3D 打印技术在骨科及手外科领域的应用研究进展

卢鹏 田文

·综述 Review·

3D 打印技术在骨科及手外科领域的应用研究进展

卢鹏 田文

打印，三维；矫形外科学；手；外科手术，计算机辅助；生物打印

3D 打印技术是一种快速成型技术[1]。这种技术通过3D 打印机和相应的计算机软件使 CT、MRI、X 线片、超声成像等影像学检查的三维重建图像可以实体化。近年来在临床医学领域，尤其在骨科、脊柱外科、颌面外科、神经外科、心外科中得到了越来越多的重视[2]。3D 打印技术通过其在诊疗过程中个体化、精细化的技术特点。利用3D 打印技术进行诊断和辅助治疗，代表着骨科及手外科手术个体化、精细化的先进方向。笔者将结合国内外的相关资料，介绍 3D 打印技术在骨科及手外科领域的研究进展、应用现状、面临的困难和未来展望。

一、3D 打印技术的种类及发展历程

3D 打印技术是指在数字模型数据基础上，运用金属或塑料等粉末，将模型数据实体化为实物的快速成型技术。本技术主要由建立 3D 打印模型、使用 3D 打印机打印模型、模型再加工三个核心步骤组成[3]。现代意义上 3D打印技术最早出现在 20 世纪 80 年代的美国，由美国科学家 Charles Hull 等发明。在接下来的三十余年中，3D 打印技术逐渐完善并发展出了如光固化法 ( stereo lithography apparatus，SLA )、熔融沉积成型 ( fused deposition modeling，FDM )、选择性激光烧成 ( selective laser sintering，SLS )、多点喷射建模 ( multijet modeling，MJM )、粘结剂喷射技术( binder jet technique，BJT )、分层实体制造 ( laminated object manufacturing，LOM ) 等不同的 3D 打印技术[1,4-5]。这些技术各有优劣，部分常用技术具体如下：

1. SLA：采用紫外激光和树脂进行打印。使用材料包括环氧树脂、丙烯酸酯、光致聚合物 ( photopolymer )等。打印层厚 ( Layer thickness ) 0.002 mm，X / Y 分辨率0.004[6]，是现在的标准方法 ( current gold standard )。具有分辨率高、随着打印尺寸的增大打印效率逐渐提高、内部结构精细等优点。主要不足则包括＞1 天的打印时间、需要大量的后期手工处理、材料及维护昂贵等[1]。

2. FDM：由 Stratasys 公司开发 ( Eden Prairie，MN，USA )。FDM 通过加热的热塑性材料逐层生成模型。使用材料包括丙烯腈－丁二烯－苯乙烯 ( ABS )、蜡、聚碳酸酯、聚丙烯、各种聚酯等。打印层厚 0.007 mm，X / Y 分辨率 0.0028[6]。维护费用在各方法中最低[1]，优势是可以使用多种不同的材料以及不需要后固化处理 ( no postcuring )。缺点则包括在打印大尺寸模型时处理缓慢、细节差、表面光洁度低[4]。

3. SLS：使用 CO2激光将热塑性粉末熔化或烧成形成模型。使用材料包括热塑性塑料、尼龙、聚苯乙烯、钢、钛和复合材料等。打印层厚 0.004～0.006 mm，X / Y 分辨率 0.030～0.050[6]。主要优点包括：可以打印复杂的或具有功能的物体、不需要支撑结构、效率高[4]、可以使用金属作为材料[1]等。缺点主要为费用昂贵且需要操作者有非常专业的后期处理能力[1]。关于打印物品的表面光洁程度，不同文献存在不同的说法，Chae 等[1]认为表面光洁程度好，Alali 等[4]则认为表面粗糙。

二、3D 打印技术在骨科及手外科中的研究及应用

个体化治疗是骨科的一个重要发展方向，通过个体化的治疗，可以满足不同性别、人种、宗教、运动习惯、职业的个体需要[7]。3D 打印技术最突出的特点就是复杂成型和个体化。因此，3D 打印技术目前广泛应用于骨科及其下属的各个亚专科当中。

目前，3D 打印技术在骨科及手外科临床中主要用于以下几个方面：( 1 ) 制作模具用于设计手术方案、术中导航；( 2 ) 个体化外固定及内植入物；( 3 ) 临床教学；( 4 )生物打印。下文将分别就这四点进行详细阐述。

