张敬东，　侯明晓

沈阳军区总医院 骨科 全军重症战创伤救治中心 数字化实验室，辽宁 沈阳　110016



·3D打印技术·

新的“克隆技术”：3D打印技术骨科时代的到来

张敬东，侯明晓

沈阳军区总医院 骨科 全军重症战创伤救治中心 数字化实验室，辽宁 沈阳110016

3D打印；关节外科；脊柱外科；创伤骨科；组织工程

3D printing;Articular surgery;Spine surgery;Traumatic orthopedics;Tissue engineering

3D打印技术又称快速成型(rapid prototyping,RP)技术，首先利用X线、CT或MRI等数字化设备对现有实物进行扫描和测量，并获得数据；然后，应用Mimics等计算机辅助设计(computer aided design,CAD)软件对数据进行处理和编辑；最终，将数据输入3D打印机完成打印，将虚拟的数字符号变成触手可及的现实物体。该技术最先在航空航天、汽车工业和模具制造业等领域得到了广泛的应用，并获得成功。随着该技术的不断成熟与完善，加之医学图像处理技术的迅猛发展，20世纪80年代中期，3D打印技术率先在颅颌面外科、整形外科应用，并取得成功[1]。近年来，3D打印技术在临床医学领域逐渐被重视和推广，骨科医师惊喜地发现应用该技术可以使疾病“触手可及”，将其“玩弄于股掌之中”，其个体化和精确化的诊治是以往任何手术技术和设备都无法比拟的[2]，彻底改写传统手术的治疗方式。医学发展日新月异，知识庞杂，寥寥数字亦无法详尽阐明，现就该技术目前在骨科领域的应用现状作一概述，以期提纲挈领、抛砖引玉。

1　3D打印技术下的人工关节置换术

3D打印技术在关节外科领域主要应用于严重关节畸形的髋膝关节置换手术。对于髋关节疾病而言，发育性髋关节脱位(developmental dislocation of hip，DDH)属发育畸形类，其髋臼浅平、股骨颈前倾角大、股骨干近端髓腔狭窄，相对其他疾病而言有其特殊，特别是解剖结构显著异常，手术难度更大、风险更高。尽管三维CT已经普及，但即使是手术经验十分丰富的骨科医师，仍很难在术前就准确判断出假体的型号、术中磨锉的深度、假体的最佳位置。笔者在实际工作中也曾遇到，假体的几何形态和尺寸与患者的解剖结构并不匹配，这时也只能是根据假体形态来改造患者与假体对应的解剖结构，以保证完成手术。这往往使术者捉襟见肘，尴尬收场。有鉴于此，已有研究借助3D打印技术对严重畸形的髋关节进行计算机辅助设计,打印出“量身定制”的关节解剖模型，以清晰、立体地展现髋关节病变模型，并可在模型上进行术前手术模拟。Zhang等[3]对22例先天性髋关节发育不良患者行CT扫描，随机纳入常规手术组及导板组，导板组术前通过Mimics软件重建模型，确定个体化置入角度；采用Imageware软件设计导板，并用3D 打印技术打印出导板实体，术中指导臼杯置入角度。术后行CT测量发现，导板组置入前倾角和外展角的误差显著优于常规手术组。

3D打印导板/模板的另一个重要成功应用是在全膝关节置换术(total knee arthroplasty，TKA)中，并取得了满意的疗效。已经证实，下肢力线和假体旋转轴线的准确定位是评价膝关节置换手术成败的重要指标[4-5]。然而，目前传统的手术方法只是凭借医师的手术经验和统一的截骨模块进行定位和截骨，受主观概念影响较大。这种定位方法的可靠性和精确性对畸形严重的患者往往会出现偏差。而且术中需要髓腔内定位，增加了感染和脂肪栓塞的风险[6-7]。近年来，个体化导航模板在辅助TKA截骨方面进行了实验研究，并已成功在临床工作中开展应用。邱冰等[8]采用3D打印技术制造个性化手术导航模板，对8例患者进行全膝关节置换，能够准确重构出患者下肢骨骼三维模型，并精确定位包括下肢力线、股骨旋转轴等在内的下肢相关轴线及截骨参考点。结果显示，该导航模板和股骨髁与胫骨平台骨性解剖结构贴合紧密,无明显移动，术后患者下肢力线偏差<3°。Heyse等[9]对94例患者临床资料进行研究，发现导航模板组在下肢机械轴线偏差和股骨假体旋转轴线定位方面更有优势，Boonen等[10]的研究也得出了相似结论。

此外，上海交通大学医学院附属第九人民医院已着手于用3D打印技术制造个体化半骨盆假体，理论上该假体可最大限度保留骨量，从而增加长期稳定性。国外曾有报道将3D打印技术用于关节置换术后的翻修术，尤其是骨缺损者[11]。Li等[12]在髋关节翻修术中采用3D 打印技术打印等比例骨盆模型，确定髋臼周围骨缺损大小，辅助定制个性化Cage，保证Cage与宿主骨的有效接触，提供有效支撑，取得良好效果。

