3D打印技術在關節(jié)外科領域應用研究進展

來源：中國骨與關節(jié)損傷雜志
作者：廣東醫(yī)科大學附屬醫(yī)院骨科中心   林濤

△FDM 3D打印技術原理（非原文配圖）

3D打印技術是一種以數字模型文件為基礎，將粉末狀金屬、工程材料、生物材料等可粘合材料通過逐層打印的方式來構造三維物體的技術。3D打印技術主要包括立體光刻成型（SLA）、選擇性激光燒結（SLS）、熔融沉積成型（FDM）、噴墨打印技術等。得益于數字建模技術、數控技術、信息技術、材料科學、組織工程技術等前沿技術的迅猛發(fā)展以及多學科的深度融合，3D打印技術得到迅猛發(fā)展并廣泛應用于眾多民生領域。3D打印技術已經不斷地被拓展應用到醫(yī)療領域的各個方面，其中骨科3D打印技術充分融合了數字醫(yī)學的精準、微創(chuàng)和個性化元素，為骨科疾病的精準治療提供了有力的幫助。隨著打印設備和打印材料的不斷革新，針對患者個體化骨關節(jié)疾病的修復重建置入物也有望實現(xiàn)“私人訂制”。3D打印技術在關節(jié)外科的各種創(chuàng)新應用不斷涌現(xiàn)，顯著推動了人工關節(jié)置換術的臨床治療效果。筆者就3D打印技術在關節(jié)外科領域的研究進展進行綜述，報道如下。

3D打印技術成型原理及材料應用

3D打印技術首先需要通過計算機輔助設計（CAD）或逆向工程技術（RE）獲得數字化模型，再利用相應的快速成型設備將特定的材料逐層堆積成三維實體。逆向工程技術是最常見的數字模型構建方式之一，主要利用數字化設備對實體進行掃描和測量，進而通過逆向工程軟件對點云數據進行處理和封裝，最終獲得相應對象的立體光刻（STL）數字模型。下一步，3D打印將虛擬的三維模型輸入3D打印機進行分層制造，再通過SLA、SLS和FDM等成形工藝精確堆積材料，逐層打印，最終獲得與打印模型相同的1∶1實物。目前3D打印的材料主要包括金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料、生物材料等。常見的金屬材料如鈦合金、鎳合金、鈷鉻合金等，具有高強度、耐腐蝕、生物相容性等優(yōu)點，被廣泛應用于航天航空、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學領域；無機非金屬材料如陶瓷、玻璃等，其耐壓強度高、硬度大、耐高溫，被大量應用于建筑、國防、醫(yī)學領域；有機高分子材料如ABS樹脂、光敏樹脂、尼龍、聚醚醚酮等，這些材料成型速度快、密度小、絕緣性好，可用于模具注塑、建筑和醫(yī)療等行業(yè)。生物材料如絲素蛋白、細胞、水凝膠等，為生物醫(yī)療領域的人體組織器官修復置入材料的研發(fā)注入新元素，推動了3D打印技術在生物醫(yī)學領域的發(fā)展。

3D打印模型在關節(jié)置換術前宣教中的應用

髖關節(jié)和膝關節(jié)具有較大的活動范圍且能夠在活動過程中維持關節(jié)的穩(wěn)定，這主要得益于其周圍復雜的穩(wěn)定結構。髖膝關節(jié)周圍除了神經、大血管外，以肌肉群為代表的動力性穩(wěn)定結構和以韌帶為代表的靜力性穩(wěn)定結構在關節(jié)周圍附著，分別行使不同的功能，相關解剖也較為復雜，這就要求外科醫(yī)師在手術入路的選擇和操作過程中必須盡可能地保護上述穩(wěn)定結構的完整性。過去依靠傳統(tǒng)的解剖教學手段，骨科醫(yī)師對不同的關節(jié)外科入路會產生不同的理解層次，使得手術團隊成員之間在手術操作過程中不可避免地存在著認知度和信息的差異。在關節(jié)外科領域應用3D打印技術進行術前規(guī)劃具有更為顯著的優(yōu)勢，有別于影像閱片和正常標本觀察，3D打印模型給醫(yī)師還原了一個更加直觀的、可觸摸的1∶1個體化病變模型，有利于低年資醫(yī)師加深對患者病情的認識，對手術方案設計、術中操作細節(jié)溝通也具有重要意義。同時病變模型及術前的操作演示也有助于手術團隊在體外完成手術預操作并有針對性地提出其中存在的風險和相應預案，使得術前的器械準備更加充分和全面，確保手術順利進行。Fritz等將股骨遠端和髕骨的3D打印解剖模型與傳統(tǒng)的X線片和CT進行比較，發(fā)現(xiàn)三維模型可大幅提高低年資醫(yī)師的診斷水平。舒詩軍等利用3D打印技術制造出囊括解剖動、靜脈血管的骨盆骨折個體化模型，并根據模型討論最終手術方案，結果發(fā)現(xiàn)3D打印組手術時間、術中出血量、輸血量明顯低于常規(guī)手術組。劉永征等采用3D打印技術輔助復雜髖部疾病全髖關節(jié)置換術，發(fā)現(xiàn)應用3D打印技術能明顯縮短手術時間，減少術中出血量，降低并發(fā)癥發(fā)生率。3D打印模型還可以讓患者充分了解自身病情，同時也有助于醫(yī)師更直觀地向患者講解手術方式、術中及術后并發(fā)癥等內容，這在一定程度上提高患者對疾病治愈信心及對醫(yī)療服務的滿意度。

