3D打印技术在骨科的应用和展望

3D打印技术在骨科的应用和展望摘要：近年来，随着3D打印概念不断发展，3D打印技术在全球的应用越来越广泛，其中生物医疗领域是3D打印技术的重要应用之一。文章介绍了3D打印技术在医疗骨科领域的应用和未来展望。关键词：骨科；应用；3D打印；定制化3D打印是直接根据三维数据，通过自动化控制，将材料逐层加工、叠加成形，从而获得构件的加工技术，具有制造周期短，响应速度快等特点。3D打印技术能够根据医学影像数据，将虚拟图像转换成三维实物，实现个性化设计和解剖学匹配，为临床医学构建准确的病理模型和适合患者的定制化植入物。随着3D打印技术的进步和可打印材料的发展，该技术在生物医疗领域的应用越来越广泛，骨科领域是3D打印技术最早实现产业化的医疗应⽤领域之⼀。一、创伤外科的应用1.四肢骨折治疗通过术前的准确评价和骨折分型的确定，可以确定骨折治疗方案。对于复杂的关节面骨折，其解剖结构复杂、血管畸形多、复位难度高，而常规的CT成像只能在平面上对骨折进行观察，手术方案依赖医生的立体想象和经验判断等，术前要有充分的准备。由于病情的复杂和多变，即使医生技术高超，也存在着手术难度高、手术时间长等问题。利用3D打印技术，可以将骨折模型预先打印出来，用于术前分析准备和术中过程模拟，从而降低手术难度、缩短手术需要的时间。2.定制个性化内固定物对于一些先天性骨骼发育畸形或复杂骨折的治疗，由于其临床解剖学类型与正常解剖学不相符，医生需按临床经验和手术操作要求对内固定物进行调整、塑形，但单凭临床经验术中处理的固定物与实际情况并不一定相符，反复被塑形的固定物也会引发安全风险。在手术前，根据病人的实际情况，设计并3D打印制造出适合患者的个体化内固定物，可有效减少手术过程风险。二、脊柱外科的应用大部分脊柱外科都是通过钉棒系统来恢复脊柱的稳定性。例如脊髓压缩性骨折和椎体滑脱会影响脊柱的稳定性，利用钉棒系统的撑开复位作用可以很好的恢复脊柱的生物力学稳定性。传统的手术治疗依赖医生的临床经验来判断钉道打入的位置和角度，造成的手术误差会很大。对于脊柱畸形的情况，其解剖结构更复杂，需要医生有丰富的临床经验和应变能力，考虑到患者的脊柱畸形，根据其解剖学特点来制定合适的手术方案。尽管提前做好充分准备，仍然很难缩短手术时间，降低术中透视次数、术中出血等并发症的发生。脊柱外科最大的难点在于手术中钉棒的固定点和固定角度，3D打印技术可以有效地提高置钉的准确性，减少钉棒进入椎管损伤神经的几率，从而提高手术安全性。通过3D打印出病人的脊柱模型，可以将患者的脊柱生理结构完整还原。在手术前通过对物理模型的观察和触摸，让医生对病人的病理有一个更直观的了解。在术前手术规划上，通过在模型上模拟手术，可以在术前确定下置钉的位置，同时还可以在术前测量钉棒需要的长度，预先调整必要的钉棒形态，从而提高手术的精确度，缩短手术时间，降低手术损伤风险。三、关节外科的应用目前大部分人工关节系统假体都是通过标准化、规模化生产制造，降低了开发和生产成本，使得手术方案标准化，提高了手术效率，可以满足大部分病人的需求。但是在一些特定情况下，因个体的解剖学差异或发育异常等原因，传统方式制造出的人工关节假体并不能满足病人对关节置换的需要。例如复杂的先天性髋关节发育不良、膝关节置换，由于缺乏合适的置换假体，为改善手术的整体效果，医生往往会将截骨的高度和角度增大，增加植骨的数量，造成过度的组织分离。有的病人是因为各种原因造成的骨缺损人工假体松动，需要二次手术翻修，而传统的人工假体可能无法满足手术的要求。