3D打印技术的发展历程与骨科应用,医学技术论文.docx

3D打印技术的发展历程与骨科应用,医学技术论文 原标题：3D打印技术在骨科领域的应用 内容摘要：3D打印属于快速成型技术的一种，即以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料通过逐层堆叠累积的方式制造三维实体的先进技术。近年来，随着该技术的不断发展，其已成为骨科领域的研究热门，并逐步应用于临床中。本文综述了3D打印技术的发展历史与其在术前规划、术中导航、个性化假体和骨组织工程等骨科相关领域的相关应用，并结合其缺乏对其将来的发展做出技术瞻望。 本文关键词语：3D打印技术； 骨科； 手术规划； 个性化假体； 组织工程 3D打印，即快速成型技术的一种1,它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料通过逐层堆叠累积的方式制造三维实体的先进技术2.近年来，随着3D打印技术的成熟，其应用也逐步从开场的工业领域扩展到医疗等领域，而骨科领域对其的应用较为广泛。本文结合国内外相关资料，介绍关于3D打印技术在骨科领域应用的发展历程、应用现在状况及其技术瞻望。 一、3D打印技术的发展历程 当代意义上的3D打印技术于20世纪80年代中期诞生于美国。1984年美国科学家Charles Hull发明了将数字资源打印成三维立体模型的技术。两年后，Charles Hull率先推出光固化方式方法 ster-eo lithography apparatus,SLA3,这是3D打印技术发展的里程碑。并于同年成立了第一家3DSystems公司，开发了第一台商用立体光敏3D打印机。在随后的几年中，熔融沉积成型 fuseddeposition modeling,FDM、选 择 性 激 光 烧 结selective laser sintering,SLS、分 层 实 体 制 造laminated object manufacturing,LOM 等3D打印技术也逐一被开发出来4.2020年8月15日，湖南华曙高科技有限责任公司成功研制了我们国家第一台激光3D打印机5.只要利用电脑输入需要打印产品的3D数据，该装备就能运用激光添加层烧结技术 打印 出任何想要得到的复杂形状的零部件。起初，3D打印技术主要用于工业、电子产品及航空航天领域。而随着此技术的不断发展，医疗产业对其的应用也逐步增加。当前，3D打印技术在医学方面的应用主要分为熔融沉积造型技术、选择性激光烧结技术、立体印刷术和多喷嘴成型技术等4种6.3D打印技术最先应用于牙科与颌面部的手术7-8,近年来，组织工程领域对该技术的研究也逐步增加9-11,而其在骨科中的应用也日益得以重视。 二、3D打印技术在骨科领域的临床应用 影像学与数字化医学的飞速发展，使精到准确化、个体化成为骨科领域发展的一个重要方向，3D打印技术作为数字化技术的集中具体表现出，是实现各种骨科手术个体化、精到准确化的有效手段。在骨科临床应用领域主要包括术前规划，术中导航，假体内植物以及骨组织工程。 1、术前规划 对一些复杂的骨折和畸形等骨科疾病而言，应用传统的影像学方式方法如X线片、CT及MRI图像，医生难以直观的了解到病变的详细情况，导致医生对疾病判定缺乏，增加手术风险12-13.而利用3D打印技术能够将病变部位的三维立体模型打印出来，有助于做出明确的诊断及分型。除此之外，可利用3D打印模型更具体地规划手术方案，并在模型上进行操作、演练，指导术者开展个体化手术，进而缩短手术时间，提高手术的成功率1,14-15.另外，医生还能通过仿真模型为患者分析手术经过，让其更了解本身的情况和手术治疗的经过，有利于与患者沟通1.Giovinco等16运用3D打印制作出多个便宜的Charcot患足模型，使医生通过模型进行术前模拟操作训练，制定手术计划，进而使手术难度下降，提高手术成功率。Seiberras等17在1例复杂的髋关节翻修术中利用此技术打印出骨盆模型，进行精到准确的术前评估以及操作练习，使手术顺利完成。Ignacio等18报告利用3D打印技术为2例患者制作了脊柱模型，对疾病诊断、术前规划和手术模拟都起到了重要的作用，同时能够更直观地使患者了解到本身的病变，更有利于医生与患者之间的沟通。 2、术中导航 成功的手术除了需要术前明确诊断、制定具体的手术方案，还需要其在术中得到精到准确的施行。利用3D打印可在术前制作出术中导航模板，提高手术成功率，缩短手术时间19.例如一些复杂粉碎性骨折，传统复位以及螺钉的置入方式方法往往依靠医生的经历体验以及手术技巧来完成。另外，由于患者之间的个体差异及解剖变异，螺钉穿入关节腔的情况时有发生，延长了手术时间，增加了术中X线暴露时间。通过3D模型能够制作出确定螺钉角度和方向的导航模板，帮助骨折精准复位和螺钉准确置入，使手术操作的准确性明显提高。Bagaria等20把3D打印模型以及导航模板使用于复杂骨折手术当中，发现不仅能够更好地了解病变位置，还能缩短手术时间，降低麻醉剂量以及手术中的出血，更有助于实现近解剖复位。除此之外，在脊柱外科，脊柱三柱固定生物力学方面使用椎弓根螺钉内固定拥有较好的效果，应用特别广泛21.