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摘要：骨科醫生主要通過X線片、CT和MR等影像學資料進行病情分析和診斷治療，往往依賴醫生的經驗，且缺乏立體的視觸感。近年來，3d打印技術迅猛發展，其可將患者虛擬的影像迅速轉換成三維實體物件，并且可實現材料結構的個性化定制以及與病變部位的解剖學匹配，已廣泛應用于骨科疾病的診斷、治療和康復。另外，三維組裝細胞和材料的生物打印技術有望實現骨肌組織的再生修復，具有廣闊的應用前景。本文旨在綜述3D技術在骨科應用的前沿研究，總結存在的問題，展望未來。

關鍵詞：骨疾??；綜述；3D打?。粚О澹荒０?；內植物

3D打印技術，又稱增材制造、快速原型技術［1］。20多年前首次提出3D打印時，3D打印被認為價格昂貴且無法實現，難以臨床應用［2］。隨著打印技術和打印墨水的發展成熟，3D打印取得了突破性的進展。目前主要的3D打印成型原理包括：激光燒結、熔融沉積成型、光固化成型、選區熔化、生物打印等［3-4］。材料墨水是3D打印技術的核心之一，應用較多的有金屬、陶瓷、聚合物、天然材料甚至細胞等［4-6］。3D打印技術可以自動、快速、直接地將計算機中的三維設計轉化為實物模型，具有個性化精準定制、復雜制造、節省材料、減少制造時長等優點［7］。近年來，隨著醫學數字成像技術和圖像處理技術的提高，3D打印技術可通過分析患者的影像學資料（CT/MRI）進行三維建模，設計處理后獲得3D模型，導入打印機獲得相關產品［8］，目前已廣泛應用于臨床，尤其是在骨科領域［9-10］。全球幾大著名骨科器械制造商陸續推出了3D打印產品，市場規模迅猛增長。目前在骨科領域主要應用包括：（1）打印實物模型。（2）打印手術導向模板。（3）打印內植物和假體。（4）打印骨科康復器械。（5）骨肌組織工程。本文從上述5個方面就3D打印技術在骨科應用的前沿做一綜述。

1制作術前實物模型骨科疾病制定手術方案

一般通過分析X線片、CT、MRI等影像學檢查結果來了解患者解剖結構，通常獲得的是二維信息，缺乏立體的視觸感。將CT掃描數據重建成3D模型，然后輸入3D打印機制作1∶1實物模型，可更直觀形象地顯示患者特定的病變情況，進行病狀重現，幫助醫生與患者及家屬交流，為患者和醫生提供觸覺與視覺上的體驗；并且打印的病例模型可用于術前演練和方案制定，實現個性化、精準醫療模式，應用前景廣闊。目前3D打印模型在復雜的骨折、脊柱畸形、骨腫瘤等疾病方面應用較多。Xiao等［11］報道了5例頸部惡性骨腫瘤的患者在3D打印模型輔助下行一期頸椎后前聯合入路腫瘤整塊切除手術治療的安全可行性，認為術前3D打印實物模型可以更好地了解腫瘤范圍、形態及與周圍結構之間的關系，有助于規劃手術過程。Wu等［12］報道了9例陳舊性骨盆骨折患者的資料，根據術前CT掃描打印患者個性化骨盆骨折模型，用克氏針在模型上模擬骨折截骨、復位、固定方案，有助于手術醫生了解復雜骨盆骨折畸形變化，制定手術方案，通過仿真模擬手術了解手術方案的可行性，縮短手術時間，改善骨折復位和固定，提高患者的手術效果。為指導、規范3D打印骨科模型在臨床的應用，2017年中華醫學會制定了3D打印骨科模型技術標準專家共識［13］，明確指出了模型制備的流程、要求、質控環節和技術規范，以確保3D打印骨科模型的生物安全性與臨床應用效果，為臨床醫生提供技術指導。這是我國3D打印在骨科應用中的首個規范和標準，也預示著對3D打印相關產品的重視。

