3D打印技术在关节外科领域应用研究进展

来源：中国骨与关节损伤杂志
作者：广东医科大学附属医院骨科中心   林涛

△FDM 3D打印技术原理（非原文配图）

3D打印技术是一种以数字模型文件为基础，将粉末状金属、工程材料、生物材料等可粘合材料通过逐层打印的方式来构造三维物体的技术。3D打印技术主要包括立体光刻成型（SLA）、选择性激光烧结（SLS）、熔融沉积成型（FDM）、喷墨打印技术等。得益于数字建模技术、数控技术、信息技术、材料科学、组织工程技术等前沿技术的迅猛发展以及多学科的深度融合，3D打印技术得到迅猛发展并广泛应用于众多民生领域。3D打印技术已经不断地被拓展应用到医疗领域的各个方面，其中骨科3D打印技术充分融合了数字医学的精准、微创和个性化元素，为骨科疾病的精准治疗提供了有力的帮助。随着打印设备和打印材料的不断革新，针对患者个体化骨关节疾病的修复重建置入物也有望实现“私人订制”。3D打印技术在关节外科的各种创新应用不断涌现，显著推动了人工关节置换术的临床治疗效果。笔者就3D打印技术在关节外科领域的研究进展进行综述，报道如下。

3D打印技术成型原理及材料应用

3D打印技术首先需要通过计算机辅助设计（CAD）或逆向工程技术（RE）获得数字化模型，再利用相应的快速成型设备将特定的材料逐层堆积成三维实体。逆向工程技术是最常见的数字模型构建方式之一，主要利用数字化设备对实体进行扫描和测量，进而通过逆向工程软件对点云数据进行处理和封装，最终获得相应对象的立体光刻（STL）数字模型。下一步，3D打印将虚拟的三维模型输入3D打印机进行分层制造，再通过SLA、SLS和FDM等成形工艺精确堆积材料，逐层打印，最终获得与打印模型相同的1∶1实物。目前3D打印的材料主要包括金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料、生物材料等。常见的金属材料如钛合金、镍合金、钴铬合金等，具有高强度、耐腐蚀、生物相容性等优点，被广泛应用于航天航空、汽车工业、生物医学领域；无机非金属材料如陶瓷、玻璃等，其耐压强度高、硬度大、耐高温，被大量应用于建筑、国防、医学领域；有机高分子材料如ABS树脂、光敏树脂、尼龙、聚醚醚酮等，这些材料成型速度快、密度小、绝缘性好，可用于模具注塑、建筑和医疗等行业。生物材料如丝素蛋白、细胞、水凝胶等，为生物医疗领域的人体组织器官修复置入材料的研发注入新元素，推动了3D打印技术在生物医学领域的发展。

3D打印模型在关节置换术前宣教中的应用

髋关节和膝关节具有较大的活动范围且能够在活动过程中维持关节的稳定，这主要得益于其周围复杂的稳定结构。髋膝关节周围除了神经、大血管外，以肌肉群为代表的动力性稳定结构和以韧带为代表的静力性稳定结构在关节周围附着，分别行使不同的功能，相关解剖也较为复杂，这就要求外科医师在手术入路的选择和操作过程中必须尽可能地保护上述稳定结构的完整性。过去依靠传统的解剖教学手段，骨科医师对不同的关节外科入路会产生不同的理解层次，使得手术团队成员之间在手术操作过程中不可避免地存在着认知度和信息的差异。在关节外科领域应用3D打印技术进行术前规划具有更为显著的优势，有别于影像阅片和正常标本观察，3D打印模型给医师还原了一个更加直观的、可触摸的1∶1个体化病变模型，有利于低年资医师加深对患者病情的认识，对手术方案设计、术中操作细节沟通也具有重要意义。同时病变模型及术前的操作演示也有助于手术团队在体外完成手术预操作并有针对性地提出其中存在的风险和相应预案，使得术前的器械准备更加充分和全面，确保手术顺利进行。Fritz等将股骨远端和髌骨的3D打印解剖模型与传统的X线片和CT进行比较，发现三维模型可大幅提高低年资医师的诊断水平。舒诗军等利用3D打印技术制造出囊括解剖动、静脉血管的骨盆骨折个体化模型，并根据模型讨论最终手术方案，结果发现3D打印组手术时间、术中出血量、输血量明显低于常规手术组。刘永征等采用3D打印技术辅助复杂髋部疾病全髋关节置换术，发现应用3D打印技术能明显缩短手术时间，减少术中出血量，降低并发症发生率。3D打印模型还可以让患者充分了解自身病情，同时也有助于医师更直观地向患者讲解手术方式、术中及术后并发症等内容，这在一定程度上提高患者对疾病治愈信心及对医疗服务的满意度。