1. 模具制作用于设计方案和术中导航：目前骨科临床医生最常使用 2D 的 X 线片或 CT、MRI 等进行术前诊断和手术设计。但是这需要外科医生具备优秀的空间想象力。近年来，CT 和 MRI 的三维重建成像使得医生们能够获得的影像资料更为立体，但是依然不够直观[2]。3D 打印技术通过制作模具可以有效地解决这一情况。与三维重建的图像相比，3D 打印的实物更为直观地再现了病变部位的解剖部位，方便测量和定位，简化了手术设计的难度，同时可以用于术中导航、临床教学等。

Hurson 等[8]参考 CT 影像学资料，使用 SLS 打印技术，对 12 例髋臼骨折患者的骨盆进行了等比例的模型打印，邀请了多名高年资骨科医师分别使用常规骨盆 X 线片、Judet 位 X 线片、CT 等传统影像学资料对髋臼骨折进行评估、分型以及术前规划，并与通过 3D 打印模型进行的相应评估、分型及术前规划对比。结果显示，在高年资医生中，使用传统影像学资料的 Kappa 值为 0.61 而使用3D 模型的 Kappa 值为 0.76 ( P＜0.05 )。在低年资医生中，使用传统影像学资料的 Kappa 值为 0.42 而使用 3D 模型的Kappa 值为 0.71 ( P＜0.01 )。Hurson 等认为，在临床诊断过程中，3D 打印模型较传统影像学资料具有显著优势，并且在培训年轻住院医和医学生中具有意义。Li 等[9]报道了 1 例在髋关节翻修术中使用 3D 打印技术打印等比例骨盆模型确定骨缺损大小，定制个体化的垫块 ( cage )，取得了良好的临床效果的病例。Sciberras 等[10]也报道了 1 例复杂髋关节翻修术中利用 3D 打印技术打印等比例骨盆模型进行术前评估和操作练习，取得良好临床效果的病例。

Brown 等[11]在 107 例包括复杂腕关节骨折、髋臼骨折、脊柱骨折等在内的复杂骨折患者的治疗过程中使用了3D 打印技术，取得了良好的临床效果。Brown 等认为 3D打印的模型对内固定物，如钢板、螺钉、克氏针等的植入准确度起到了提升作用。Bagaria 等[12]在髋臼、跟骨、Hoffa 骨折等复杂骨折中使用了 3D 打印的等比例模型及导航模板，认为此法可以有效缩短手术时间、减少麻醉药物用量、减少手术出血并且有助于实现更精确的复位。Bargaria 等认为，3D 打印技术将在近关节、脊柱、髋臼、颅面部复杂骨折的治疗过程中发挥重要作用。Merc 等[13]将 20 例随机分为 3D 打印导板导航组和传统透视组，进行腰椎及骶椎椎弓根螺钉植入手术对照试验。结果显示3D 打印导板导航组的穿孔率及螺钉偏移率均明显低于对照组。

许靖等[14]采集 7 例拇指受伤缺损患者双手及双足的CT 扫描数据，利用 Mimics 软件自带“Mirror”功能生成健侧手的镜像，得到缺损拇指的三维形态模型。利用 3D 打印技术将生成的缺损模型打印出来，制作样布准确指导供区的选择，取得了良好的临床效果。Lim 等[15]在通过药物注射治疗扳机指的患者时，通过 3D 打印技术设计了个体化的双重功能微针阵列 ( dual-function microneedle array ) 用于匹配不同患者的手指皮肤形状，从而提高了给药效果。

综上所述，3D 打印技术所制作的模具对骨折分型、手术设计、操作练习具有积极意义，并且可以用于术中导航，指导内固定物的准确置入、缩短手术时间、提高手术精确性和安全性。但是此种技术的应用会延长术前准备的时间，并提高治疗费用[16]。

2. 个体化外固定及内植入物：骨科常用的内植入物往往是标准化的，这些标准化的内植入物也往往能够满足大多数手术的需求。但是在特殊的情况下，患者可能很难在标准化内植入物中选择自己合适的大小或形状。这种情况主要发生在大范围骨盆缺损、骨肿瘤等患者身上。3D 打印技术可以实现个体化的内植入物的制作[2]。此外，Qiao等[17-18]也报道了结合计算机辅助复位技术与三维打印技术定制外固定架提高复位准确性和固定效果的研究。

