行評估、分型以及術(shù)前規(guī)劃，并與通過 3D 打印模型進(jìn)行的相應(yīng)評估、分型及術(shù)前規(guī)劃對比。結(jié)果顯示，在高年資醫(yī)生中，使用傳統(tǒng)影像學(xué)資料的 Kappa 值為 0.61 而使用3D 模型的 Kappa 值為 0.76 ( P＜0.05 )。在低年資醫(yī)生中，使用傳統(tǒng)影像學(xué)資料的 Kappa 值為 0.42 而使用 3D 模型的Kappa 值為 0.71 ( P＜0.01 )。Hurson 等認(rèn)為，在臨床診斷過程中，3D 打印模型較傳統(tǒng)影像學(xué)資料具有顯著優(yōu)勢，并且在培訓(xùn)年輕住院醫(yī)和醫(yī)學(xué)生中具有意義。Li 等[9]報(bào)道了 1 例在髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)中使用 3D 打印技術(shù)打印等比例骨盆模型確定骨缺損大小，定制個體化的墊塊 ( cage )，取得了良好的臨床效果的病例。Sciberras 等[10]也報(bào)道了 1 例復(fù)雜髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)中利用 3D 打印技術(shù)打印等比例骨盆模型進(jìn)行術(shù)前評估和操作練習(xí)，取得良好臨床效果的病例。

Brown 等[11]在 107 例包括復(fù)雜腕關(guān)節(jié)骨折、髖臼骨折、脊柱骨折等在內(nèi)的復(fù)雜骨折患者的治療過程中使用了3D 打印技術(shù)，取得了良好的臨床效果。Brown 等認(rèn)為 3D打印的模型對內(nèi)固定物，如鋼板、螺釘、克氏針等的植入準(zhǔn)確度起到了提升作用。Bagaria 等[12]在髖臼、跟骨、Hoffa 骨折等復(fù)雜骨折中使用了 3D 打印的等比例模型及導(dǎo)航模板，認(rèn)為此法可以有效縮短手術(shù)時間、減少麻醉藥物用量、減少手術(shù)出血并且有助于實(shí)現(xiàn)更精確的復(fù)位。Bargaria 等認(rèn)為，3D 打印技術(shù)將在近關(guān)節(jié)、脊柱、髖臼、顱面部復(fù)雜骨折的治療過程中發(fā)揮重要作用。Merc 等[13]將 20 例隨機(jī)分為 3D 打印導(dǎo)板導(dǎo)航組和傳統(tǒng)透視組，進(jìn)行腰椎及骶椎椎弓根螺釘植入手術(shù)對照試驗(yàn)。結(jié)果顯示3D 打印導(dǎo)板導(dǎo)航組的穿孔率及螺釘偏移率均明顯低于對照組。

許靖等[14]采集 7 例拇指受傷缺損患者雙手及雙足的CT 掃描數(shù)據(jù)，利用 Mimics 軟件自帶“Mirror”功能生成健側(cè)手的鏡像，得到缺損拇指的三維形態(tài)模型。利用 3D 打印技術(shù)將生成的缺損模型打印出來，制作樣布準(zhǔn)確指導(dǎo)供區(qū)的選擇，取得了良好的臨床效果。Lim 等[15]在通過藥物注射治療扳機(jī)指的患者時，通過 3D 打印技術(shù)設(shè)計(jì)了個體化的雙重功能微針陣列 ( dual-function microneedle array ) 用于匹配不同患者的手指皮膚形狀，從而提高了給藥效果。

綜上所述，3D 打印技術(shù)所制作的模具對骨折分型、手術(shù)設(shè)計(jì)、操作練習(xí)具有積極意義，并且可以用于術(shù)中導(dǎo)航，指導(dǎo)內(nèi)固定物的準(zhǔn)確置入、縮短手術(shù)時間、提高手術(shù)精確性和安全性。但是此種技術(shù)的應(yīng)用會延長術(shù)前準(zhǔn)備的時間，并提高治療費(fèi)用[16]。

2. 個體化外固定及內(nèi)植入物：骨科常用的內(nèi)植入物往往是標(biāo)準(zhǔn)化的，這些標(biāo)準(zhǔn)化的內(nèi)植入物也往往能夠滿足大多數(shù)手術(shù)的需求。但是在特殊的情況下，患者可能很難在標(biāo)準(zhǔn)化內(nèi)植入物中選擇自己合適的大小或形狀。這種情況主要發(fā)生在大范圍骨盆缺損、骨腫瘤等患者身上。3D 打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)個體化的內(nèi)植入物的制作[2]。此外，Qiao等[17-18]也報(bào)道了結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助復(fù)位技術(shù)與三維打印技術(shù)定制外固定架提高復(fù)位準(zhǔn)確性和固定效果的研究。

