3D打印技術在骨科的應用和展望

3D打印技術在骨科的應用和展望摘要：近年來，隨著3D打印概念不斷發(fā)展，3D打印技術在全球的應用越來越廣泛，其中生物醫(yī)療領域是3D打印技術的重要應用之一。文章介紹了3D打印技術在醫(yī)療骨科領域的應用和未來展望。關鍵詞：骨科；應用；3D打印；定制化3D打印是直接根據三維數據，通過自動化控制，將材料逐層加工、疊加成形，從而獲得構件的加工技術，具有制造周期短，響應速度快等特點。3D打印技術能夠根據醫(yī)學影像數據，將虛擬圖像轉換成三維實物，實現(xiàn)個性化設計和解剖學匹配，為臨床醫(yī)學構建準確的病理模型和適合患者的定制化植入物。隨著3D打印技術的進步和可打印材料的發(fā)展，該技術在生物醫(yī)療領域的應用越來越廣泛，骨科領域是3D打印技術最早實現(xiàn)產業(yè)化的醫(yī)療應?領域之?。一、創(chuàng)傷外科的應用1.四肢骨折治療通過術前的準確評價和骨折分型的確定，可以確定骨折治療方案。對于復雜的關節(jié)面骨折，其解剖結構復雜、血管畸形多、復位難度高，而常規(guī)的CT成像只能在平面上對骨折進行觀察，手術方案依賴醫(yī)生的立體想象和經驗判斷等，術前要有充分的準備。由于病情的復雜和多變，即使醫(yī)生技術高超，也存在著手術難度高、手術時間長等問題。利用3D打印技術，可以將骨折模型預先打印出來，用于術前分析準備和術中過程模擬，從而降低手術難度、縮短手術需要的時間。2.定制個性化內固定物對于一些先天性骨骼發(fā)育畸形或復雜骨折的治療，由于其臨床解剖學類型與正常解剖學不相符，醫(yī)生需按臨床經驗和手術操作要求對內固定物進行調整、塑形，但單憑臨床經驗術中處理的固定物與實際情況并不一定相符，反復被塑形的固定物也會引發(fā)安全風險。在手術前，根據病人的實際情況，設計并3D打印制造出適合患者的個體化內固定物，可有效減少手術過程風險。二、脊柱外科的應用大部分脊柱外科都是通過釘棒系統(tǒng)來恢復脊柱的穩(wěn)定性。例如脊髓壓縮性骨折和椎體滑脫會影響脊柱的穩(wěn)定性，利用釘棒系統(tǒng)的撐開復位作用可以很好的恢復脊柱的生物力學穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的手術治療依賴醫(yī)生的臨床經驗來判斷釘道打入的位置和角度，造成的手術誤差會很大。對于脊柱畸形的情況，其解剖結構更復雜，需要醫(yī)生有豐富的臨床經驗和應變能力，考慮到患者的脊柱畸形，根據其解剖學特點來制定合適的手術方案。盡管提前做好充分準備，仍然很難縮短手術時間，降低術中透視次數、術中出血等并發(fā)癥的發(fā)生。脊柱外科最大的難點在于手術中釘棒的固定點和固定角度，3D打印技術可以有效地提高置釘的準確性，減少釘棒進入椎管損傷神經的幾率，從而提高手術安全性。通過3D打印出病人的脊柱模型，可以將患者的脊柱生理結構完整還原。在手術前通過對物理模型的觀察和觸摸，讓醫(yī)生對病人的病理有一個更直觀的了解。在術前手術規(guī)劃上，通過在模型上模擬手術，可以在術前確定下置釘的位置，同時還可以在術前測量釘棒需要的長度，預先調整必要的釘棒形態(tài)，從而提高手術的精確度，縮短手術時間，降低手術損傷風險。三、關節(jié)外科的應用目前大部分人工關節(jié)系統(tǒng)假體都是通過標準化、規(guī)?；a制造，降低了開發(fā)和生產成本，使得手術方案標準化，提高了手術效率，可以滿足大部分病人的需求。但是在一些特定情況下，因個體的解剖學差異或發(fā)育異常等原因，傳統(tǒng)方式制造出的人工關節(jié)假體并不能滿足病人對關節(jié)置換的需要。例如復雜的先天性髖關節(jié)發(fā)育不良、膝關節(jié)置換，由于缺乏合適的置換假體，為改善手術的整體效果，醫(yī)生往往會將截骨的高度和角度增大，增加植骨的數量，造成過度的組織分離。