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3D打印技术在骨科的应用研究进展

2015/10/28    来源:互联网    作者:刘琨  赵汝岗  张强      
关键字:3D打印技术  骨科  
随着3D打印技术的进一步发展,3D打印在骨科中的应用会越来越广,设备及材料的价格会大大降低,精度会越来越高,同时材料可选范围的扩大,打印物品的质量也会越来越好。

    “3D打印技术”,又称“快速成型技术”或者“快速原型技术”(rapid prototyping,RP),是一种与传统“减材制造”技术相反、在三维数字模型的基础上采用逐层制造方式将材料堆积起来的新型“增材制造”技术。3D打印在医学中最先应用于牙科及颌面外科,近年来在组织工程领域的研究越来越多,其在骨科中的应用也日益得到重视。目前最常用的3D打印程序是:首先进行螺旋CT扫描得到Dicom文件,用计算机辅助设计(computer-aided design,CAD)软件-Mimics进行三维重建和设计,将重建结果以STL格式文件输入到3D打印机,按照设计图,逐层精确制造出每一层面后叠加起来,从而得到想要的实物模型。本文就3D打印在骨骼模型、假体植入物、导航模板及支具4个方面的研究进展作一综述,并对其应用前景进行展望。

3D打印骨骼模型

    对于一些复杂骨折和畸形,单纯凭借CT或MRI等影像学资料难以对局部解剖结构形成形象、直观的认识,手术难度和风险较大。3D打印骨骼模型将真实的骨骼结构呈现在眼前,可以更加直观地了解病变的严重程度,分析导致病变的原因和机制,有助于疾病的分型及诊断,同时还可用来计划和模拟手术。这是3D打印技术在骨科领域应用研究的重点内容之一,国内外已经有较多学者在这方面做了大量研究工作。

    Bagaria等用3D打印技术制作了2例髋臼、1例跟骨和1例股骨内髁(Hoffa骨折)复杂骨折的骨骼模型,在模型上模拟手术,术前将钢板预弯,并明确螺钉的轨道和尺寸,使手术时间大大缩短,且增加了手术操作的精确度,术后X线片及CT检查显示骨折复位良好。孟国林等对16例复杂胫骨平台骨折患者3D打印制备出1:1等大的胫骨平台骨折模型,明确骨折类型并指导制定手术方案,所有患者均获骨性愈合,术后膝关节功能优良率为87.5%。Madrazo等报告利用3D打印技术为2例患者制作了脊柱模型,这对疾病诊断、术前规划和手术模拟都起到了非常重要的作用,同时可以更直观地使患者了解引起神经根和脊髓压迫症状的器质性病变,更形象地向患者介绍手术方案、疗效和风险。王征等根据6例脊柱畸形患者的CT数据,利用3D打印技术制作了脊柱畸形模型,术前直观、准确地掌握脊柱畸形的具体病变情况,制定手术计划,术中与模型对照.判断畸形椎体椎弓根的位置和方向,6例患者手术过程顺利,矫形和内固定满意,未出现神经、血管损伤等并发症。

    借助与人体骨骼完全一致的1:1大小的实体模型,骨科医生可以对病变形成更直观的认识,有利于理解疾病的发病机制,并做出诊断,同时可以更好地了解病变部位的解剖情况,制定更合理的个体化手术方案,预先发现术中及术后可能出现的问题,降低手术风险。其次,在模型上模拟手术,可以在术前将钢板预弯,螺钉预放置,甚至可以将个性化钢板、螺钉直接打印出来,不再需要准备大量器械备用,大大节约了手术时间,减少了术中透视、麻醉剂的用量及术中出血量,更容易实现解剖复位。同时,医生借用模型可以更直观地向患者讲解病变情况及手术的相关细节,使患者更好地了解手术方案及风险,有利于医患沟通。此外,模型还可用于医学教学,未来的医学课堂上可能会出现3D打印的骨骼模型。

3D打印假体植入物

    3D打印假体植人物在口腔颌面外科的应用已日趋成熟,其在骨科创伤修复中的应用也成为一大热点。与传统假体植入物相比,3D打印的假体植人物具有3大优势:①可根据人体骨骼缺损形状随意塑形,通过患侧反求技术或健侧镜像转换制作出与原局部解剖形态一致的假体植人物,尽可能恢复患者骨骼的外观和功能。Dai等采用3D打印技术为10例严重骨盆损伤需行半骨盆切除置换术的患者制备了骨盆模型,设计手术方案,确定切除范围,同时设计并植入个体化假体,术中操作顺利,假体匹配良好,术后X线片示假体固定确切,无松动、移位等情况。②假体植入物可联合多孔仿生技术,使植人物不仅具有精确的三维空间结构,其内部微孔结构还具有极好的生物相容性,有利于细胞的黏附和增殖,使活体骨与假体牢固地结合起来,促进骨组织修复。Hollander等报告,利用3D打印技术制作的钛合金骨组织工程多孔支架不仅具有抗拉伸和压缩性能,而且在体外试验中,与人成骨细胞共培养14 d后,支架表面和孔内有大量成骨细胞黏附、生长,并增殖、分化形成柱状结构。③可直接打印出具有生命活性且解剖结构完全与人体匹配的组织工程骨。Fedorovich等通过3D打印技术打印出具有预定外形和内部形态的水凝胶结构,然后将间充质干细胞打印到水凝胶中。应用多个打印喷头,每个喷头内含有不同类型的细胞和水凝胶,可打印出不同的组织。打印材料中还可以加入生长因子,如骨形态发生蛋白和血管内皮生长因子,从而促进骨骼生长和血管形成。Ding等利用3D打印技术将软骨细胞和骨髓基质细胞分别植入到具有特定形状和结构的聚乳酸涂层的聚羟基乙酸和聚己内酯/纳米羟基磷灰石支架中,分别用于软骨和骨再生。植入裸鼠皮下10周后,成功构建再生山羊股骨头,其组织学结构和生物力学性能与活体股骨头相似。但要想将3D打印组织工程骨应用于临床还有很长一段路要走。