Saijo 等[19]利用 3D 打印技術(shù)磷酸三鈣粉末等生物活性材料制備成個性化假體，經(jīng)過加工后對 10 例頜面部畸形的患者進(jìn)行了人造骨移植，使得手術(shù)時間減少，且人造骨骼與宿主的骨組織之間未發(fā)生嚴(yán)重的不良反應(yīng)，取得了滿意的臨床效果。戴 戎等[20]利用 3D 打印技術(shù)打印了金屬材料的人工骨盆，并成功完成了人工半骨盆置換，取得了理想的臨床效果，保全了患者的臀部及下肢。裴延軍等[21]利用 3D 打印技術(shù)打印了鈦合金鎖骨及肩胛骨，并成功植入骨腫瘤患者體內(nèi)，效果良好。王燎等[7]認(rèn)為 DDH患者髖關(guān)節(jié)解剖形態(tài)較正常人群變異更加顯著，單側(cè)DDH 患者可以將正常髖關(guān)節(jié)作為參照，實(shí)現(xiàn)髖臼假體的個體化植入。

目前具有生物活性的植入物依然處于研發(fā)階段。但也有動物實(shí)驗(yàn)論證了具有生物活性的植入物是可行的研究方向[22-26]。

3. 臨床教學(xué)：臨床工作中，臨床教學(xué)也是重要的組成部分?，F(xiàn)在輪轉(zhuǎn)住院醫(yī)、規(guī)培醫(yī)師、進(jìn)修醫(yī)師、醫(yī)學(xué)生之間的水平參差不齊，X 線及 CT 等傳統(tǒng)影像學(xué)資料的閱片難度較高，對低年資醫(yī)生而言很難做到全面。三維實(shí)體的模具會病變部位的解剖變化變得簡單明了。同時，3D 打印的模具也可以用做術(shù)前操作練習(xí)。

Ma 等[27]通過尸體研究認(rèn)為使用 3D 打印的導(dǎo)板進(jìn)行椎弓根釘置入術(shù)可以縮短學(xué)習(xí)曲線。Hurson 等[8]也認(rèn)為術(shù)前的 3D 打印模具有助于提高經(jīng)驗(yàn)不足的住院醫(yī)及醫(yī)學(xué)生對患者病情的認(rèn)識。Watson 等[28]通過激光燒成的尼龍制作了多個 3D 打印的肝臟模型，用于肝臟的解剖及影像學(xué)教學(xué)。Watson 等認(rèn)為，3D 模型在對住院醫(yī)和醫(yī)學(xué)生的教學(xué)中取得了良好的效果，這主要是因?yàn)閷?shí)體模型相較于影像學(xué)資料更為直觀，不需要空間想象力，而且動手觸摸比單純觀察更有助于理解學(xué)習(xí)的內(nèi)容。Costello 等[29]評估了利用 3D 打印技術(shù)進(jìn)行室間隔缺損臨床教學(xué)的可行性。結(jié)果顯示利用了 3D 打印模型的教學(xué)使得學(xué)員的知識獲取、知識匯報(bào)和結(jié)構(gòu)概念都有了顯著的提升。

4. 生物打?。篧ilson 等[30]早在 2003 年就提出了細(xì)胞及器官打印的概念：一種在體外構(gòu)造多細(xì)胞三維體系的技術(shù)。這種技術(shù)通過計(jì)算機(jī)精確控制細(xì)胞在三維空間中的排列，使得打印出來的組織具有生物學(xué)功能，并可以在體內(nèi)存活。但是此種技術(shù)目前仍處于發(fā)展初期，罕有臨床使用的報(bào)道。

王燎等[7]認(rèn)為以自身組織為材料，結(jié)合生長因子及支架，設(shè)計(jì)組織工程草圖，就有機(jī)會實(shí)現(xiàn)器官再造，而其中的支架是關(guān)鍵因素。所以生物打印本質(zhì)上是利用 3D 打印技術(shù)來制造復(fù)雜的支架結(jié)構(gòu)。

