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3D打印技术在骨科中的应用进程

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摘要:骨科医生主要通过X线片、CT和MR等影像学资料进行病情分析和诊断治疗,往往依赖医生的经验,且缺乏立体的视触感。近年来,3D打印技术迅猛发展,其可将患者虚拟的影像迅速转换成三维实体物件,并且可实现材料结构的个性化定制以及与病变部位的解剖学匹配,已广泛应用于骨科疾病的诊断、治疗和康复。另外,三维组装细胞和材料的生物打印技术有望实现骨肌组织的再生修复,具有广阔的应用前景。本文旨在综述3D技术在骨科应用的前沿研究,总结存在的问题,展望未来。

关键词:骨疾病;综述;3D打印;导板;模板;内植物

3D打印技术,又称增材制造、快速原型技术[1]。20多年前首次提出3D打印时,3D打印被认为价格昂贵且无法实现,难以临床应用[2]。随着打印技术和打印墨水的发展成熟,3D打印取得了突破性的进展。目前主要的3D打印成型原理包括:激光烧结、熔融沉积成型、光固化成型、选区熔化、生物打印等[3-4]。材料墨水是3D打印技术的核心之一,应用较多的有金属、陶瓷、聚合物、天然材料甚至细胞等[4-6]。3D打印技术可以自动、快速、直接地将计算机中的三维设计转化为实物模型,具有个性化精准定制、复杂制造、节省材料、减少制造时长等优点[7]。近年来,随着医学数字成像技术和图像处理技术的提高,3D打印技术可通过分析患者的影像学资料(CT/MRI)进行三维建模,设计处理后获得3D模型,导入打印机获得相关产品[8],目前已广泛应用于临床,尤其是在骨科领域[9-10]。全球几大著名骨科器械制造商陆续推出了3D打印产品,市场规模迅猛增长。目前在骨科领域主要应用包括:(1)打印实物模型。(2)打印手术导向模板。(3)打印内植物和假体。(4)打印骨科康复器械。(5)骨肌组织工程。本文从上述5个方面就3D打印技术在骨科应用的前沿做一综述。

1制作术前实物模型骨科疾病制定手术方案

一般通过分析X线片、CT、MRI等影像学检查结果来了解患者解剖结构,通常获得的是二维信息,缺乏立体的视触感。将CT扫描数据重建成3D模型,然后输入3D打印机制作1∶1实物模型,可更直观形象地显示患者特定的病变情况,进行病状重现,帮助医生与患者及家属交流,为患者和医生提供触觉与视觉上的体验;并且打印的病例模型可用于术前演练和方案制定,实现个性化、精准医疗模式,应用前景广阔。目前3D打印模型在复杂的骨折、脊柱畸形、骨肿瘤等疾病方面应用较多。Xiao等[11]报道了5例颈部恶性骨肿瘤的患者在3D打印模型辅助下行一期颈椎后前联合入路肿瘤整块切除手术治疗的安全可行性,认为术前3D打印实物模型可以更好地了解肿瘤范围、形态及与周围结构之间的关系,有助于规划手术过程。Wu等[12]报道了9例陈旧性骨盆骨折患者的资料,根据术前CT扫描打印患者个性化骨盆骨折模型,用克氏针在模型上模拟骨折截骨、复位、固定方案,有助于手术医生了解复杂骨盆骨折畸形变化,制定手术方案,通过仿真模拟手术了解手术方案的可行性,缩短手术时间,改善骨折复位和固定,提高患者的手术效果。为指导、规范3D打印骨科模型在临床的应用,2017年中华医学会制定了3D打印骨科模型技术标准专家共识[13],明确指出了模型制备的流程、要求、质控环节和技术规范,以确保3D打印骨科模型的生物安全性与临床应用效果,为临床医生提供技术指导。这是我国3D打印在骨科应用中的首个规范和标准,也预示着对3D打印相关产品的重视。