2　3D打印技术下的脊柱外科

与人工关节置换类似，3D打印技术可以辅助椎弓根螺钉的置入。椎弓根螺钉置入是脊柱外科手术中最常用的内固定方法，脊柱椎弓根毗邻脊髓、神经、椎动脉等重要解剖结构，置钉要求准确性高，螺钉位置不当可导致内固定稳定性下降，甚至造成脊髓、神经或椎动脉损伤。特别是脊柱畸形严重，如严重侧弯畸形或发育畸形者，置钉更加困难。研究表明，使用3D打印的钉道模板可明显提高置钉的准确率，与传统置钉方法比较，具有缩短手术时间、减少手术出血、降低手术并发症的优势[13]。

3D打印技术也为脊柱肿瘤诊治开创了新时代。脊柱模型能清楚地观察脊柱肿瘤的大小、形态，与椎体、脊髓和神经根的位置关系，明确手术需要切除范围，制定手术方案。2014年，北京大学第三医院骨科刘忠军团队在全球首次应用3D打印人工定制枢椎作为脊椎外科内置物，进行脊椎肿瘤治疗后的稳定性重建。Madrazo等[14]报道使用3D打印技术为2例患者制作的脊柱模型，更直观地了解神经根和脊髓压迫症状的器质性病变，对疾病诊断、术前规划和手术模拟有着重要意义。

3　3D打印技术下的创伤骨科

3D打印技术在创伤骨科中的应用主要是不规则骨(如骨盆、髋臼、肩胛骨等)，由于不规则骨需要在三维结构上才能显露全貌，二维图像很难将骨折完全呈现在医师面前，对于经验尚不丰富、空间构象能力不足的医师更具挑战性。而采用3D打印技术还原骨折的原貌恰巧解决了这一问题，使术者在术前对骨折有详细和全面的了解，对于骨折的分型、手术入路的选择、复位的方法以及内固定器械的选择都具有重要的指导意义，同时提高了诊治的精确性。医师术前即可在模型上进行手术演练，甚至是反复多次的演练，便可使得整个手术过程游刃有余，医师“少走弯路”，缩短手术时间，减少术中出血和副损伤，手术操作的安全性大大提高，从而减少手术相关并发症[15-16]。Bagaria等[17]应用导航模板治疗4例复杂骨折，结果显示，导航模板有助于术中骨折复位并缩短手术时间、提高手术疗效。Frame等[18]认为，3D打印技术较传统影像评估可显著提高诊治的重复性，尤其是经验相对不足的住院医师。因此，大多数临床医师推荐在关节周围骨折、骨盆和髋臼骨折中使用3D打印技术，可制定个体化手术方案，同时精确地完成手术，值得临床推广应用。

4　3D打印技术下的组织工程

组织工程学涉及临床医学、生物工程、细胞生物学、生物材料学、分子生物学等一系列学科间的相互交叉与融合，其研究过程主要是在体内或体外生成可替代性的组织和器官，从而达到修复受损组织和器官的目的。近年来，研究者将3D打印技术与组织工程学结合起来，做出了许多新的探索和尝试，希望利用3D打印技术进行组织和器官的“克隆”。Yao等[19]基于CT和3D扫描数据，用复合粉末PCL-HA制造了3D复合骨支架，该支架为目前使用的同种异基因骨移植颗粒提供了更多的选择。Lan等[20]利用3D打印技术制备的PPF/DEF支架作为骨细胞培养底物，有良好的成骨细胞响应，进一步将磷灰石应用于该三维支架从而制成了仿生磷灰石涂层。

在骨组织工程方面，钙磷酸盐(如α-TCP、β-TCP)早已用作支架材料的主要成分，这方面的研究已比较深入和全面。目前，研究者正着手用磷酸钙作为3D打印技术的打印材料，制备骨组织支架。Khalyfa等[21]用3D打印技术研发了一种新型磷酸钙粉末粘结剂，经体外相容性研究证实，该粘结剂可作为陶瓷人工骨替代物和骨组织工程的支架材料。Leukers等[22]利用3D打印技术，采用羟基磷灰石颗粒制备了内部有复杂结构和高分辨率的多孔陶瓷支架。

目前，3D 打印技术应用于组织工程学和医疗领域方面，取得了惊人的研究进展。然而，3D打印技术在这些领域仍处于初始阶段，实现3D打印技术在临床的应用仍面临很多挑战和问题。

5　问题与展望

在3D打印技术取得举世瞩目成绩的同时也应该注意到，现有研究或报道缺乏大样本、多中心、前瞻性的随机对照研究，由于是新兴技术，也鲜有长期随访结果，其有效性和安全性尚需进一步证实。同时，个体化生产作为3D打印技术的显著优势和重点应用范围，目前仍受制度和相关法律的限制，其应用于人体和临床的准入制度仍需相关部门进一步完善，目前也仅是在小范围、个别患者中开展，尚未普遍开展并形成产业规模。随着我国生物材料和数字技术的发展，3D打印技术将会被更多的医师和患者接受，利用3D打印技术“克隆”出有生命信息的活体组织，从而正式应用于临床。因此，3D 打印技术将成为未来骨科发展趋势，为医学临床提供更多的方便，具有广阔的应用前景。

[1]Mavili ME,Canter HI,Saglam-Aydinatay B,et al.Use of three-dimensional medical modeling methods for precise planning of orthognathic surgery[J].J Craniofac Surg,2007,18(4):740-747.

