3D打印技術(shù)在骨科的應(yīng)用和展望

3D打印技術(shù)在骨科的應(yīng)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(shù)在全球的應(yīng)用越來越廣泛，其中生物醫(yī)療領(lǐng)域是3D打印技術(shù)的重要應(yīng)用之一。文章介紹了3D打印技術(shù)在醫(yī)療骨科領(lǐng)域的應(yīng)用和未來展望。關(guān)鍵詞：骨科；應(yīng)用；3D打印；定制化3D打印是直接根據(jù)三維數(shù)據(jù)，通過自動化控制，將材料逐層加工、疊加成形，從而獲得構(gòu)件的加工技術(shù)，具有制造周期短，響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。3D打印技術(shù)能夠根據(jù)醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)，將虛擬圖像轉(zhuǎn)換成三維實物，實現(xiàn)個性化設(shè)計和解剖學(xué)匹配，為臨床醫(yī)學(xué)構(gòu)建準(zhǔn)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(shù)的進(jìn)步和可打印材料的發(fā)展，該技術(shù)在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，骨科領(lǐng)域是3D打印技術(shù)最早實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的醫(yī)療應(yīng)?領(lǐng)域之?。一、創(chuàng)傷外科的應(yīng)用1.四肢骨折治療通過術(shù)前的準(zhǔn)確評價和骨折分型的確定，可以確定骨折治療方案。對于復(fù)雜的關(guān)節(jié)面骨折，其解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜、血管畸形多、復(fù)位難度高，而常規(guī)的CT成像只能在平面上對骨折進(jìn)行觀察，手術(shù)方案依賴醫(yī)生的立體想象和經(jīng)驗判斷等，術(shù)前要有充分的準(zhǔn)備。由于病情的復(fù)雜和多變，即使醫(yī)生技術(shù)高超，也存在著手術(shù)難度高、手術(shù)時間長等問題。利用3D打印技術(shù)，可以將骨折模型預(yù)先打印出來，用于術(shù)前分析準(zhǔn)備和術(shù)中過程模擬，從而降低手術(shù)難度、縮短手術(shù)需要的時間。2.定制個性化內(nèi)固定物對于一些先天性骨骼發(fā)育畸形或復(fù)雜骨折的治療，由于其臨床解剖學(xué)類型與正常解剖學(xué)不相符，醫(yī)生需按臨床經(jīng)驗和手術(shù)操作要求對內(nèi)固定物進(jìn)行調(diào)整、塑形，但單憑臨床經(jīng)驗術(shù)中處理的固定物與實際情況并不一定相符，反復(fù)被塑形的固定物也會引發(fā)安全風(fēng)險。在手術(shù)前，根據(jù)病人的實際情況，設(shè)計并3D打印制造出適合患者的個體化內(nèi)固定物，可有效減少手術(shù)過程風(fēng)險。二、脊柱外科的應(yīng)用大部分脊柱外科都是通過釘棒系統(tǒng)來恢復(fù)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(fù)位作用可以很好的恢復(fù)脊柱的生物力學(xué)穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的手術(shù)治療依賴醫(yī)生的臨床經(jīng)驗來判斷釘?shù)来蛉氲奈恢煤徒嵌?，造成的手術(shù)誤差會很大。對于脊柱畸形的情況，其解剖結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，需要醫(yī)生有豐富的臨床經(jīng)驗和應(yīng)變能力，考慮到患者的脊柱畸形，根據(jù)其解剖學(xué)特點(diǎn)來制定合適的手術(shù)方案。盡管提前做好充分準(zhǔn)備，仍然很難縮短手術(shù)時間，降低術(shù)中透視次數(shù)、術(shù)中出血等并發(fā)癥的發(fā)生。脊柱外科最大的難點(diǎn)在于手術(shù)中釘棒的固定點(diǎn)和固定角度，3D打印技術(shù)可以有效地提高置釘?shù)臏?zhǔn)確性，減少釘棒進(jìn)入椎管損傷神經(jīng)的幾率，從而提高手術(shù)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(jié)構(gòu)完整還原。在手術(shù)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(shù)前手術(shù)規(guī)劃上，通過在模型上模擬手術(shù)，可以在術(shù)前確定下置釘?shù)奈恢茫瑫r還可以在術(shù)前測量釘棒需要的長度，預(yù)先調(diào)整必要的釘棒形態(tài)，從而提高手術(shù)的精確度，縮短手術(shù)時間，降低手術(shù)損傷風(fēng)險。三、關(guān)節(jié)外科的應(yīng)用目前大部分人工關(guān)節(jié)系統(tǒng)假體都是通過標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；a(chǎn)制造，降低了開發(fā)和生產(chǎn)成本，使得手術(shù)方案標(biāo)準(zhǔn)化，提高了手術(shù)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(xué)差異或發(fā)育異常等原因，傳統(tǒng)方式制造出的人工關(guān)節(jié)假體并不能滿足病人對關(guān)節(jié)置換的需要。