3D打印個性化輔助器械在關節(jié)外科手術中的應用

傳統(tǒng)骨科手術中螺釘置入、截骨過程時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及術中多次透視螺釘位置，導致手術時間過長，并且螺釘存在松動失效的風險。3D打印截骨導板基于患者術前CT資料進行三維重建，確定術中螺釘置釘點、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簡化手術操作，同時提高手術精度和效率。Zhang等采用3D打印截骨導板輔助手術矯正肘內翻畸形，發(fā)現(xiàn)3D打印組的個體化截骨導板均能與肱骨遠端緊密附著，一次性截骨均成功，手術效率高，術中出血量少，手術切口小；截骨導板的設計整體呈楔形，并裝有克氏針導孔固定導板，防止術中滑脫造成偏移。

陳國仙等利用3D打印技術設計并打印出截骨導航模板，用于輔助脛骨高位截骨術治療膝內翻畸形骨性關節(jié)炎，結果表明3D打印截骨導板可減少術中透視和截骨次數，手術時間短，創(chuàng)傷小，無并發(fā)癥發(fā)生。傳統(tǒng)關節(jié)置換術主要依靠主刀醫(yī)師的經驗來設計假體置入的位置和角度，對主刀醫(yī)師的技術要求高，特別是對于復雜患者，術中解剖定位信息和操作精度常常難以把握。3D打印個體化輔助手術器械能夠根據患者術前的影像學資料進行個性化定制，能幫助術者從容面對復雜病例存在的解剖畸形，進而準確重建患者肢體功能。Sun等設計了3D打印專用髓內導向器，分別為患者施行3D打印個體化輔助全膝關節(jié)置換術和常規(guī)全膝關節(jié)置換術，術后發(fā)現(xiàn)3D打印個體化組的髓內引導深度小，髕骨運動軌跡更好，可以實現(xiàn)更好的對線和更高的假體置入精度。張元智等利用計算機輔助確定下肢機械軸線及髓內定位通道，并打印出導航模板用于全膝關節(jié)置換術，結果發(fā)現(xiàn)導航模板組手術操作更加作簡便，手術時間明顯縮短，假體安放精確度高。王躍輝等采用3D打印髖關節(jié)旋轉中心定位器來輔助全髖關節(jié)置換術，術后發(fā)現(xiàn)患側髖關節(jié)旋轉中心與健側解剖旋轉中心相符合，假體位置準確，無異位骨化形成。

3D打印人工關節(jié)假體的臨床應用

當面對復雜關節(jié)骨折、翻修手術或因骨腫瘤引起骨組織嚴重缺損時，由于傳統(tǒng)標準化假體采用的是規(guī)格化設計，往往會出現(xiàn)現(xiàn)有規(guī)格系列均無法良好匹配宿主骨的問題，從而導致術后假體松動過早發(fā)生。3D打印技術可結合患者自身的影像學數據設計出與其相對應解剖或骨組織缺損部分相匹配且高精度的個性化假體。目前3D打印個性化設計假體在骨科臨床上已得到廣泛應用。付軍等應用3D打印鈦合金假體復合帶血管蒂腓骨及生物陶瓷為5例下肢腫瘤切除后長節(jié)段骨缺損患者進行修復重建，而重建所用的假體均為個性化定制，術后短期隨訪未見腫瘤復發(fā)及肺轉移，骨與軟組織腫瘤協(xié)會MSTS評分為17~26分，而影像學檢查顯示假體與患者周圍骨組織嵌合度良好。Wang等為26例髖臼周圍惡性腫瘤患者設計了一系列3D打印定制多孔結構的一體化半骨盆假體，術后均無深部感染、假體脫位、假體斷裂、假體無菌性松動或局部復發(fā)。裴延軍等設計并3D打印出個性化假體用于重建下肢惡性骨腫瘤切除后的大段骨缺損，有限元分析顯示假體整體應力在材料的強度范圍之內，并且與宿主骨組織匹配良好，MSTS評分良好，無并發(fā)癥發(fā)生，療效滿意。在假體生存率方面，傳統(tǒng)假體與周圍骨組織的界面結合強度不足，常常出現(xiàn)假體早期松動而失效，而3D打印技術能夠制造出直徑150~500μm的微孔表面和高孔隙率關節(jié)假體，形成的粗糙表面容易吸附大分子并影響骨細胞的增殖、黏附和成骨，促進骨組織長入，從而獲得長期穩(wěn)定性。Wauthle等采用大鼠股骨原位負荷性骨缺損模型評價平均孔徑為500μm、孔隙率為80%的3D打印多孔鉭假體在體內的骨長入性能，12周即可觀察到微孔表面大量骨生長，置入體-骨界面連接牢固，功能良好。蘇可欣等通過3D打印技術制備出孔徑400μm、孔隙率為70%的多孔鉭置入體用于修復大白兔雙側股骨外髁處的骨缺損，8周后置入體-骨界面的新生骨組織逐漸增加，出現(xiàn)新生骨小梁并向材料孔隙內生長，結果表明3D打印多孔鉭具備優(yōu)良的骨長入性能。

