关节外科3D打印应用研究进展.docx

关节外科3D打印应用研究进展吕震 （天津医科大学）摘要：个体化治疗是骨科未来发展的方向，3D打印技术在不改变物理性状的基础上可以根据需求定制，实现三维精确解剖诊断以及骨科材料与部位的完美切合。目前3D打印应用在多个医学领域，在骨科创伤外科和脊柱外科领域均有广泛应用。在关节外科主要用于个体化假体、复合成骨细胞和生长因子的骨移植替代物、立体模型诊断、个体化手术导航模版。个体化假体和骨移植替代物将使关节假体有更好的生物切合性和生物力学特性。个体化手术导板可降低复杂关节外科手术的难度，提高手术的成功率和改善预后。立体模型诊断可以提高诊断的准确性和精确设计手术。关键词：3D打印；关节外科；个性化假体；手术导航模版Research progress of 3D printing in joint surgeryAbstract: Individual therapy is the direction of the future development of orthopedics,3D printing technology can be customized according to the needs without changing the physical characteristics, to achieve accurate anatomical diagnosis in three-dimensional ,and make orthopedics materials match with surgical site completely .At present, 3D printing is applied in many medical fields, such as orthopedics trauma surgery and spinal surgery.In joint surgery is mainly used for individual prosthesis, bone graft substitutes combined with osteoblasts and growth factors, three-dimensional model diagnosis, individualized surgical navigation template.Individual prosthesis and bone graft substitute will make joint prosthesis have better biological and biomechanical properties.Individualized surgical guide can reduce the difficulty of complex joint surgery, improve the success rate of surgery and change the prognosis.Stereo model diagnosis can improve the accuracy of diagnosis and accurate design operation.Keyword: 3D printing; joint surgery; personalized prosthesis; surgical navigation template 3D打印即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过分层制造、逐层打印的方式来构造物体的技术1。且在各个领域都有了长足的发展。个体化治疗是骨科发展的一个重要方向，个体化假体的应用理论上可改善骨关节假体与邻近骨性结构的匹配，从而改善病患功能状态。3D打印技术在不改变物理性状的基础上可以满足需求定制，实现材料与部位的完美匹配，因此3D打印在骨科领域应用已有较为广泛的应用。现就关节外科3D打印应用研究进展综述如下。 1、 3D打印技术及骨科应用现状 3D打印技术是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末等粘性材料通过分层制造、逐层打印的方式制造出实体产品。3D打印技术近年来飞速发展应用于军工、航天、制造等多个行业，影响着人们的生活。 