3D打印导航模板

    在脊柱外科,椎弓根螺钉内固定术在脊柱三柱固定生物力学方面具有非常好的优越性,其应用日趋普遍。传统的徒手置钉存在偏离、穿孔、透视大等问题。椎弓根导板导航是一种利用3D打印导板为椎弓根螺钉置人导航的新技术,其表面与脊柱后表面完全贴合,将导板消毒用于术中椎弓根螺钉的置入,在导板引导下精确置钉。Lu等应用导航模板在尸体标本研究中置人36枚椎弓根螺钉,术后CT扫描没有发生穿孔。另外,还在6例患者置入22枚螺钉,术后CT扫描显示没有发生错位,且仅需在所有螺钉置入后透视1次,显著缩短了手术时间,减少射线暴露。Merc等用导板导航和徒手法分别为20例患者置人54枚螺钉,术后对两组椎弓根螺钉置入情况进行评估和统计分析,导板组穿孔率及螺钉偏移率显著降低。张强等对7例复杂腰椎手术患者进行椎弓根导板导航,结果7例患者均按计划成功完成手术,无脊髓、神经、血管损伤等手术并发症发生,术中所见与术前数字化三维重建模型的形状和测量结果完全一致,术后复查X线片和CT显示椎弓根螺钉位置良好。椎弓根导板导航技术简单,定位精准,并且可以大大缩短手术时间,减少术中出血量及透视时间,是椎弓根螺钉置入安全、有效的辅助技术手段。

    此外,3D打印模板还可应用于畸形矫正、关节置换和骨肿瘤切除的截骨,利用CT及MRI影像学数据,在计算机上设计截骨模板,预测力线恢复程度,然后将骨骼原型及截骨模板打印出来用于手术模拟和术中截骨。

3D打印支具

    对于骨损伤、骨骼畸形及骨科术后的患者,良好的支具对恢复正常功能具有重要意义。目前通常采用的石膏外固定与皮肤贴合度及舒适度差,长达数周、甚至数月的石膏外固定,使患者非常痛苦,尤其是在炎热的夏天。另外,石膏硬度大,不利于后期功能康复,而后期如果不进行适当的功能训练,患肢肌肉力量将严重减弱,关节活动幅度也将降低。Milusheva等介绍了个性化3D打印踝关节支具的制作方法,通过计算机优化、预处理和重建后得到踝关节三维模型,利用3D打印技术制造出新型的个性化踝足矫形器辅助足下垂患者踝关节的屈伸。Mavroidis等用3D打印技术为患者量身定制了踝支具,并对穿着踝支具的受试者进行步态分析,结果表明3D打印踝支具更符合受试者的解剖结构和步态生物力学曲线。Faustini等实验验证了3D打印技术制造踝支具的可行性。这一支具在患者行走时提供一个水平变量支持,使机械能返回到脚踝,从而实现平稳高效的步态,有利于患者功能锻炼和辅助行走。另外,Sun等应用3D打印技术制作了鞋垫,这些鞋垫可以与脚弓紧密贴合,并在足跟和足弓前部将压力分散,使足底压力减少,穿戴更加舒适、轻便。

    脊柱侧弯常常需要佩戴矫形支具来辅助治疗,这一方法同样适用。虽然目前极少见3D打印脊柱矫形支具的文献报道,但Desbiens-Blais等和Visser等已经通过计算机辅助设计与制造软件对脊柱侧凸患者3D躯干表面数据进行有限元建模和生物力学仿真模拟,用计算机数控铣床制作出新型个性化矫形支具。理论上,脊柱矫形支具也可以应用3D打印技术制作,而且会更加精确、节省材料。

    3D打印支具轻便易于穿戴,能与患者皮肤很好地贴合,患者可以像正常人一样穿衣,不怕被水淋湿,甚至可以穿着洗澡。而且,用于3D打印的不同材料具有不同的功能,刚硬度较大的材料可用于骨折治疗前期,起到支撑和保护作用,而柔韧性较大的材料则有利于患者后期进行功能锻炼,促进关节功能恢复。3D打印支具有可能成为未来骨骼外固定的主流。

前景与展望

    3D打印技术是一项新兴技术,在未来几年将会被广泛应用于医学各领域,尤其是骨科领域。要使这一愿景成为现实,必须克服3D打印目前存在的局限性:①基础设施问题,机器、材料的高成本阻碍了3D打印技术的普遍使用。②模型准备时间较长,虽然称为“快速成型”,这里的快速是相对传统个性化制作而言,无法用于急诊手术。当手术计划改变时,也无法在术中进行设计。③材料的可选择范围也是一大障碍,目前可以用于3D打印的材料种类有限,而且其生物及物理性能有待进一步提高。④目前3D打印产品的尺寸精度最高为0.1mm,要达到微米级还有很长的路要走。

    随着3D打印技术的进一步发展,3D打印在骨科中的应用会越来越广,设备及材料的价格会大大降低,精度会越来越高,同时材料可选范围的扩大,打印物品的质量也会越来越好。相信有朝一日,3D打印会像常规X线片及CT检查一样普遍,影像科、甚至骨科病房、手术室能常规配备3D打印机,按照需要随时直接打印,无需联系厂家,从而大大减少制作时间,避免延误手术,更好地服务于患者。

责任编辑:程玥
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