3D打印技术的应用可以有效的解决这一问题，通过3D打印制造出来和患者匹配的个性化人工关节假体，可以很好的满足术者的需求，达到更好的预期效果。四、骨肿瘤的应用对于恶性骨肿瘤一般通过切除进行治疗，手术往往需要大面积的截骨和对周围软组织进行清扫。术中截骨会导致截骨面边缘不规则，一般骨缺损大，标准化的人工关节往往无法满足术中的要求。在骨肿瘤的诊断和治疗上，3D打印技术是最好的选择。手术前通过3D打印出肿瘤模型，医生可以对肿瘤的大小、范围、分期更清楚的判断，进行术前的手术计划，做好手术前的准备。根据病人的截骨情况，3D打印定制合适的假体，使病人的骨缺损得到合理的修复，术后风险低，并发症少。五、临床应用情况思考1.在骨科的应用特点术前：利用快速原型制造，辅助手术设计。利用CT，MR等影像技术，重建骨骼的三维图像，然后采用分层实体制造技术获得骨骼的原型，用于教学、演示与手术设计；利用人体解剖的对称性，或者存储于数据库中的人体解剖学数据，反求或模拟缺失部位的骨骼三维图像，辅助传统的机械加工制造可植入人体的骨替代假体；这是两种较为常用、成熟的利用快速原型制作，辅助手术设计的方式。一方面通过3D打印出物理模型，方便医生对患者的分型进行准确的诊断，对患者的病情进行全面的评价，做好术前的手术规划。另一方面通过3D打印模型与患者进行沟通，使患者对病情有更客观、更清晰的认识，更好的与医生合作，从而提升患者的临床疗效。术中：基于3D打印的导板设计与应用和基于3D打印的骨科植入物的研发。利用3D打印技术，将手术中的导航模板打印出来，提高手术位置的精准性，节约手术时间，简化复杂手术。3D打印在计算机辅助设计下，能快速制造异型的植入物，同时，可以制造大小可控的微孔。这些微孔结构可调整植入体的弹性模量，减少应力遮挡；在植入体的表面可以促进材料与骨之间的骨整合。使用个性化的3D打印假体，能够缩短手术时间、提高术后的愈合、降低并发症等。2.不足之处①提高病人的医疗成本。3D打印模型和定制的假体，需要购置3D打印设施，增加额外的人员培训等。②可打印材料限制。3D打印技术对材料的要求很高，目前应用较多的可打印材料有树脂、尼龙、金属等。③临床应用局限。3D打印技术是一项新技术，涉及多学科的交叉配合，生产制造需要多方合作努力，普通医疗机构应用有门槛。④道德与法律的制约。对于3D打印生物材料，如3D打印细胞组织，目前尚无相关的监管标准，相关的法律法规也不完善。3.展望①价格和门槛：随着计算机和材料科学的发展，3D打印技术会越来越成熟，成本会越来越低，未来应用面也会越来越广。②快速生产：随着3D打印技术的不断发展，打印效率不断提高，过程操作也会越来越简便。③组织工程化：随着科技水平的进步，可打印材料的发展，采用3D打印技术生产出具有生物活性的人造骨骼是未来的发展方向之一。结论：3D打印技术在骨科领域已有部分应用，尽管其发展受到多种因素的限制，但随着技术的不断发展和社会的不断进步，3D打印技术必然会在骨科领域得到越来越广泛的应用，造福于患者。参考文献：[1]张同同,王中华,文杰,宋玉鑫,刘林.3D打印模型在颈椎肿瘤手术切除与重建中的应用[J].中国组织工程研究,2021,25(9):1335-1339.[2]李卓夫,宋雄康,季旭全,刘杉杉,姜帅,王承夏,胡磊,李危石.基于3D打印配准模板的脊柱机器人系统在椎板切除中的应用[J].生物骨科材料与临床研究,2022,19(2):11-13.[3]刘彬,张清,刘融,张国华,陈超斌,张勇,胡锋,韦盛,周一林,杨翾,孙鹏.3D打印技术结合标志定位法在胫骨远端A型骨折中的临床应用[J].生物骨科材料与临床研究,2022,19(3