作者：南昌大學醫學院南昌大學第三附屬醫院 鮑立傑
3D列印技術是一種以數字模型數據為基礎，運用可粘合材料，通過逐層列印的方式來製造物體模型的技術，即通過逐層疊加材料來組成3D實體模型。作為一種新型的快速成型及快速製造技術，越來越為人們所關注，同時也受到醫學領域學者的青睞。3D列印技術在醫學領域已獲得應用，它主要包含以下幾點:(1)1∶1的實體模型；(2)無生物活性的材料；(3)具有生物活性的組織細胞及完整生命功能的器官。3D列印技術在骨科的應用走在前列，骨科領域中第1、2點已得到廣泛應用，並且在第3點應用也有相關報導。本文結合國內外相關資料，闡述關於3D列印技術在骨科的應用現狀及展望。
3D列印技術在骨科的應用現狀
3D列印技術在骨科的應用主要是以下幾種:(1)1∶1實物模型的製作；(2)骨科手術輔助材料的列印；(3)骨科內置物材料的列印。1.13D列印1∶1實物模型3D列印技術術前根據患者CT三維重建的數據構建出1∶1的3D模型，幫助醫生與患者及家屬交流，為患者和醫生提供觸覺與視覺上的體驗，對疾病的診斷、術前手術方案的設計、術前手術操作的演練、術中輔助手術操作以及術後恢復等方面擁有良好的應用前景和極高的應用價值。
3D列印的模型對疾病的診斷有著重要意義，例如在複雜骨折的分型、脊柱側彎的分型、骨腫瘤的鑑別、關節損傷的嚴重程度等。並且對骨腫瘤的患者，可根據CT值列印出腫瘤的範圍，指導腫瘤的界限，術前制定手術計劃，模擬操作，對腫瘤準確的切除及個體化製作材料和重建提供準確參數，簡化手術，減小創傷及併發症，提高治療效果。同時根據3D列印的骨關節原型，可計劃插入髓腔內的器材尺寸，為髓腔結構變異與器材結構差異的患者更好的置入假體，提高手術安全性和精確性。還可以預見手術過程中可能出現的情況如術後遺留骨缺損區域的三維外形，內固定器或個性化假體的參數、內固定物螺釘定位等，充分的術前準備，有助於手術療效改善。
對於脊柱手術最主要的是準確置釘，減少手術併發症，頸椎的椎弓根細小，置釘風險大，所以列印紙做的鑽孔導板尤為重要，在鑽孔導板輔助下進行椎弓根螺釘置入，使用簡便，手術也更加簡單，個性化的設計使得精確度增加，術前可直接找到合適的螺釘尺寸及設計螺釘置入的軌道，減少螺釘的偏離。在脊柱側彎的患者中應用價值更大，不僅可以指導準確置釘，還可直接測量畸形的角度，設計螺釘置入的順序及節段，在椎弓根螺釘的鑽孔導板下很容易操作，可縮短手術時間，減少手術團隊及患者的輻射量，減少置釘穿孔率及方向錯誤率，椎弓根置釘準確率達到98.08%，遠高於傳統置釘準確率。並且可縮短椎弓根釘置入的學習曲線。
在複雜四肢骨折中，快速成型技術對骨折分型及手術復位演練有著重要的意義。並對幹骺端骨不連截骨、骨盆骨折、髖臼骨折、脛骨平臺骨折、跟骨骨折等不同患者進行術前建模，利用3D製備的模型或者使用導板輔助螺釘及內固定材料準確置入，可縮短手術時間，減少併發症發生，手術效果令人滿意。
現已證實，數位化三維模型能夠更直觀、更準確地反映骨骼病變的三維立體結構，對臨床醫生的診斷、手術計劃、內固定選擇等有較大幫助，並且減少手術的操作時間，手術切口最小化，術中透視少、精確度高，但術前CT三維重建，增加費用，延長術前計劃時間及導板的製作。在一項關於3D列印對脊柱及骨盆手術作用的調查中顯示:大多數醫生認為3D列印技術有助於手術計劃制定、術前操作、與患者交流及增加手術的安全性，並縮短手術時間。
骨科手術輔助材料的列印