3D打印个性化辅助器械在关节外科手术中的应用

传统骨科手术中螺钉置入、截骨过程时为了确保准确性和避免损伤周围神经、血管、器官等重要结构，往往需要依赖术者的经验及术中多次透视螺钉位置，导致手术时间过长，并且螺钉存在松动失效的风险。3D打印截骨导板基于患者术前CT资料进行三维重建，确定术中螺钉置钉点、方向和深度，设计个性化的手术导板，术中按导板方向直接置钉可简化手术操作，同时提高手术精度和效率。Zhang等采用3D打印截骨导板辅助手术矫正肘内翻畸形，发现3D打印组的个体化截骨导板均能与肱骨远端紧密附着，一次性截骨均成功，手术效率高，术中出血量少，手术切口小；截骨导板的设计整体呈楔形，并装有克氏针导孔固定导板，防止术中滑脱造成偏移。

陈国仙等利用3D打印技术设计并打印出截骨导航模板，用于辅助胫骨高位截骨术治疗膝内翻畸形骨性关节炎，结果表明3D打印截骨导板可减少术中透视和截骨次数，手术时间短，创伤小，无并发症发生。传统关节置换术主要依靠主刀医师的经验来设计假体置入的位置和角度，对主刀医师的技术要求高，特别是对于复杂患者，术中解剖定位信息和操作精度常常难以把握。3D打印个体化辅助手术器械能够根据患者术前的影像学资料进行个性化定制，能帮助术者从容面对复杂病例存在的解剖畸形，进而准确重建患者肢体功能。Sun等设计了3D打印专用髓内导向器，分别为患者施行3D打印个体化辅助全膝关节置换术和常规全膝关节置换术，术后发现3D打印个体化组的髓内引导深度小，髌骨运动轨迹更好，可以实现更好的对线和更高的假体置入精度。张元智等利用计算机辅助确定下肢机械轴线及髓内定位通道，并打印出导航模板用于全膝关节置换术，结果发现导航模板组手术操作更加作简便，手术时间明显缩短，假体安放精确度高。王跃辉等采用3D打印髋关节旋转中心定位器来辅助全髋关节置换术，术后发现患侧髋关节旋转中心与健侧解剖旋转中心相符合，假体位置准确，无异位骨化形成。

3D打印人工关节假体的临床应用

当面对复杂关节骨折、翻修手术或因骨肿瘤引起骨组织严重缺损时，由于传统标准化假体采用的是规格化设计，往往会出现现有规格系列均无法良好匹配宿主骨的问题，从而导致术后假体松动过早发生。3D打印技术可结合患者自身的影像学数据设计出与其相对应解剖或骨组织缺损部分相匹配且高精度的个性化假体。目前3D打印个性化设计假体在骨科临床上已得到广泛应用。付军等应用3D打印钛合金假体复合带血管蒂腓骨及生物陶瓷为5例下肢肿瘤切除后长节段骨缺损患者进行修复重建，而重建所用的假体均为个性化定制，术后短期随访未见肿瘤复发及肺转移，骨与软组织肿瘤协会MSTS评分为17~26分，而影像学检查显示假体与患者周围骨组织嵌合度良好。Wang等为26例髋臼周围恶性肿瘤患者设计了一系列3D打印定制多孔结构的一体化半骨盆假体，术后均无深部感染、假体脱位、假体断裂、假体无菌性松动或局部复发。裴延军等设计并3D打印出个性化假体用于重建下肢恶性骨肿瘤切除后的大段骨缺损，有限元分析显示假体整体应力在材料的强度范围之内，并且与宿主骨组织匹配良好，MSTS评分良好，无并发症发生，疗效满意。在假体生存率方面，传统假体与周围骨组织的界面结合强度不足，常常出现假体早期松动而失效，而3D打印技术能够制造出直径150~500μm的微孔表面和高孔隙率关节假体，形成的粗糙表面容易吸附大分子并影响骨细胞的增殖、黏附和成骨，促进骨组织长入，从而获得长期稳定性。Wauthle等采用大鼠股骨原位负荷性骨缺损模型评价平均孔径为500μm、孔隙率为80%的3D打印多孔钽假体在体内的骨长入性能，12周即可观察到微孔表面大量骨生长，置入体-骨界面连接牢固，功能良好。苏可欣等通过3D打印技术制备出孔径400μm、孔隙率为70%的多孔钽置入体用于修复大白兔双侧股骨外髁处的骨缺损，8周后置入体-骨界面的新生骨组织逐渐增加，出现新生骨小梁并向材料孔隙内生长，结果表明3D打印多孔钽具备优良的骨长入性能。