生物3D打印在骨關節(jié)損傷修復重建中的應用

盡管醫(yī)用合金材料人工關節(jié)假體的發(fā)展為四肢骨關節(jié)損傷的治療提供了有效的功能重建方案，然而假體的壽命和固有的材料特性使患者的肢體功能難以恢復最自然和穩(wěn)定的狀態(tài)。近年來生物材料的快速發(fā)展為骨關節(jié)損傷的自然修復重建提供了新的手段。目前臨床上用于重建骨與關節(jié)軟骨缺損的技術方法尚未取得突破性進展，為此國內外許多學者開始著眼于細胞和生物材料層面的生物3D打印技術研究，充分結合組織工程技術，以期通過耦合活體細胞（種子）和細胞外基質（含生長因子）制造出新型“生物活性墨水”，以逐層沉積工藝最終實現(xiàn)對骨和軟骨等高度復雜組織的3D打印制造，從而解決組織移植重建的生物活性問題�，F(xiàn)階段的生物3D打印技術已經能夠利用生物粘合劑構建關節(jié)軟骨、半月板、椎間盤、耳廓等類軟骨組織三維支架模型，然而在該支架中構建含軟骨細胞的軟骨組織仍存在一些挑戰(zhàn)。張彬等采用低溫沉積3D打印技術制備聚乳酸-羥基乙酸共聚物（PLGA）支架，并結合脫細胞關節(jié)軟骨細胞外基質（DACECM）制備PLGA/DACECM軟骨組織工程支架，其在電子顯微鏡下觀察到大量的軟骨細胞在PLGA/DACECM取向支架和DACECM取向支架上黏附生長。沈師等采用三維打印低溫沉積技術制備聚己內酯/Ⅰ型膠原組織工程半月板支架（PCL/COL-Ⅰ半月板支架），相比于原始的聚己內酯半月板支架，細胞在PCL/COL-Ⅰ半月板支架上附著的細胞數量更多。由于關節(jié)軟骨、半月板、椎間盤在體內受到生理載荷，相應的組織工程結構需要一定的力學強度，這就要求支架應具備理想的力學特性以保證支架內細胞的存活率和組織的本體穩(wěn)定性。目前解決這個問題的方法是從3D打印工藝和材料兩方面入手，使粘合材料的連接強度和材料本身的機械特性滿足特定要求。Yan等受到骨發(fā)育階段的啟發(fā)，通過表面氨解和層層組裝技術制備了一種3D打印的可生物降解支架，通過去鐵胺的控釋，使支架的降解與骨的分化、重構相匹配，結果表明該支架具有與天然松質骨相似的力學性能。Lui等利用3D打印技術制備出一種具有多孔界面的聚己內酯多相骨-韌帶-骨支架（BLB），生物力學強度滿足生理載荷條件，動物實驗結果顯示BLB支架具備較強的纖維引導特性。如今3D生物打印日新月異，細胞及支架材料技術已取得一定成果，然而在體外構建組織等方面仍然充滿挑戰(zhàn)。細胞外基質過于復雜，難以在體外模擬其結構和生物學性能，而現(xiàn)有的逐層沉積工藝也無法解決細胞營養(yǎng)和氧氣供應問題，這些研究還有待突破。

展望

現(xiàn)階段的3D打印技術在臨床應用尚存在一定的局限性。首先，適用于醫(yī)用的3D打印材料種類有限，新材料的研發(fā)將進一步拓寬其在生物醫(yī)學領域的應用前景；其次，對于骨與軟骨缺損的生物3D打印修復研究，現(xiàn)階段仍停留在體外實驗和動物實驗階段，臨床應用有效性和安全性仍需進一步探索；再次，3D打印技術的相關法律法規(guī)仍有待完善，相關產業(yè)的標準仍處于空白，亟待出臺切實可行的管理規(guī)范和政策性文件；此外，對于現(xiàn)有的前期應用尚缺乏具有說服力的長期隨訪數據，未來仍有待開展更多高證據級別的臨床研究。但是有理由相信，隨著3D打印技術和材料科學的不斷革新，骨關節(jié)退行性疾病、創(chuàng)傷、腫瘤導致的組織缺損修復重建將會出現(xiàn)更多新的選擇，而3D打印的個性化、精準化、微創(chuàng)化元素將有力推動關節(jié)外科領域的持續(xù)發(fā)展。