在3D列印領域，材料是技術的核心之一，可以使用的材料有很多，如金屬、陶瓷、塑料甚至細胞等。根據不同的原料可製作不同的產品，如鋼板、關節、骨骼支架材料、骨外固定架等，均可通過3D列印技術生產。3D列印產品最突出的特點是精準、複雜成型、個體化，這正好符合醫生的要求。現在3D列印的骨科器械及材料工具主要有:個性化手術工具中最為典型的是手術置釘導板，包括骨盆導板、關節導板、脊柱導板等。3D列印的導板可提高腫瘤切除範圍、精確度及置釘的準確性。3D列印個體化製備的置入物進行組織缺損的修復，可以大大提高外科手術的精確性與安全性，傳統的假體並不能完美的匹配患者骨骼的個體差異，各種疾病導致的骨缺損使骨骼的外形更不確定，3D列印技術設計與製備的置入物能夠完美解決這些問題。3D列印手術器械也得到應用，其製備的手術器械價格便宜而且能達到傳統手術器械相同的手術要求，使用的材料是清潔材料，對手術有著深遠的影響。
骨科內置物材料的列印
3D列印骨科內置物替代骨組織包括兩種，一種主要起支撐作用，第二種不僅起支撐作用還富有生物活性。如今很多置入物採用磷酸三鈣等材料，有實驗顯示如果多孔的磷酸三鈣支架中混入氧化鎂或氧化鍶將更加有利於骨骼的生長。利用3D列印技術製備的生物支架，豐富的材料保證了支架具備很好的生物相容性，而且支架孔隙的大小、形狀更加符合種植細胞的遷移、增殖與分化，能夠為組織缺損的修復提供優良的環境，納米微孔技術有利於細胞的生長與爬行。
2005年，戴尅戎教授施行人工半骨盆置換以保全患者的臀部和下肢，其將3D列印技術在國內正式引入臨床，手術非常成功，列印的半骨盆主要起到支撐效果。同時現有列印的富有生物活性骨骼替代物主要為支架，尚處於研究及初步應用階段，列印的支架混有生物活性物質(如細胞或生長因子等)或者直接由細胞列印成的物質。
3D列印技術製備的羥基磷灰石/聚己內酯/脫鈣骨基質置入兔子體內不僅在支架周圍成功誘導骨生成，同時能夠引導骨細胞在支架的孔隙內爬行並產生新生骨，假如支架混有PLGA/β－TCP、BMP、DMB、軟骨細胞、間充質幹細胞等生物活性物質，可促進成骨細胞生成骨骼，現在許多支架直接採用可水解的材料作為原材料，其置入後可在體內自然降解，成骨的速度可以完美的匹配支架的降解速度，可修復大段骨缺損。3D列印的大段人工骨已應用於紐西蘭兔，組織學及影像學顯示無免疫反應，並不幹擾骨與纖維組織的生長及長入，加入DMB後更加容易形成新骨長入。如今3D人工椎體、椎間融合器、髖臼假體等即將完成臨床觀察。現今列印的生物活性骨骼已可直接植入到人體。
3D列印技術在骨科的應用前景
3D列印技術在骨科的產業方向主要有2個，一個是快速成型，一個是快速製造。快速成型:目前的3D列印技術，主要應用在快速成型方面，如製作模型、製作導板、製作匹配的骨替代物等都屬於快速成型。然而快速製造實現了生產線式的製做，3D列印有望在人工假體、手術器械、骨移植物等實現快速製造。同時具有生物活性人工替代骨組織的製造方面也將發生巨大的進步。隨著電腦技術及材料技術的不斷進步，3D列印技術應用的價格變的越來越低，並且媒體的推廣也不斷為人們所認識，越來越多的人接受3D列印技術。在骨科領域中具有生命特徵的活性人造骨骼的3D列印發展主要依賴於生物材料、幹細胞、組織培養等多學科的科技突破，將替代壞死、缺損的骨組織部分的具有生物活性人工骨組織直接列印出來，這項技術突破已經不是遙不可及的了。
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