2打印手術導向模板

傳統的骨科手術螺釘置入、截骨過程中，為了確保準確性和避免損傷周圍神經、血管、器官等重要結構，往往需要依賴術者的經驗以及術中多次透視螺釘位置，造成手術時間長、螺釘松動失效的風險。3D打印手術可以基于患者術前CT資料進行三維重建，確定手術進針點、方向和深度，設計個性化的手術導板，術中按導板方向直接置釘，可大大簡化手術操作，提高手術精度和效率。劉毅等［14］回顧性分析了5例采用3D打印導板技術輔助骨盆骶髂關節螺釘置入的患者資料，結果顯示其可簡化傳統的置釘程序，具有微創、減少射線暴露、療效確切的優勢。上頸椎手術螺釘置入過程難度較高、風險較大，可能損傷椎動脈、脊髓和神經等，Sugawara等［15］利用3D打印技術個性化設計并制備了C1側塊螺釘、C2椎弓根螺釘、C2椎板螺釘導板，為12例患者共置入48枚螺釘，術中置釘過程順利；與術前計劃的螺釘軌跡相比，平均偏離距離只有（0.70±0.42）mm，提高了手術效率、減少了射線暴露時間。目前3D打印手術導板已廣泛用于輔助脊柱、關節、復雜骨折的置釘過程，可顯著提高手術精度和效率。

3打印內植物和假體

創傷、腫瘤、炎癥、退變等疾病引起的骨、軟骨組織缺損、畸形常需要假體或者骨移植進行修復重建。傳統的內植物通常是工廠按流程批量生產的通用假體，型號和樣式難以滿足所有患者需求，尤其是對于行腫瘤切除和矯形手術者，而骨移植則會發生骨吸收和供區相關并發癥。3D打印技術可實現個性化定制內植物，能夠更準確地適應病變缺損部位。Wang等［16］采用個性化設計的3D打印假體對11例因髖臼惡性腫瘤行整塊切除術后進行重建，術后患者功能恢復較好，無嚴重并發癥。Mobbs等［17］報道了1例因先天性腰5半椎體導致的節段性后凸畸形，出現腰痛及下肢癥狀，嚴重影響工作和生活，由于傳統的市售假體無法提供患者解剖結構支撐，因此采用3D打印技術個性化設計并制備所需結構的鈦合金假體，避免了取肋骨或者髂骨移植及術中將其修整為所需形狀的過程，縮短了手術時間，降低了手術復雜程度；術后隨訪12個月顯示骨性融合，無內植物相關并發癥。更重要的是，3D打印可制備具有高度連通的三維多孔結構，模擬天然骨小梁微觀結構，促進細胞與假體融合，骨組織替代，并且改善假體與骨界面的整合，延長內植物使用壽命。這是傳統實心內植物所無法實現的。Wei等［18］報道了1例62歲復發性骶骨脊索瘤患者行后路一期整塊骶骨腫瘤切除術，根據患者術前CT資料定制3D打印的骶骨假體并進行重建，3D打印假體的多孔結構可以誘導骨生長，增強穩定性，術后1年患者可短距離行走，無疼痛和失穩癥狀。美國史塞克公司采用AMagine3D打印技術制備的新型鈦合金腰椎椎間融合器獲得了美國食品及藥物管理局（FDA）的批準，該椎間融合器為三維多孔鈦合金材料，有利于骨細胞的生長和遷移，促進骨組織與假體的融合。目前美國FDA已經批準了市場上可用的100多件3D打印產品。截止目前國內僅有4款產品獲得了國家食品藥品監督管理總局（CFDA）批準使用，分別是3D打印人工髖關節（髖臼杯）、人工椎體、椎間融合器、硬腦（脊）膜補片，其中3款是骨科內植物。2015年7月，由北京大學第三醫院劉忠軍團隊和北京愛康醫療合作研制的3D打印人工髖關節（髖臼杯）獲得了CFDA的注冊批準，是我國首個3D打印內植物，具有里程碑意義［19］。2016年，劉忠軍團隊另一個3D打印產品，全球首個3D打印人工椎體獲CFDA批準，標志著我國在3D打印植入物領域居世界領先水平。為了滿足和監管日益增加的3D打印產品需求和應用，2017年12月美國FDA了3D打印醫療產品技術指導意見，為制造商開發3D打印產品提供全面的技術建議和要求［20］，這將有利于FDA進一步制定3D打印監管框架和政策，促進基于3D打印技術的醫療產品安全有效發展。目前國內尚無關于3D打印醫療產品技術指南。