2打印手术导向模板

传统的骨科手术螺钉置入、截骨过程中,为了确保准确性和避免损伤周围神经、血管、器官等重要结构,往往需要依赖术者的经验以及术中多次透视螺钉位置,造成手术时间长、螺钉松动失效的风险。3D打印手术可以基于患者术前CT资料进行三维重建,确定手术进针点、方向和深度,设计个性化的手术导板,术中按导板方向直接置钉,可大大简化手术操作,提高手术精度和效率。刘毅等[14]回顾性分析了5例采用3D打印导板技术辅助骨盆骶髂关节螺钉置入的患者资料,结果显示其可简化传统的置钉程序,具有微创、减少射线暴露、疗效确切的优势。上颈椎手术螺钉置入过程难度较高、风险较大,可能损伤椎动脉、脊髓和神经等,Sugawara等[15]利用3D打印技术个性化设计并制备了C1侧块螺钉、C2椎弓根螺钉、C2椎板螺钉导板,为12例患者共置入48枚螺钉,术中置钉过程顺利;与术前计划的螺钉轨迹相比,平均偏离距离只有(0.70±0.42)mm,提高了手术效率、减少了射线暴露时间。目前3D打印手术导板已广泛用于辅助脊柱、关节、复杂骨折的置钉过程,可显著提高手术精度和效率。

3打印内植物和假体

创伤、肿瘤、炎症、退变等疾病引起的骨、软骨组织缺损、畸形常需要假体或者骨移植进行修复重建。传统的内植物通常是工厂按流程批量生产的通用假体,型号和样式难以满足所有患者需求,尤其是对于行肿瘤切除和矫形手术者,而骨移植则会发生骨吸收和供区相关并发症。3D打印技术可实现个性化定制内植物,能够更准确地适应病变缺损部位。Wang等[16]采用个性化设计的3D打印假体对11例因髋臼恶性肿瘤行整块切除术后进行重建,术后患者功能恢复较好,无严重并发症。Mobbs等[17]报道了1例因先天性腰5半椎体导致的节段性后凸畸形,出现腰痛及下肢症状,严重影响工作和生活,由于传统的市售假体无法提供患者解剖结构支撑,因此采用3D打印技术个性化设计并制备所需结构的钛合金假体,避免了取肋骨或者髂骨移植及术中将其修整为所需形状的过程,缩短了手术时间,降低了手术复杂程度;术后随访12个月显示骨性融合,无内植物相关并发症。更重要的是,3D打印可制备具有高度连通的三维多孔结构,模拟天然骨小梁微观结构,促进细胞与假体融合,骨组织替代,并且改善假体与骨界面的整合,延长内植物使用寿命。这是传统实心内植物所无法实现的。Wei等[18]报道了1例62岁复发性骶骨脊索瘤患者行后路一期整块骶骨肿瘤切除术,根据患者术前CT资料定制3D打印的骶骨假体并进行重建,3D打印假体的多孔结构可以诱导骨生长,增强稳定性,术后1年患者可短距离行走,无疼痛和失稳症状。美国史塞克公司采用AMagine3D打印技术制备的新型钛合金腰椎椎间融合器获得了美国食品及药物管理局(FDA)的批准,该椎间融合器为三维多孔钛合金材料,有利于骨细胞的生长和迁移,促进骨组织与假体的融合。目前美国FDA已经批准了市场上可用的100多件3D打印产品。截止目前国内仅有4款产品获得了国家食品药品监督管理总局(CFDA)批准使用,分别是3D打印人工髋关节(髋臼杯)、人工椎体、椎间融合器、硬脑(脊)膜补片,其中3款是骨科内植物。2015年7月,由北京大学第三医院刘忠军团队和北京爱康医疗合作研制的3D打印人工髋关节(髋臼杯)获得了CFDA的注册批准,是我国首个3D打印内植物,具有里程碑意义[19]。2016年,刘忠军团队另一个3D打印产品,全球首个3D打印人工椎体获CFDA批准,标志着我国在3D打印植入物领域居世界领先水平。为了满足和监管日益增加的3D打印产品需求和应用,2017年12月美国FDA发布了3D打印医疗产品技术指导意见,为制造商开发3D打印产品提供全面的技术建议和要求[20],这将有利于FDA进一步制定3D打印监管框架和政策,促进基于3D打印技术的医疗产品安全有效发展。目前国内尚无关于3D打印医疗产品技术指南。