Saijo 等[19]利用 3D 打印技术磷酸三钙粉末等生物活性材料制备成个性化假体，经过加工后对 10 例颌面部畸形的患者进行了人造骨移植，使得手术时间减少，且人造骨骼与宿主的骨组织之间未发生严重的不良反应，取得了满意的临床效果。戴 戎等[20]利用 3D 打印技术打印了金属材料的人工骨盆，并成功完成了人工半骨盆置换，取得了理想的临床效果，保全了患者的臀部及下肢。裴延军等[21]利用 3D 打印技术打印了钛合金锁骨及肩胛骨，并成功植入骨肿瘤患者体内，效果良好。王燎等[7]认为 DDH患者髋关节解剖形态较正常人群变异更加显著，单侧DDH 患者可以将正常髋关节作为参照，实现髋臼假体的个体化植入。

目前具有生物活性的植入物依然处于研发阶段。但也有动物实验论证了具有生物活性的植入物是可行的研究方向[22-26]。

3. 临床教学：临床工作中，临床教学也是重要的组成部分。现在轮转住院医、规培医师、进修医师、医学生之间的水平参差不齐，X 线及 CT 等传统影像学资料的阅片难度较高，对低年资医生而言很难做到全面。三维实体的模具会病变部位的解剖变化变得简单明了。同时，3D 打印的模具也可以用做术前操作练习。

Ma 等[27]通过尸体研究认为使用 3D 打印的导板进行椎弓根钉置入术可以缩短学习曲线。Hurson 等[8]也认为术前的 3D 打印模具有助于提高经验不足的住院医及医学生对患者病情的认识。Watson 等[28]通过激光烧成的尼龙制作了多个 3D 打印的肝脏模型，用于肝脏的解剖及影像学教学。Watson 等认为，3D 模型在对住院医和医学生的教学中取得了良好的效果，这主要是因为实体模型相较于影像学资料更为直观，不需要空间想象力，而且动手触摸比单纯观察更有助于理解学习的内容。Costello 等[29]评估了利用 3D 打印技术进行室间隔缺损临床教学的可行性。结果显示利用了 3D 打印模型的教学使得学员的知识获取、知识汇报和结构概念都有了显著的提升。

4. 生物打印：Wilson 等[30]早在 2003 年就提出了细胞及器官打印的概念：一种在体外构造多细胞三维体系的技术。这种技术通过计算机精确控制细胞在三维空间中的排列，使得打印出来的组织具有生物学功能，并可以在体内存活。但是此种技术目前仍处于发展初期，罕有临床使用的报道。

王燎等[7]认为以自身组织为材料，结合生长因子及支架，设计组织工程草图，就有机会实现器官再造，而其中的支架是关键因素。所以生物打印本质上是利用 3D 打印技术来制造复杂的支架结构。

三、3D 打印技术面临的困难

笔者认为，3D 打印技术目前面临的困难主要包括以下几个方面：

1. 昂贵的费用和时间消耗：3D 模型的设计依赖于 CT三维重建图像等传统影像学资料，同时产生额外的设备维护费用、专业人员培训费用、材料费用等。在术前通过3D 打印技术完善手术设计和术中进行导航所带来的手术效果提升，并不总显得具有高性价比。对于部分经济困难的地区和患者，3D 打印技术的费用往往是难以接受的。同时如现在最常规的 SLA，打印时间超过 1 天[6]，这意味着术前准备的时间大幅延长，对于部分急症患者显然是不适用的。

2. 材料限制：目前比较成熟的 3D 打印材料主要为塑料、陶瓷、金属、树脂等[6]，这些材料能够满足术前模具制造的需求，但是显然无法满足临床中的各种需求。而较为先进的具有生物活性的材料目前还处于研究的初级阶段，如快速成型聚乳酸－聚羟乙酸，磷酸三钙材料就仍然处于动物实验阶段[23]。

3. 精确性依然有待提高：虽然 3D 打印技术在个体化及制造结构复杂的模型方面有着明显的优势，但是其精度依然不能满足所有临床需求。精确度最高的 SLA 打印层厚为 0.002 mm[6]。

4. 需要专业的操作人员：3D 打印技术的应用需要具备相应的影像学、解剖学知识，同时还要学习 3D 打印机及其配套软件的使用方法。多数普通医院不具备这样的能力，导致目前 3D 打印技术很难大规模普及。