生物3D打印在骨关节损伤修复重建中的应用

尽管医用合金材料人工关节假体的发展为四肢骨关节损伤的治疗提供了有效的功能重建方案，然而假体的寿命和固有的材料特性使患者的肢体功能难以恢复最自然和稳定的状态。近年来生物材料的快速发展为骨关节损伤的自然修复重建提供了新的手段。目前临床上用于重建骨与关节软骨缺损的技术方法尚未取得突破性进展，为此国内外许多学者开始着眼于细胞和生物材料层面的生物3D打印技术研究，充分结合组织工程技术，以期通过耦合活体细胞（种子）和细胞外基质（含生长因子）制造出新型“生物活性墨水”，以逐层沉积工艺最终实现对骨和软骨等高度复杂组织的3D打印制造，从而解决组织移植重建的生物活性问题。现阶段的生物3D打印技术已经能够利用生物粘合剂构建关节软骨、半月板、椎间盘、耳廓等类软骨组织三维支架模型，然而在该支架中构建含软骨细胞的软骨组织仍存在一些挑战。张彬等采用低温沉积3D打印技术制备聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）支架，并结合脱细胞关节软骨细胞外基质（DACECM）制备PLGA/DACECM软骨组织工程支架，其在电子显微镜下观察到大量的软骨细胞在PLGA/DACECM取向支架和DACECM取向支架上黏附生长。沈师等采用三维打印低温沉积技术制备聚己内酯/Ⅰ型胶原组织工程半月板支架（PCL/COL-Ⅰ半月板支架），相比于原始的聚己内酯半月板支架，细胞在PCL/COL-Ⅰ半月板支架上附着的细胞数量更多。由于关节软骨、半月板、椎间盘在体内受到生理载荷，相应的组织工程结构需要一定的力学强度，这就要求支架应具备理想的力学特性以保证支架内细胞的存活率和组织的本体稳定性。目前解决这个问题的方法是从3D打印工艺和材料两方面入手，使粘合材料的连接强度和材料本身的机械特性满足特定要求。Yan等受到骨发育阶段的启发，通过表面氨解和层层组装技术制备了一种3D打印的可生物降解支架，通过去铁胺的控释，使支架的降解与骨的分化、重构相匹配，结果表明该支架具有与天然松质骨相似的力学性能。Lui等利用3D打印技术制备出一种具有多孔界面的聚己内酯多相骨-韧带-骨支架（BLB），生物力学强度满足生理载荷条件，动物实验结果显示BLB支架具备较强的纤维引导特性。如今3D生物打印日新月异，细胞及支架材料技术已取得一定成果，然而在体外构建组织等方面仍然充满挑战。细胞外基质过于复杂，难以在体外模拟其结构和生物学性能，而现有的逐层沉积工艺也无法解决细胞营养和氧气供应问题，这些研究还有待突破。

展望

现阶段的3D打印技术在临床应用尚存在一定的局限性。首先，适用于医用的3D打印材料种类有限，新材料的研发将进一步拓宽其在生物医学领域的应用前景；其次，对于骨与软骨缺损的生物3D打印修复研究，现阶段仍停留在体外实验和动物实验阶段，临床应用有效性和安全性仍需进一步探索；再次，3D打印技术的相关法律法规仍有待完善，相关产业的标准仍处于空白，亟待出台切实可行的管理规范和政策性文件；此外，对于现有的前期应用尚缺乏具有说服力的长期随访数据，未来仍有待开展更多高证据级别的临床研究。但是有理由相信，随着3D打印技术和材料科学的不断革新，骨关节退行性疾病、创伤、肿瘤导致的组织缺损修复重建将会出现更多新的选择，而3D打印的个性化、精准化、微创化元素将有力推动关节外科领域的持续发展。