[2]王燎,戴魁戎.骨科个体化治疗与3D打印技术[J].医用生物力学,2014,29(3):193-199.

[3]Zhang YZ,Lu S,Yang Y,et al.Design and primary application of computer-assisted,patient-specific navigational templates in metal-on-metal hip resurfacing arthroplasty[J].J Arthroplasty,2011,26(7):1083-1087.

[4]汪锡龙,尚希福,李国远,等.个体化股骨远端外翻角度截骨技术在初次人工全膝关节置换术中的应用[J].中国修复重建外科杂志,2015,29(1):27-30.

[5]Knshnan S,Dawood A,Richards R,et al.A review of rapid prototyped surgical guides for patient-specific total knee replacement[J].J Bone Joint Surg,2012,94(11):1457-1461.

[6]Lustig S,Scholes CJ,Oussedik SI,et a1.Unsatisfactory accuracy as determined by computer navigati on of VISIONAIRE patient-specific instrumentation for total knee arthroplasty[J].J Arthroplasty,2013,28(3):469-473.

[7]Viclor J,Dujardin J,Vandenneucker H,et a1.Patient-Specific Guides Do Not Improve Accuracy in Total Knee Arthroplasty[J].Clin Orthop Relat Res,2014,472(1):263-271.

[8]邱冰,张明娇,唐本森,等.基3D打印个性化手术导航模板辅助下的人工全膝关节置换[J].中国组织工程研究,2015,19(48):7731-7735.

[9]Heyse TJ,Tibesku CO.Improved femoral component rotation in TKA using patient-specific instrumentation[J].Knee,2014,21(1):268-271.

[10]Boonen B,Schotanus MG,Kort NP.Preliinary experience with the patient-specific templating total knee arthroplasty[J].Acta Orthop,2012,83(4):387-393.

[11]Muirhead-Allwood S,Sandiford NA,Skinnner JA,et al.Uncemented computer-assisted design-computer-assisted manfacture femoral components in revision total hip replacement:A minimum follow-up of ten years[J].J Bone JiontSurg Br,2010,92(10):1370-1375.

[12]Li H,Wang L,Mao Y,et al.Revision of complex acetabular defects using cages with the aid of rapid prototyping[J].J Arthroplasty,2013,28(10):1770-1775.

[13]Wu ZX,Huang LY,Sang HX,et a1.Accuracy and safety assessment of pediclescrew placement using the rapid prototyping technique in severe congenital scotiosis[J].J Spinal Disord Tech,2011,24(7):444-450.

[14]Madrazo I,Zamorano C,Magallon E,et a1.Stereolilhography in spine pathology:a 2 case report[J].Surg Neutol,2009,72(3):272-275.

[15]Starosolski ZA,Kan JH,Rosenfeld SD,et a1.Application of 3-D printing(rapid prototyping)for creating physical models of pediatric orthopedic disorders[J].J Pediatr Radiol,2014,44(2):216-221.

[16] 张大伟,田越,李杰,等.快速成型机在骨盆骨折治疗中的应用[J].生物医学工程与临床,2012,16(6):570-573.

[17]Bagaria V,Deshpande S,Rasalkar DD,et a1.Use of rapid prototyping and three-dimensional reconstruction modeling in the management of complex fractures[J].Eur J Radiol,2011,80(3):814-820.

[18]Frame M,Huntley JS.Rapid prototyping in orthopaedicsurgery:a users guide[J].Sci World J,2012,2012:838575.

[19]Yao QQ,Wei B,Guo Y,et al.Design,construction and mechanical testing of digital 3D anatomical data-based PCL-HA bone tissue engineering scaf fold[J].J Mater Sci Mater Med,2015,26(1):51-59.

[20]Lan PX,Lee JW,Seol YJ,et al.Development of 3D PPF/DEF scaf folds using micro-stereolithography and surface modification[J].J Mater Sci Mater Med,2009,20(1):27l-279.

[21]Khalyfa A,Vogt S,Weisser J,et a1.Development of a new Calcium phosphate powder-binder system for the 3D printing of patient specific implants[J].J Mater Sci Mater Med,2007,18(5):909-916.

[22]Leukers B,Gulkan H,Irsen SH,et a1.Hydroxyapatite scaf folds for bone tissue engineering made by 3D printing[J].J Mater Sci Mater Med,2005,16(12):1121-1124.

张敬东(1970-)，男，吉林长岭人，主任医师，博士

侯明晓，E-mail：houmingxiao188@163.com

2095-5561(2016)05-0257-03

R68

A

∶10.16048/j.issn.2095-5561.2016.05.01

2016-09-13