四、未来展望

3D 打印技术发展至今，已经取得了大量的临床成果，也仍有广阔的发展前景。目前而言，3D 打印技术在骨科的应用主要用于术前计划和术中导航，而在手外科的应用甚少，主要为拇指再造、复杂的腕关节骨折等。但可以推测，3D 打印技术还可以用于手部先天畸形尤其是单侧的手部先天畸形，如多指畸形、手指偏斜畸形等的截骨矫形治疗。在不久的将来，新型的具有生物活性的材料投入临床使用后，可以预见 3D 将更广泛地应用于各种原因如创伤、先天畸形、肿瘤等造成的组织缺损的治疗之中。

[1] Chae MP, Rozen WM, McMenamin PG, et al. Emerging applications of bedside 3D printing in plastic surgery[J]. Front Surg, 2015, 2:25.

[2] Tack P, Victor J, Gemmel P, et al. 3D-printing techniques in a medical setting: a systematic literature review[J]. Biomed Eng Online, 2016, 15(1):115.

[3] Rengier F, Mehndiratta A, von Tengg-Kobligk H, et al. 3D printing based on imaging data: review of medical applications[J]. Int J Comput Assist Radiol Surg, 2010, 5(4): 335-341.

[4] AlAli AB, Grif fi n MF, Butler PE. Three-dimensional printing surgical applications[J]. Eplasty, 2015, 15:e37.

[5] McGurk M, Amis AA, Potamianos P, et al. Rapid prototyping techniques for anatomical modelling in medicine[J]. Ann R Coll Surg Engl, 1997, 79(3):169-174.

[6] Hoang D, Perrault D, Stevanovic M, et al. Surgical applications of three-dimensional printing: a review of the current literature & how to get started[J]. Ann Transl Med, 2016, 4(23):456.

[7] 王燎, 戴 戎. 骨科个体化治疗与 3D 打印技术[J]. 医用生物力学, 2014, 29(3):193-199.

[8] Hurson C, Tansey A, O’Donnchadha B, et al. Rapid prototyping in the assessment, classi fi cation and preoperative planning of acetabular fractures[J]. Injury, 2007, 38(10):1158-1162.

[9] Li H, Wang L, Mao Y, et al. Revision of complex acetabular defects using cages with the aid of rapid prototyping[J]. J Arthroplasty, 2013, 28(10):1770-1775.

[10] Sciberras N, Frame M, Bharadwaj R, et al. A novel technique for pre-operative planning of severe acetabular defects during revision hip arthroplasty[J]. Br Editor Society Bone Joint Surg, 2013.

[11] Brown GA, Firoozbakhsh K, DeCoster TA, et al. Rapid prototyping: the future of trauma surgery[J]? J Bone Joint Surg Am, 2003, 85-A(Suppl 4):49-55.

[12] Bagaria V, Deshpande S, Rasalkar DD, et al. Use of rapid prototyping and three-dimensional reconstruction modeling in the management of complex fractures[J]. Current Orthopaedic Practice, 2009, 20(3):337-340.

[13] Merc M, Drstvensek I, Vogrin M, et al. A multi-level rapid prototyping drill guide template reduces the perforation risk of pedicle screw placement in the lumbar and sacral spine[J]. Arch Orthop Trauma Surg, 2013, 133(7):893-899.

[14] 许靖, 张国栋, 谭海涛, 等. 数字化设计结合 3D 打印技术在拇指再造中的应用[J]. 中国临床解剖学杂志, 2015, 33(5): 541-544.

[15] Lim SH, Ng JY, Kang L. Three-dimensional printing of a microneedle array on personalized curved surfaces for dualpronged treatment of trigger finger[J]. Biofabrication, 2017, 9(1):015010.

[16] Tricot M, Duy KT, Docquier PL. 3D-corrective osteotomy using surgical guides for posttraumatic distal humeral deformity[J]. Acta Orthop Belg, 2012, 78(4):538-542.

[17] Qiao F, Li D, Jin Z, et al. A novel combination of computerassisted reduction technique and three dimensional printed patient-specific external fixator for treatment of tibial fractures[J]. Int Orthop, 2016, 40(4):835-841.

[18] Qiao F, Li D, Jin Z, et al. Application of 3D printed customized external fixator in fracture reduction[J]. Injury, 2015, 46(6): 1150-1155.