3D打印技术在医疗领域的发展同样突飞猛进，在临床上最早取得突破的是颅颌面外科2，其在颅颌面外科的成功在一定程度上促成骨科医师开始在临床工作中使用3D打印技术。很快在复杂关节骨折的分型、脊柱侧弯的分型、骨肿瘤的鉴别等方面即开始利用3D打印的模型做出直观的判断，从而提高了诊断的精确性和提出了更好的手术方案以减少创伤和并发症3。近年来，苏格兰科学家 Faulkner-Jones 等4利用细胞打印出人造肝脏组织，又将3D打印带入了一个新的高度。 3D打印技术在骨科的发展具有代表性同时也是目前应用最为广泛，其在骨科的应用主要是以下几种: 1 1 实物模型的制作、骨科手术辅助材料的打印和骨科内置物材料的打印。数字化三维模型能够更直观、更准确地反映了颈椎病变的三维立体结构,对临床医生的诊断、手术计划、内固定选择等有较大帮助,并且减少了手术的操作时间,达到更佳的手术效果。章凯等对寰枢椎脱位患者术前进行三维重建和快速成型,在模型进行模拟手术,选择合适钢板。得出3D打印辅助个体化技术可提高寰枢椎脱位手术效率与精确度5。利用3D 打印个体化制备的置入物进行组织缺损的修复，可以大大提高外科手术的精确性与安全性，患者骨骼的个体差异使传统假体不能完全匹配，各种疾病导致的骨缺损使骨骼的外形更不确定，3D 打印技术设计与制备的置入物能够完美解决这些问题6。对于骨科内置物而言现在已经可以制作不仅起支撑作用还富有生物活性的内置物，3D 打印技术制备的生物支架，具备很好的生物相容性，而且支架孔隙的大小、形状更加符合种植细胞的迁移、增殖与分化，能够为组织缺损的修复提供优良的环境，纳米微孔技术有利于细胞的生长与爬行7。使用这种内置物可以减少骨修复的时间从而提高手术的成功率和改善预后。2 、3D打印在关节外科的可行性 2.1 技术和材料的可行性3D打印技术从19世纪于美国诞生以来，进过多年的发展技术日益成熟和完善。目前骨科常用的成型技术有光固化成型(SLA)选择性激光烧结(SLS)熔融沉积成型(FDM)分层实体制造(LOM)选择性激光熔融(SLM)8。虽然各种技术各有优缺点，但是就其本身而言都比较成熟能满足不同要求的材料制造。目前的骨科替代材料使用大多不可降解的但得在体内长期保留，促进骨修复的能力比较局限。如果在这些材料中添加不同的干细胞或者生长因子等就可以诱导骨组织再生从而达到对解剖结构的永久性重建。Wu等9用胶原-HA/BMP复合材料植入兔桡骨缺损处，与胶原-HA材料相比，前者兔血清Ca、P浓度和LP活性高于后者，说明胶原-HA/BMP复合材料有更强的成骨能力。 2.2 临床可行性个体化治疗将成为骨科发展的重要方向，目前标准化的假体由于生产成本和规范化生产的考虑，可以满足绝大多数普通人的需求。但是由于个体差异，处于处于人群正态分布两端的患者们就成为了这一医学模式的受害者。临床上，假体尺寸或几何结构不匹配的情况并不罕见，手术者往往会根据假体形态来改造患者与假体对应的解剖结构以保证手术的完成，这是一种削足适履的手段。出于个体化考虑医生必须根据具体情况针对设计，以保证假体的完全匹配从而达到治疗效果的最大化。Li等10M1在髋关节翻修术采用3D打印技术，常规臼杯或者Cage在髋臼周围广泛骨缺损患者中无法提供有效支撑，通过打印等比例骨盆模型，确定骨缺损大小，辅助定制个性化Cage，并对个体化Cage匹配度进行术前验证，保证Cage与宿主骨的有效接触，提供有效支撑，获得良好临床效果。3 、3D打印在关节科的现状目前个体化假体以及基于3D打印技术的内置物和辅助材料在关节外科的应用已经有了长足的进步，并且应用日益广泛，不论从复杂损伤的的诊断、术前规划和个体化治疗上都意义重大。 将3D打印技术应用于全膝关节表面置换术从手术设计、手术操作以及预后等多个方面都有巨大的优势，而且假体的机械强度和生物相容性均良好。金玉林等11对6 例行全膝关节表面置换的患者，术前行膝关节3D打印，制作关节模型，测量术前截骨量，截骨角度，术前根据测量数据制定符合的膝关节假体。测量术中的手术时间，假体术中与术前的匹配度，采用 HSS 膝关节评分对手术后患者短期膝关节功能活动情况进行评价。发现6 例患者手术中假体使用与术前制定符合，手术时间及出血量较过去减少，术后膝关节功能改善明显，未出现感染、假体下沉。3D打印技术应用于全膝关节置换术切实降低了手术难度，改善了预后。考虑到假体的强度匹配性问题，He等12利用3D打印技术制备了半膝关节和人工骨模具，使用快速铸造和粉末烧结成型技术制备出个体化钛铝合金半膝关节和多孔生物陶瓷人工骨。