采用传统的徒手置钉法，有可能出现偏差，严重时可损伤毗邻重要解剖构造，造成不可挽回的后果22.如今能够利用3D打印技术制作出椎弓根导板模型，手术时将其外表完全扣在脊柱上，在其引导下精到准确置钉，提高手术安全性。Hu等23在一项尸体研究中发现，运用导航模板对32例尸体标本进行颈椎C1、C2的螺钉置入，其术后的偏移与预期值无显着差异，表示清楚这种技术可使置钉的准确性与安全性得以提高。Merc等24将20例患者随机分为导板导航组与传统透视的徒手置钉组，进行腰椎和骶部的椎弓根螺钉放置，每组都置入54枚螺钉，术后评估结果发现导板组的穿孔率以及螺钉偏移率显着低于对照组。在关节外科领域，有研究利用3D导板治疗肘内翻畸形，结果表示清楚，此方式方法简单实用，并可大大改良截骨的精度25.Zhang等26对20位患者行全髋关节外表置换术，随机纳入常规手术组及3D打印导板组，结果表示清楚导板组的患者出血量及手术时间均少于常规组，术后CT测量发现导板组髋臼杯外展角和前倾角等误差显着优于常规组。 3、个性化假体及内植物 在骨科临床工作当中，标准化的植入物能知足大多数患者的需求，但在特殊情况下，由于个体解剖差异或者发育畸形等，患者所需内植物尺寸太大或太小、不规则，难以找到适宜产品。3D打印技术能够应用于骨科假体与内植物的设计和制作，根据患者的实际情况定制个性化和特殊需求的假体及内植物，知足患者要求。与传统标准化的内植物相比，个性化内植物与个体匹配度更高层次，进而可使病变得到更好的恢复。裴延军等27利用金属3D打印技术制造出与患者肩胛骨和锁骨完全符合的钛合金个性化假体，并成功植入骨肿瘤病人体内，效果良好。Xu等28利用3D打印技术定制枢椎植入手术，成功治疗了一位12岁的C2尤文肉瘤患儿，使其康复出院。Dai等29采用3D打印技术为10例接受骨盆截骨术的患者制作个性化半骨盆假体 患者均有大范围的骨盆缺损 ,术后影像学发现假体与患者匹配良好，无松动等不良情况。术后随访结果显示，除4例患者死于肿瘤肺转移，其余患者均有良好的髋关节功能。 4、骨组织工程 众所周知，骨组织固然具有良好的自愈能力，但是其对某些严重疾病如感染、肿瘤、创伤等造成的大型骨缺损却达不到本身愈合的效果30.当前常用的自体骨移植和同种异体骨移植这两种方式方法在临床上都具有一定的限制，包括感染、慢性疼痛以及移植物数量缺乏等31.组织工程学是20世纪80年代末开场发展起来的一门新兴学科，其目的是创造出健康的组织或器官来替代原有的病变组织32.限制其发展的一个关键问题就是难以制造出理想的载体支架33.而3D打印技术的发展使这一问题有望得到解决。利用3D打印技术制造出的生物支架不仅能够知足患者个体化的需求，最重要的是它具备良好的生物相容性，能够制造出类似天然骨组织内部的三维孔隙构造，有利于细胞组织的长入，能够为组织缺损的修复供给良好的条件34.Ciocca等35将3D打印技术制备出的多孔羟基磷灰石支架作为骨替代品植入羊下颌骨髁突，于4个月后将羊处死，取出支架，发现不同类型的组织围绕在支架周围，并且支架的核心部分与周围骨结合良好。Meseguer-Olmo等36将3D打印出的硅代羟基磷灰石/聚己内酯支架联合脱钙骨基质植入新西兰兔体内，发现新生骨的构成不仅发生在支架周围部分，而且在其孔隙内也有爬行生长。Long等37利用3D打印技术制备出一种新型生物工程复合材料混合支架，然后结合骨髓基质干细胞，植入兔体内的15 mm骨缺损处，发现骨缺损在36周内成功修复。Park等38以聚己内酯与聚乳酸-羟基乙酸共聚物为材料，通过3D打印技术制备出组织工程支架，植入兔体内，发现均可导致不同程度的骨再生。另外，也有研究者将3D打印技术用于软骨组织工程支架的构建。姚庆强等39将干细胞从兔子身上取出，放在经3D打印技术打印出的支架上，在体外培养4周，之后接种至裸鼠皮下，最终长出所需要的软骨组织。Visser等40把超细纤维支架和水凝胶结合起来，结果发现用这种技术打印出的三维构造的弹性和刚度都与人类自然生长的膝关节软骨类似。 细胞打印，即一种于体外构造三维多细胞体系的先进技术，是Wilson等41在2003年提出的。该技术突破了传统组织工程技术 如 细胞+支架 技术 空间分辨率低的局限性，可精到准确控制细胞的分布，与其相比具有宏大优势。在 细胞打印 经过中，细胞 或细胞聚集体 与溶胶 水凝胶的前驱体 同时置于打印机的喷头中，由计算机控制含细胞液滴的沉积位置，在指定的位置逐点打印，在打印完一层的基础上继续打印另一层，层层叠加构成三维多细胞/凝胶体系。作为生物3D打印技术的最高层次，细胞打印所使用的材料是有生命、有活性的，所打印出的细胞等组织成型后能够在体内非常好的存活，并具有生物学功能42.固然细胞3D打印技术发展迅速，但仍处于初级阶段，很少在临床实践中使用。如将此技术用于挑选药物，构建一个含有靶组织-肿瘤组织、代谢组织-肝组织的体外三维药物挑选模型，并借助细胞芯片检测药物的抗肿瘤作用和肝毒性43-45.也有研究者打印出鲜活且具有发展为其他类型细胞能力的胚胎干细胞，进而为器官移植、组织修复等提供新的医学技术46.另外，在骨科领域，已有研究表示清楚将细胞打印与羊水干细胞结合可制造出功能骨组织47.相信在不久的将来，可打印出具有生物活性的人工骨组织来替代病变的骨组织部分。