3D打印技术在关节置换方面的应用研究及进展

天津市蓟州区人民医院骨科 （天津 301900）

内容提要： 3D打印技术是一种可将抽象三维数字模型转变为直观实物模型的打印技术，该技术在关节外科可实现对假体材料的个体制作。3D打印技术在关节置换方面能较好解决术中不同型号假体的选择，提高术中假体安放位置的准确性及矫正效果等，该技术可提高关节置换术的手术精准度与手术疗效。文章综述3D打印技术在关节置换方面的应用研究及应用进展。

3D打印是一种采用数字模型模板，通过树脂、金属粉末以及塑料等具有黏合性材料进行逐层打印的立体打印技术，该技术具有快速成型优势。在近年来，3D打印技术不断发展与成熟，如熔融沉积成型、选择性激光烧结等技术的发展，使其在关节外科个体化假体定制方面发挥更好的作用，可有效解决在传统的置换手术治疗中不同患者对假体型号选择不同的问题、对假体置入位置选择以及对关节畸形的矫正问题，从而提高关节置换术的手术精准度与手术疗效[1]。本文主要以针对3D打印技术在当前关节置换术治疗应用进行综述。

1.3D打印技术在髋关节置换术中的应用

1.1 实现了个体化的髋臼假体设计及制作

全髋关节置换手术（THA）是一种通过人工假体代替无法发挥正常功能髋关节的术式，THA术可恢复患者髋关节的稳定性、指出作用及恢复关节的活动度。而对于发生发育性髋关节脱位（DDH）的患者，往往因髋臼发育异常导致其髋臼形态发生改变，临床对于此类患者的髋臼重建相对困难，而通过应用3D打印可精确打印出患者髋臼假体的立体模型，从而使医师可在术前能更加直观地了解患者的髋臼形态特征以及其相应的解剖关系，有利于术前制作出患者髋臼假体并进行模拟手术，提高术中假体的匹配程度以及假体的稳定性。王彭等[2]将18例儿童DDH患者分为3D打印组（8例）与常规组（10例），3D打印组通过3D打印制作仿真模型及手术导板，常规组进行常规手术治疗，其研究结果提示，3D打印组相比于常规组的手术时间更短，术中出血量、透视次数相对更少，且3D打印组的Mackay评分优良率相对更高，提示采用3D打印结合计算机辅助导板设计在DDH临床治疗中可发挥明确疗效。黄殿华等[3]应用3D打印技术打印三角骨块导板治疗儿童DDH患者，其研究提示，儿童DDH患者应用3D打印技术打印三角骨块导板结合Salter骨盆截骨术治疗中，施术者能在术前更好评估患儿矫正后髋臼指数与髋臼前倾角度数，便于准确制定手术治疗方案，提高手术疗效。

1.2 强化对髋关节翻修术髋臼骨的缺损有效处理

髋关节发生无菌性松动或骨溶解患者常需采用髋臼翻修术进行治疗，此类疾病患者需进行翻修的髋臼部分往往出现不同程度的骨缺损症状，对于骨缺损的干预处理方法是该术式治疗的难点[4]。在进行髋臼翻修术治疗当中，若患者存在有巨大的骨缺损或骨盆发生连续中断时，需采用髋臼加强环以恢复患者该处髋臼完整性与连续性。而传统的髋臼加强环在临床应用过程中存在个体化程度相对较低、多孔涂层少以及无法提供长期性的生物固定等缺陷。通过应用3D打印技术定制个体化的髋臼加强环能有效增加多孔涂层数量，该技术制作髋臼加强环的个体化程度高，能起到完全修复髋臼骨缺损并促进骨长入的作用，从而使假体获得更强、更长久的稳定性。Li等[5]通过3D打印制作具有个体化的钽金属质髋臼加强环，并将其应用于24例髋关节翻修术患者的临床治疗当中，术后的持续性随访（平均67个月）显示，患者术后HHS评分与术前相比，从36分提高到了82分，同时，患者的髋关节旋转中心位置在干预后均可恢复到正常解剖位。刘珂等[6]将3D打印技术应用到Paprosky-Ⅳ型髋臼骨缺损髋关节翻修手术当中，其研究结果提示，术后患者髋臼侧骨缺损均被打印填充块完整修补，打印骨缺损髋臼的填充块能有效解剖并修复髋臼，在提高髋关节翻修手术疗效与成功率方面具有重要意义。