三、3D 打印技術(shù)面臨的困難

筆者認(rèn)為，3D 打印技術(shù)目前面臨的困難主要包括以下幾個方面：

1. 昂貴的費(fèi)用和時間消耗：3D 模型的設(shè)計(jì)依賴于 CT三維重建圖像等傳統(tǒng)影像學(xué)資料，同時產(chǎn)生額外的設(shè)備維護(hù)費(fèi)用、專業(yè)人員培訓(xùn)費(fèi)用、材料費(fèi)用等。在術(shù)前通過3D 打印技術(shù)完善手術(shù)設(shè)計(jì)和術(shù)中進(jìn)行導(dǎo)航所帶來的手術(shù)效果提升，并不總顯得具有高性價比。對于部分經(jīng)濟(jì)困難的地區(qū)和患者，3D 打印技術(shù)的費(fèi)用往往是難以接受的。同時如現(xiàn)在最常規(guī)的 SLA，打印時間超過 1 天[6]，這意味著術(shù)前準(zhǔn)備的時間大幅延長，對于部分急癥患者顯然是不適用的。

2. 材料限制：目前比較成熟的 3D 打印材料主要為塑料、陶瓷、金屬、樹脂等[6]，這些材料能夠滿足術(shù)前模具制造的需求，但是顯然無法滿足臨床中的各種需求。而較為先進(jìn)的具有生物活性的材料目前還處于研究的初級階段，如快速成型聚乳酸－聚羥乙酸，磷酸三鈣材料就仍然處于動物實(shí)驗(yàn)階段[23]。

3. 精確性依然有待提高：雖然 3D 打印技術(shù)在個體化及制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模型方面有著明顯的優(yōu)勢，但是其精度依然不能滿足所有臨床需求。精確度最高的 SLA 打印層厚為 0.002 mm[6]。

4. 需要專業(yè)的操作人員：3D 打印技術(shù)的應(yīng)用需要具備相應(yīng)的影像學(xué)、解剖學(xué)知識，同時還要學(xué)習(xí) 3D 打印機(jī)及其配套軟件的使用方法。多數(shù)普通醫(yī)院不具備這樣的能力，導(dǎo)致目前 3D 打印技術(shù)很難大規(guī)模普及。

四、未來展望

3D 打印技術(shù)發(fā)展至今，已經(jīng)取得了大量的臨床成果，也仍有廣闊的發(fā)展前景。目前而言，3D 打印技術(shù)在骨科的應(yīng)用主要用于術(shù)前計(jì)劃和術(shù)中導(dǎo)航，而在手外科的應(yīng)用甚少，主要為拇指再造、復(fù)雜的腕關(guān)節(jié)骨折等。但可以推測，3D 打印技術(shù)還可以用于手部先天畸形尤其是單側(cè)的手部先天畸形，如多指畸形、手指偏斜畸形等的截骨矯形治療。在不久的將來，新型的具有生物活性的材料投入臨床使用后，可以預(yù)見 3D 將更廣泛地應(yīng)用于各種原因如創(chuàng)傷、先天畸形、腫瘤等造成的組織缺損的治療之中。

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( 本文編輯：王萌 )

Research progress of application of 3D printing technology in orthopedics and hand surgery

LU Peng, TIAN Wen. Peking University Health Science Center No.4 Clinical Medical School, Beijing, 100035, China

TIAN Wen, Email: wentiansyz@hotmail.com

3D printing technology is a kind of rapid prototyping. With 3D-printers and associated computer programs, required 3D models could be built by plastics, nylon, metals et al. This recently developing technique is widely used in orthopedics and hand surgery fi elds. For example, a 3D-printed model has positive effect on fracture classif i cation, preoperative planning and operation practicing. Intraoperative guidance based on 3D printing technology could guide the accurate placement of internal fixation, shorten the operation time, and improve the accuracy and safety of operation. Additionally, this rapid prototyping technique could be used in designing of internal/external fixation materials, clinical education, and bio-printing. In this review, we introduced the common types of 3D printing technology, gave a detailed description of SLA, FDM, and SLS techniques, summarized the application of this technique in orthopedics and hand surgery fi elds. In addition, def i ciencies were summarized and prospects were analyzed brief l y.

Printing, three-dimensional; Orthopedics; Hand; Surgery, computer-assisted; Bioprinting

10.3969/j.issn.2095-252X.2017.05.006

R687, TS941.26

100035 北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部第四臨床醫(yī)學(xué)院 ( 盧鵬 )；100035 北京積水潭醫(yī)院手外科 ( 田文 )

田文，Email: wentiansyz@hotmail.com

2017-03-28 )