术后随访接受假体植入的患者，表明所使用的复合半膝关节假体具有足够的机械强度，和与周围组织、骨骼有良好的匹配性。对于胫骨近端恶性骨肿瘤的患者而言，个体肿瘤的情况不一骨缺损的情况也各有不同。铰链型膝关节置换术由于减少其了骨与假体之间的应力，降低假体松动及疲劳骨折发生率，是目前较为理想的保肢方法，利用旋转型铰链膝结合3D 打印技术可以很好的提高保肢率。上海交通大学附属第九人民医院的潘伟等13在旋转铰链型人工膝关节置换术应用个体化数字导板结合3D打印技术，采用旋转铰链型人工膝关节置换术治疗胫骨近端恶性骨肿瘤16 例，得出旋转铰链型膝关节置换术是膝部恶性骨肿瘤较理想的保肢方法而且应用个体化数字导板可减少手术操作时间可以提高假体安装精度，从而达到更佳的手术效果。在髋关节置换方面存在骨盆和股骨的发育障碍或者损伤破坏的问题，在目前的成像技术下结合3D打印技术可以打印出为患者“量身定制”个体化模型，使关节置换中假体型号的选择、假体安放位置的准确性以及畸形的矫正程度等技术难题得到解决。Lee 等14应用该技术制备了个体化股骨假体和股骨髓腔导向器，使手术更精准，成功为 2 例石骨症患者施行人工全髋关节置换术。Benum等15用3D技术打印出股骨假体，对2例股骨发育畸形患者全髋关节置换手术，疗效较理想。发育性髋关节脱位是常见的儿童骨骼发育性疾病，由于髋部畸形的复杂性、各种手术术式的局限性及操作者技术等原因，约510患儿发生术后再脱位及半脱位，常常需要再次手术治疗16。3D打印技术能够准确和直观地反映儿童髋关节脱位翻修术前骨盆畸形的立体形态和各部位解剖结构的空间关系，使手术更精确可靠方便 。燕华等17用3D打印出的患儿骨盆模型准确直观的测量和诊断后为16名患儿成功的进行了手术，效果较为理想。同样Sciberras等18首次将该技术应用于1例复杂髋关节翻修术，根据3D打印技术制作的假体，进行详细的术前评估和模拟操作，手术获得了成功。在手术中进行手术定位可以提高手术准确性及疗效。目前应用于临床的手术定位系统主要有CT定位、计算机辅助导航等，这些传统的定位方法必须结合术者丰富的临床经验才能尽可能高的提高手术准确性，但仍然会出现定位不准的问题。3D 打印技术是一种临床术中病灶定位及清除的新方法和新思路19。数字化设计结合3D 打印导航模板能在手术过程中还原术前设计，引导术者按照术前设计进行手术操作，同时对手术区域结构进行数字化分析，提高了手术准确性及安全性20-24 。3D打印手术导板将来会成为关节外科发展的方向，并将手术操作带上一个新的高度。Yu等25用带血管蒂髂骨骨瓣移植治疗缺血性坏死治疗中应用3D 打印导航模板，对15例（24髋）股骨头缺血性坏死患者进行治疗，手术效果满意。带血管蒂髂骨瓣移植治疗股骨头缺血性坏死术中采用 3D 打印导航模板有利于精确定位并彻底清除坏死灶及周围硬化骨，获得满意的早期疗效。4、 展望3D打印技术目前逐渐成为骨科个体化治疗的有力工具。其有自己独到的优点如个体化假体和骨移植替代物将使关节和关节假体有更好的生物切合性和生物力学特性。个体化手术导板可降低复杂关节外科手术的难度，提高手术的成功率和改善预后。立体模型诊断可以提高诊断的准确性和精确设计手术。但它作为一种新兴的技术依然存在不可避免的局限性。目前个体化骨科植入物的设计制造还是局限于小临床病例之中，而且费用相对于传统材料而言较为高昂也限制了它的发展和广泛使用。提高植入物的生物相容性也是目前研究的方向，要求植入物不仅能作为一个组织支架还得具有细胞黏附和增殖功能。Billiet等26根据需要设定特定的孔隙率、交联，显著提高支架的生物学及力学性能，使其有利于细胞黏附、增殖、分化，从而促进骨组织生长及骨折愈合等。将活细胞和支架材料一同打印是3D打印技术在关节外科基础研究领域应用的进步性标志，但未来仍要考虑细胞在支架内能否按照预制组织结构进行精准分布、如何构建营养通道血管以及提高打印组织的机械性能等问题27。即使存在着这些缺陷和问题，但随着研究的深入和技术的发展，个体化生物型关节将成为可能。参考文献1 Rengier F,Mehndiratta A,von Teng- Kobligk H et al.3D printing based on imaing data: review of medical applicationsJ. 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