4打印骨科康復器械

傳統方法制備的骨科康復器具很難滿足患者個體化的需求，影響佩戴的舒適度甚至康復效果。3D打印技術可實現不同年齡、不同身高、不同尺寸康復器的個性化定制，并精確模擬解剖結構，更貼合人體，尤其是對于兒童患者因生長導致的頻繁更換康復器具［21］。美國國家增材制造創新研究所（AmericaMakes）開發了一種增材制造設計的數字化流程，用來實現足踝矯形器個性化制造；該方法可明顯縮短矯形器制造時間，精確地復制患者踝關節和腳部解剖結構，并可優化材料強度和彈性，避免了傳統的石膏矯形器手工制作方法周期長、解剖差異大的問題。該團隊將首先應用3D打印的矯形器和假肢為美國退伍軍人服務。慕尼黑大學醫院的Mecuris開發了一款名為nexStep的3D打印假肢，其具有優越的強度和韌性，患者使用時間可超過3年，目前已獲得歐盟安全認證（CE），并在市面上出售。個性化假肢和矯形器制造商UNYQ采用3D打印技術個性化制造了一款脊柱側彎矯形器，具有輕便、透氣的優點；并在矯形器上配置安裝傳感器，可跟蹤在穿戴者身上檢測壓力變化情況，根據反饋情況進行調整，為脊柱提供有效的矯形。另外還可打印個性化的骨折固定夾板，其多孔結構設計可兼得足夠的力學強度和優越的透氣性能，實現骨折的高度匹配固定；3D打印矯形鞋墊可個性化定制腳部形狀、受力情況來調節不同部位的材料厚度、軟硬程度等，解決腳部疼痛患者的困擾。由此可見，3D打印數字化制造的康復器具可大大提高設計的自由度和制造的靈活性，并精確復制患者解剖結構，增強了舒適性和安全性，應用前景廣闊。

5骨科組織工程中的應用

3D打印的導板、內植物等局限于物理性的填充和修補，未能實現組織再生和功能恢復。而3D打印在骨科另外一個非常重要的應用是構建組織工程支架，屬于組織工程再生醫學領域，有望實現骨肌組織的再生修復。3D打印技術可采用聚合物材料、生物陶瓷、天然材料等生物活性材料，輕松實現復雜組織超微結構的仿生構建，并且可控制支架材料的力學性能、降解性能和內部結構（孔徑、孔隙率、連通度），為細胞提供合適的生長微環境，促進細胞生長、血管化，最終促進骨肌組織構建，已廣泛應用于骨、軟骨、神經、肌腱、椎間盤的再生修復［22］。目前3D打印技術可做到單獨打印支架材料、單獨打印細胞、細胞和材料共同打印。北京大學敖英芳團隊以絲素蛋白和明膠材料為墨水，采用3D打印技術構建仿生軟骨支架，并對支架進行骨髓間充質干細胞（BMSCs）特異性趨化肽功能修飾，可募集動員體內的干細胞參與修復兔關節軟骨損傷，取得了較好的結果［23］。日本的Yurie等［24］以人類纖維細胞為墨水，打印無支架材料的神經微導管，可以促進大鼠坐骨神經缺損的再生。在細胞和材料共同打印方面，以日本Regenova3D生物打印機為代表的3D打印技術可將細胞和生物材料復合作為生物打印墨水，實現支架材料和種子細胞的精確共沉積。國內Zhai等［25］搭建了一種雙通道、常溫成型的3D打印系統，可雙通道交替打印高強度水凝膠/納米硅鎂鹽復合材料和透明質酸包裹的成骨細胞，一步完成構建帶有活細胞的人工骨組織，并通過控釋骨修復活性離子（鎂、硅）促進細胞分化，進而促進大鼠脛骨缺損的修復新生。不足的是，3D打印在骨肌組織工程中主要應用于基礎和動物實驗研究，臨床應用仍有較大距離。

6瓶頸和未來

3D打印在骨科領域的應用仍處于起步階段，存在一些問題：缺乏大樣本和長時間隨訪數據；臨床植入材料要求較高，合適材料的選擇仍是限制因素；打印效率慢，耗時長，難以滿足應激情況；人體組織器官極其復雜，打印精度仍需提高；仍局限于修補、填充、重建等，未能實現組織的功能恢復；尚無健全的法律法規來明確監管個性化3D打印產品及應用。未來關于3D打印金屬植入物的研發和應用前景較樂觀，選擇更符合人體相容性、力學性能和可生物降解性的材料墨汁是研究方向。三維組裝活細胞和材料的生物打印技術，構建具有生物功能的組織和器官是研究熱點，打印具有感知外界刺激效應的康復器具需進一步突破。相信在不久的將來，隨著技術的不斷成熟和需求量的增加，必將會推動政策法規的完善，來保護和支持3D打印技術的發展和探索。同時，隨著“精準醫療計劃”的邁進，3D打印個性化定制必將扮演重要的角色，實現新的飛躍。

作者：李慧英1；杜立龍2