[19] Saijo H, Igawa K, Kanno Y, et al. Maxillofacial reconstruction using custom-made arti fi cial bones fabricated by inkjet printing technology[J]. J Artif Organs, 2009, 12(3):200-205.

[20] 戴 戎, 朱振安, 孙月华, 等. 计算机辅助个体化人工半骨盆的设计与应用[J]. 中华骨科杂志, 2005, 25(5):258-262.

[21] 裴延军, 吴智钢. 世界首例 3D 打印钛合金锁骨和肩胛骨植入手术在西京医院成功实施[J]. 中华创伤骨科杂志, 2014, 16(5):8.

[22] Meseguer-Olmo L, Vicente-Ortega V, Alcaraz-Banos M, et al. In-vivo behavior of Si-hydroxyapatite / polycaprolactone / DMB scaffolds fabricated by 3D printing[J]. J Biomed Mater Res A, 2013, 101(7):2038-2048.

[23] 孙梁, 熊卓. 快速成型聚乳酸 - 聚羟乙酸 / 磷酸三钙支架修复兔桡骨缺损[J]. 中国组织工程研究, 2011, 15(12): 2091-2094.

[24] Pang L, Hao W, Jiang M, et al. Bony defect repair in rabbit using hybrid rapid prototyping polylactic-co-glycolic acid / β-tricalciumphosphate collagen I / apatite scaffold and bone marrow mesenchymal stem cells[J]. Indian J Orthop, 2013, 47(4):388-394.

[25] Mangano C, Barboni B, Valbonetti L, et al. In vivo behavior of a custom-made 3D synthetic bone substitute in sinus augmentation procedures in sheep[J]. J Oral Implantol, 2015, 41(3):240-250.

[26] Inzana JA, Olvera D, Fuller SM, et al. 3D printing of composite calcium phosphate and collagen scaffolds for bone regeneration[J]. Biomaterials, 2014, 35(13):4026-4034.

[27] Ma T, Xu YQ, Cheng YB, et al. A novel computer-assisted drill guide template for thoracic pedicle screw placement: a cadaveric study[J]. Arch Orthop Trauma Surg, 2012, 132(1): 65-72.

[28] Watson RA. A low-cost surgical application of additive fabrication[J]. J Surg Educ, 2014, 71(1):14-17.

[29] Costello JP, Olivieri LJ, Krieger A, et al. Utilizing threedimensional printing technology to assess the feasibility of high-fidelity synthetic ventricular septal defect models for simulation in medical education[J]. World J Pediatr Congenit Heart Surg, 2014, 5(3):421-426.

[30] Wilson WC Jr, Boland T. Cell and organ printing 1: protein and cell printers[J]. Anat Rec A Discov Mol Cell Evol Biol, 2003, 272(2):491-496.

( 本文编辑：王萌 )

Research progress of application of 3D printing technology in orthopedics and hand surgery

LU Peng, TIAN Wen. Peking University Health Science Center No.4 Clinical Medical School, Beijing, 100035, China

TIAN Wen, Email: wentiansyz@hotmail.com

3D printing technology is a kind of rapid prototyping. With 3D-printers and associated computer programs, required 3D models could be built by plastics, nylon, metals et al. This recently developing technique is widely used in orthopedics and hand surgery fi elds. For example, a 3D-printed model has positive effect on fracture classif i cation, preoperative planning and operation practicing. Intraoperative guidance based on 3D printing technology could guide the accurate placement of internal fixation, shorten the operation time, and improve the accuracy and safety of operation. Additionally, this rapid prototyping technique could be used in designing of internal/external fixation materials, clinical education, and bio-printing. In this review, we introduced the common types of 3D printing technology, gave a detailed description of SLA, FDM, and SLS techniques, summarized the application of this technique in orthopedics and hand surgery fi elds. In addition, def i ciencies were summarized and prospects were analyzed brief l y.

Printing, three-dimensional; Orthopedics; Hand; Surgery, computer-assisted; Bioprinting

10.3969/j.issn.2095-252X.2017.05.006

R687, TS941.26

100035 北京大学医学部第四临床医学院 ( 卢鹏 )；100035 北京积水潭医院手外科 ( 田文 )

田文，Email: wentiansyz@hotmail.com

2017-03-28 )