4打印骨科康复器械

传统方法制备的骨科康复器具很难满足患者个体化的需求,影响佩戴的舒适度甚至康复效果。3D打印技术可实现不同年龄、不同身高、不同尺寸康复器的个性化定制,并精确模拟解剖结构,更贴合人体,尤其是对于儿童患者因生长导致的频繁更换康复器具[21]。美国国家增材制造创新研究所(AmericaMakes)开发了一种增材制造设计的数字化流程,用来实现足踝矫形器个性化制造;该方法可明显缩短矫形器制造时间,精确地复制患者踝关节和脚部解剖结构,并可优化材料强度和弹性,避免了传统的石膏矫形器手工制作方法周期长、解剖差异大的问题。该团队将首先应用3D打印的矫形器和假肢为美国退伍军人服务。慕尼黑大学医院的Mecuris开发了一款名为nexStep的3D打印假肢,其具有优越的强度和韧性,患者使用时间可超过3年,目前已获得欧盟安全认证(CE),并在市面上出售。个性化假肢和矫形器制造商UNYQ采用3D打印技术个性化制造了一款脊柱侧弯矫形器,具有轻便、透气的优点;并在矫形器上配置安装传感器,可跟踪在穿戴者身上检测压力变化情况,根据反馈情况进行调整,为脊柱提供有效的矫形。另外还可打印个性化的骨折固定夹板,其多孔结构设计可兼得足够的力学强度和优越的透气性能,实现骨折的高度匹配固定;3D打印矫形鞋垫可个性化定制脚部形状、受力情况来调节不同部位的材料厚度、软硬程度等,解决脚部疼痛患者的困扰。由此可见,3D打印数字化制造的康复器具可大大提高设计的自由度和制造的灵活性,并精确复制患者解剖结构,增强了舒适性和安全性,应用前景广阔。

5骨科组织工程中的应用

3D打印的导板、内植物等局限于物理性的填充和修补,未能实现组织再生和功能恢复。而3D打印在骨科另外一个非常重要的应用是构建组织工程支架,属于组织工程再生医学领域,有望实现骨肌组织的再生修复。3D打印技术可采用聚合物材料、生物陶瓷、天然材料等生物活性材料,轻松实现复杂组织超微结构的仿生构建,并且可控制支架材料的力学性能、降解性能和内部结构(孔径、孔隙率、连通度),为细胞提供合适的生长微环境,促进细胞生长、血管化,最终促进骨肌组织构建,已广泛应用于骨、软骨、神经、肌腱、椎间盘的再生修复[22]。目前3D打印技术可做到单独打印支架材料、单独打印细胞、细胞和材料共同打印。北京大学敖英芳团队以丝素蛋白和明胶材料为墨水,采用3D打印技术构建仿生软骨支架,并对支架进行骨髓间充质干细胞(BMSCs)特异性趋化肽功能修饰,可募集动员体内的干细胞参与修复兔关节软骨损伤,取得了较好的结果[23]。日本的Yurie等[24]以人类纤维细胞为墨水,打印无支架材料的神经微导管,可以促进大鼠坐骨神经缺损的再生。在细胞和材料共同打印方面,以日本Regenova3D生物打印机为代表的3D打印技术可将细胞和生物材料复合作为生物打印墨水,实现支架材料和种子细胞的精确共沉积。国内Zhai等[25]搭建了一种双通道、常温成型的3D打印系统,可双通道交替打印高强度水凝胶/纳米硅镁盐复合材料和透明质酸包裹的成骨细胞,一步完成构建带有活细胞的人工骨组织,并通过控释骨修复活性离子(镁、硅)促进细胞分化,进而促进大鼠胫骨缺损的修复新生。不足的是,3D打印在骨肌组织工程中主要应用于基础和动物实验研究,临床应用仍有较大距离。

6瓶颈和未来

3D打印在骨科领域的应用仍处于起步阶段,存在一些问题:缺乏大样本和长时间随访数据;临床植入材料要求较高,合适材料的选择仍是限制因素;打印效率慢,耗时长,难以满足应激情况;人体组织器官极其复杂,打印精度仍需提高;仍局限于修补、填充、重建等,未能实现组织的功能恢复;尚无健全的法律法规来明确监管个性化3D打印产品及应用。未来关于3D打印金属植入物的研发和应用前景较乐观,选择更符合人体相容性、力学性能和可生物降解性的材料墨汁是研究方向。三维组装活细胞和材料的生物打印技术,构建具有生物功能的组织和器官是研究热点,打印具有感知外界刺激效应的康复器具需进一步突破。相信在不久的将来,随着技术的不断成熟和需求量的增加,必将会推动政策法规的完善,来保护和支持3D打印技术的发展和探索。同时,随着“精准医疗计划”的迈进,3D打印个性化定制必将扮演重要的角色,实现新的飞跃。

作者:李慧英1;杜立龙2

中华风湿病学杂志责任编辑:张雨    阅读:人次