例如復(fù)雜的先天性髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良、膝關(guān)節(jié)置換，由于缺乏合適的置換假體，為改善手術(shù)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(shù)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(shù)翻修，而傳統(tǒng)的人工假體可能無法滿足手術(shù)的要求。3D打印技術(shù)的應(yīng)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(guān)節(jié)假體，可以很好的滿足術(shù)者的需求，達(dá)到更好的預(yù)期效果。四、骨腫瘤的應(yīng)用對于惡性骨腫瘤一般通過切除進(jìn)行治療，手術(shù)往往需要大面積的截骨和對周圍軟組織進(jìn)行清掃。術(shù)中截骨會導(dǎo)致截骨面邊緣不規(guī)則，一般骨缺損大，標(biāo)準(zhǔn)化的人工關(guān)節(jié)往往無法滿足術(shù)中的要求。在骨腫瘤的診斷和治療上，3D打印技術(shù)是最好的選擇。手術(shù)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(jìn)行術(shù)前的手術(shù)計劃，做好手術(shù)前的準(zhǔn)備。根據(jù)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(fù)，術(shù)后風(fēng)險低，并發(fā)癥少。五、臨床應(yīng)用情況思考1.在骨科的應(yīng)用特點(diǎn)術(shù)前：利用快速原型制造，輔助手術(shù)設(shè)計。利用CT，MR等影像技術(shù)，重建骨骼的三維圖像，然后采用分層實體制造技術(shù)獲得骨骼的原型，用于教學(xué)、演示與手術(shù)設(shè)計；利用人體解剖的對稱性，或者存儲于數(shù)據(jù)庫中的人體解剖學(xué)數(shù)據(jù)，反求或模擬缺失部位的骨骼三維圖像，輔助傳統(tǒng)的機(jī)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(shù)設(shè)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(jìn)行準(zhǔn)確的診斷，對患者的病情進(jìn)行全面的評價，做好術(shù)前的手術(shù)規(guī)劃。另一方面通過3D打印模型與患者進(jìn)行溝通，使患者對病情有更客觀、更清晰的認(rèn)識，更好的與醫(yī)生合作，從而提升患者的臨床療效。術(shù)中：基于3D打印的導(dǎo)板設(shè)計與應(yīng)用和基于3D打印的骨科植入物的研發(fā)。利用3D打印技術(shù)，將手術(shù)中的導(dǎo)航模板打印出來，提高手術(shù)位置的精準(zhǔn)性，節(jié)約手術(shù)時間，簡化復(fù)雜手術(shù)。3D打印在計算機(jī)輔助設(shè)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(jié)構(gòu)可調(diào)整植入體的彈性模量，減少應(yīng)力遮擋；在植入體的表面可以促進(jìn)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(shù)時間、提高術(shù)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(shè)施，增加額外的人員培訓(xùn)等。②可打印材料限制。3D打印技術(shù)對材料的要求很高，目前應(yīng)用較多的可打印材料有樹脂、尼龍、金屬等。③臨床應(yīng)用局限。3D打印技術(shù)是一項新技術(shù)，涉及多學(xué)科的交叉配合，生產(chǎn)制造需要多方合作努力，普通醫(yī)療機(jī)構(gòu)應(yīng)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(xì)胞組織，目前尚無相關(guān)的監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)的法律法規(guī)也不完善。3.展望①價格和門檻：隨著計算機(jī)和材料科學(xué)的發(fā)展，3D打印技術(shù)會越來越成熟，成本會越來越低，未來應(yīng)用面也會越來越廣。②快速生產(chǎn)：隨著3D打印技術(shù)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(jìn)步，可打印材料的發(fā)展，采用3D打印技術(shù)生產(chǎn)出具有生物活性的人造骨骼是未來的發(fā)展方向之一。結(jié)論：3D打印技術(shù)在骨科領(lǐng)域已有部分應(yīng)用，盡管其發(fā)展受到多種因素的限制，但隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和社會的不斷進(jìn)步，3D打印技術(shù)必然會在骨科領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用，造福于患者。參考文獻(xiàn)：[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(shù)切除與重建中的應(yīng)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(zhǔn)模板的脊柱機(jī)器人系統(tǒng)在椎板切除中的應(yīng)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(shù)結(jié)合標(biāo)志定位法在脛骨遠(yuǎn)端A型骨折中的臨床應(yīng)用[J].生物骨科材料與臨床研究,2022,19(3