1.3 促进股骨导航模板的个体化制作水平

髋关节表面置换术（SRA）相比于传统THA术可有效保留患者股骨头、降低对界面的磨损程度并减少术中截骨量，该术式在临床上具有更高的应用价值，但该术式术后易导致患者发生股骨颈骨折等症状，从而导致患者的手术治疗结果失败。SRA术后患者股骨颈骨折症状发生的原因主要为SRA术中对股骨假体定位不明确，因此，术中正确引导股骨假体定位是作为SRA术成功的一个关键因素。Du等[7]在其研究中针对髋关节骨关节炎患者在进行CT扫描基础上，结合应用3D打印个体化的股骨头截骨模板进行置换，经术后影像学检查提示患者术后假体柄干角相比传统SRA术明显更高；该研究显示，3D打印技术有助于促进股骨导航模板的个体化制作水平，缩短手术时间、提高假体置入准确性同时降低并发症发生率。

2.3D打印技术在膝关节置换术中的应用

2.1 实现了个体化的截骨定位模板设计及制作

不同患者的膝关节大小、形态等存在一定差别，且在当前临床上使用的常规机械引导装置、截骨工具等是基于欧美人种的解剖学特点设计制作的，针对于我国进行全膝关节置换手术（TKA）治疗的患者其精确度与匹配度较低，在TKA术后患者的下肢力线对位误差超过3°的概率＞10%。而相比之下，采用3D打印辅助TKA截骨术（PSI术）可通过3D打印设计并制作个体化的截骨定位模板进行膝关节截骨治疗。该方法治疗后患者下肢的力线对位误差相对较小，PSI术具有截骨的精确度高、手术治疗时间较短且术后损伤较轻等优势。Ferrara等[8]研究提示，采用PSI术治疗相比于应用传统截骨手术治疗患者的手术时间更短，且患者在术中的出血量更少，通过PSI术治疗后患者的股骨假体旋转对位改善作用更加明确。李凡等[9]研究中，通过快速反求技术以及3D打印制造个体化的全膝关节置换截骨导向器，并应用于治疗10例全膝关节置换术患者，其研究结果表明，患者在术后均恢复至满意的膝关节活动度以及正常下肢力线，通过3D打印技术打印截骨导向器可于膝关节置换术前定制准确的手术方案，该技术可简化手术操作步骤并提高手术治疗效果。Heyse等[10]研究表明，PSI术治疗患者术后股骨假体旋转的对位情况相比传统截骨术治疗效果更明显。但也有研究者表明，PSI术与传统的截骨术治疗效果并无明显的差异。

2.2 有效处理膝关节翻修术骨缺损症状

骨缺损是膝关节翻修手术治疗常见一类症状，临床针对膝关节翻修骨缺损的修复方法多样，但传统骨缺损修复法在针对部分累及至干骺端以及骨干部位骨缺损的修复效果相对不理想，临床需采取其他方法进行骨缺损修复。相比之下，多孔结构金属钽垫块生物相容性相对较好，且其具更明显的多孔特性，可提供更好的结构支持与稳定性，当前临床开始逐渐应用多孔结构金属钽垫块修复膝关节翻修手术中的巨大骨缺损症状，且该技术治疗取得的中、短期的效果相对理想。但骨缺损形态各异，实际治疗应用中，多孔结构金属钽垫块仍存在与骨缺损的匹配程度低等缺陷，相比之下，由3D打印技术构造新型的多孔结构金属钽垫块可克服传统多孔结构金属钽垫块的缺陷，使多孔结构金属钽垫块更具个体化，能针对膝关节翻修术骨缺损进行更有效的干预处理。

3.小结

当前3D打印技术在关节置换手术中的应用逐渐广泛，特别针对于进行髋关节置换手术治疗患者，该技术应用的研究也在不断深入。但在日后临床研究中还需进一步提高3D打印技术在假体制作中的作用，以加快对置换假体的制作水平与速度，缩短假体制作的周期，并拓展3D打印技术的临床应用范围。对于3D打印假体的材料及工艺的创新研究仍需不断进行，以在未来中制作出含细胞成分、人体血管结构以及神经结构等新型假体，以更有效促进关节置换手术患者的骨组织生长，提高假体在体内的稳定性与有效性。