有的病人是因為各種原因造成的骨缺損人工假體松動，需要二次手術翻修，而傳統(tǒng)的人工假體可能無法滿足手術的要求。3D打印技術的應用可以有效的解決這一問題，通過3D打印制造出來和患者匹配的個性化人工關節(jié)假體，可以很好的滿足術者的需求，達到更好的預期效果。四、骨腫瘤的應用對于惡性骨腫瘤一般通過切除進行治療，手術往往需要大面積的截骨和對周圍軟組織進行清掃。術中截骨會導致截骨面邊緣不規(guī)則，一般骨缺損大，標準化的人工關節(jié)往往無法滿足術中的要求。在骨腫瘤的診斷和治療上，3D打印技術是最好的選擇。手術前通過3D打印出腫瘤模型，醫(yī)生可以對腫瘤的大小、范圍、分期更清楚的判斷，進行術前的手術計劃，做好手術前的準備。根據病人的截骨情況，3D打印定制合適的假體，使病人的骨缺損得到合理的修復，術后風險低，并發(fā)癥少。五、臨床應用情況思考1.在骨科的應用特點術前：利用快速原型制造，輔助手術設計。利用CT，MR等影像技術，重建骨骼的三維圖像，然后采用分層實體制造技術獲得骨骼的原型，用于教學、演示與手術設計；利用人體解剖的對稱性，或者存儲于數據庫中的人體解剖學數據，反求或模擬缺失部位的骨骼三維圖像，輔助傳統(tǒng)的機械加工制造可植入人體的骨替代假體；這是兩種較為常用、成熟的利用快速原型制作，輔助手術設計的方式。一方面通過3D打印出物理模型，方便醫(yī)生對患者的分型進行準確的診斷，對患者的病情進行全面的評價，做好術前的手術規(guī)劃。另一方面通過3D打印模型與患者進行溝通，使患者對病情有更客觀、更清晰的認識，更好的與醫(yī)生合作，從而提升患者的臨床療效。術中：基于3D打印的導板設計與應用和基于3D打印的骨科植入物的研發(fā)。利用3D打印技術，將手術中的導航模板打印出來，提高手術位置的精準性，節(jié)約手術時間，簡化復雜手術。3D打印在計算機輔助設計下，能快速制造異型的植入物，同時，可以制造大小可控的微孔。這些微孔結構可調整植入體的彈性模量，減少應力遮擋；在植入體的表面可以促進材料與骨之間的骨整合。使用個性化的3D打印假體，能夠縮短手術時間、提高術后的愈合、降低并發(fā)癥等。2.不足之處①提高病人的醫(yī)療成本。3D打印模型和定制的假體，需要購置3D打印設施，增加額外的人員培訓等。②可打印材料限制。3D打印技術對材料的要求很高，目前應用較多的可打印材料有樹脂、尼龍、金屬等。③臨床應用局限。3D打印技術是一項新技術，涉及多學科的交叉配合，生產制造需要多方合作努力，普通醫(yī)療機構應用有門檻。④道德與法律的制約。對于3D打印生物材料，如3D打印細胞組織，目前尚無相關的監(jiān)管標準，相關的法律法規(guī)也不完善。3.展望①價格和門檻：隨著計算機和材料科學的發(fā)展，3D打印技術會越來越成熟，成本會越來越低，未來應用面也會越來越廣。②快速生產：隨著3D打印技術的不斷發(fā)展，打印效率不斷提高，過程操作也會越來越簡便。③組織工程化：隨著科技水平的進步，可打印材料的發(fā)展，采用3D打印技術生產出具有生物活性的人造骨骼是未來的發(fā)展方向之一。結論：3D打印技術在骨科領域已有部分應用，盡管其發(fā)展受到多種因素的限制，但隨著技術的不斷發(fā)展和社會的不斷進步，3D打印技術必然會在骨科領域得到越來越廣泛的應用，造福于患者。參考文獻：[1]張同同,王中華,文杰,宋玉鑫,劉林.3D打印模型在頸椎腫瘤手術切除與重建中的應用[J].中國組織工程研究,2021,25(9):1335-1339.[2]李卓夫,宋雄康,季旭全,劉杉杉,姜帥,王承夏,胡磊,李危石.基于3D打印配準模板的脊柱機器人系統(tǒng)在椎板切除中的應用[J].生物骨科材料與臨床研究,2022,19(2):11-13.[3]劉彬,張清,劉融,張國華,陳超斌,張勇,胡鋒,韋盛,周一林,楊翾,孫鵬.3D打印技術結合標志定位法在脛骨遠端A型骨折中的臨床應用[J].生物骨科材料與臨床研究,2022,19(3