3D打印技術是一種以數字模型文件為(wei) 基礎，將粉末狀金屬、工程材料、生物材料等可粘合材料通過逐層打印的方式來構造三維物體(ti) 的技術。3D打印技術主要包括立體(ti) 光刻成型（SLA）、選擇性激光燒結（SLS）、熔融沉積成型（FDM）、噴墨打印技術等。得益於(yu) 數字建模技術、數控技術、信息技術、材料科學、組織工程技術等前沿技術的迅猛發展以及多學科的深度融合，3D打印技術得到迅猛發展並廣泛應用於(yu) 眾(zhong) 多民生領域。3D打印技術已經不斷地被拓展應用到醫療領域的各個(ge) 方麵，其中骨科3D打印技術充分融合了數字醫學的精準、微創和個(ge) 性化元素，為(wei) 骨科疾病的精準治療提供了有力的幫助。隨著打印設備和打印材料的不斷革新，針對患者個(ge) 體(ti) 化骨關(guan) 節疾病的修複重建置入物也有望實現“私人訂製”。3D打印技術在關(guan) 節外科的各種創新應用不斷湧現，顯著推動了人工關(guan) 節置換術的臨(lin) 床治療效果。筆者就3D打印技術在關(guan) 節外科領域的研究進展進行綜述，報道如下。

3D打印技術成型原理及材料應用

3D打印技術首先需要通過計算機輔助設計（CAD）或逆向工程技術（RE）獲得數字化模型，再利用相應的快速成型設備將特定的材料逐層堆積成三維實體(ti) 。逆向工程技術是最常見的數字模型構建方式之一，主要利用數字化設備對實體(ti) 進行掃描和測量，進而通過逆向工程軟件對點雲(yun) 數據進行處理和封裝，最終獲得相應對象的立體(ti) 光刻（STL）數字模型。下一步，3D打印將虛擬的三維模型輸入3D打印機進行分層製造，再通過SLA、SLS和FDM等成形工藝精確堆積材料，逐層打印，最終獲得與(yu) 打印模型相同的1∶1實物。目前3D打印的材料主要包括金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料、生物材料等。常見的金屬材料如鈦合金、鎳合金、鈷鉻合金等，具有高強度、耐腐蝕、生物相容性等優(you) 點，被廣泛應用於(yu) 航天航空、汽車工業(ye) 、生物醫學領域；無機非金屬材料如陶瓷、玻璃等，其耐壓強度高、硬度大、耐高溫，被大量應用於(yu) 建築、國防、醫學領域；有機高分子材料如ABS樹脂、光敏樹脂、尼龍、聚醚醚酮等，這些材料成型速度快、密度小、絕緣性好，可用於(yu) 模具注塑、建築和醫療等行業(ye) 。生物材料如絲(si) 素蛋白、細胞、水凝膠等，為(wei) 生物醫療領域的人體(ti) 組織器官修複置入材料的研發注入新元素，推動了3D打印技術在生物醫學領域的發展。

3D打印模型在關(guan) 節置換術前宣教中的應用

髖關(guan) 節和膝關(guan) 節具有較大的活動範圍且能夠在活動過程中維持關(guan) 節的穩定，這主要得益於(yu) 其周圍複雜的穩定結構。髖膝關(guan) 節周圍除了神經、大血管外，以肌肉群為(wei) 代表的動力性穩定結構和以韌帶為(wei) 代表的靜力性穩定結構在關(guan) 節周圍附著，分別行使不同的功能，相關(guan) 解剖也較為(wei) 複雜，這就要求外科醫師在手術入路的選擇和操作過程中必須盡可能地保護上述穩定結構的完整性。過去依靠傳(chuan) 統的解剖教學手段，骨科醫師對不同的關(guan) 節外科入路會(hui) 產(chan) 生不同的理解層次，使得手術團隊成員之間在手術操作過程中不可避免地存在著認知度和信息的差異。在關(guan) 節外科領域應用3D打印技術進行術前規劃具有更為(wei) 顯著的優(you) 勢，有別於(yu) 影像閱片和正常標本觀察，3D打印模型給醫師還原了一個(ge) 更加直觀的、可觸摸的1∶1個(ge) 體(ti) 化病變模型，有利於(yu) 低年資醫師加深對患者病情的認識，對手術方案設計、術中操作細節溝通也具有重要意義(yi) 。同時病變模型及術前的操作演示也有助於(yu) 手術團隊在體(ti) 外完成手術預操作並有針對性地提出其中存在的風險和相應預案，使得術前的器械準備更加充分和全麵，確保手術順利進行。Fritz等將股骨遠端和髕骨的3D打印解剖模型與(yu) 傳(chuan) 統的X線片和CT進行比較，發現三維模型可大幅提高低年資醫師的診斷水平。舒詩軍(jun) 等利用3D打印技術製造出囊括解剖動、靜脈血管的骨盆骨折個(ge) 體(ti) 化模型，並根據模型討論最終手術方案，結果發現3D打印組手術時間、術中出血量、輸血量明顯低於(yu) 常規手術組。劉永征等采用3D打印技術輔助複雜髖部疾病全髖關(guan) 節置換術，發現應用3D打印技術能明顯縮短手術時間，減少術中出血量，降低並發症發生率。3D打印模型還可以讓患者充分了解自身病情，同時也有助於(yu) 醫師更直觀地向患者講解手術方式、術中及術後並發症等內(nei) 容，這在一定程度上提高患者對疾病治愈信心及對醫療服務的滿意度。

3D打印個(ge) 性化輔助器械在關(guan) 節外科手術中的應用

傳(chuan) 統骨科手術中螺釘置入、截骨過程時為(wei) 了確保準確性和避免損傷(shang) 周圍神經、血管、器官等重要結構，往往需要依賴術者的經驗及術中多次透視螺釘位置，導致手術時間過長，並且螺釘存在鬆動失效的風險。3D打印截骨導板基於(yu) 患者術前CT資料進行三維重建，確定術中螺釘置釘點、方向和深度，設計個(ge) 性化的手術導板，術中按導板方向直接置釘可簡化手術操作，同時提高手術精度和效率。Zhang等采用3D打印截骨導板輔助手術矯正肘內(nei) 翻畸形，發現3D打印組的個(ge) 體(ti) 化截骨導板均能與(yu) 肱骨遠端緊密附著，一次性截骨均成功，手術效率高，術中出血量少，手術切口小；截骨導板的設計整體(ti) 呈楔形，並裝有克氏針導孔固定導板，防止術中滑脫造成偏移。

陳國仙等利用3D打印技術設計並打印出截骨導航模板，用於(yu) 輔助脛骨高位截骨術治療膝內(nei) 翻畸形骨性關(guan) 節炎，結果表明3D打印截骨導板可減少術中透視和截骨次數，手術時間短，創傷(shang) 小，無並發症發生。傳(chuan) 統關(guan) 節置換術主要依靠主刀醫師的經驗來設計假體(ti) 置入的位置和角度，對主刀醫師的技術要求高，特別是對於(yu) 複雜患者，術中解剖定位信息和操作精度常常難以把握。3D打印個(ge) 體(ti) 化輔助手術器械能夠根據患者術前的影像學資料進行個(ge) 性化定製，能幫助術者從(cong) 容麵對複雜病例存在的解剖畸形，進而準確重建患者肢體(ti) 功能。Sun等設計了3D打印專(zhuan) 用髓內(nei) 導向器，分別為(wei) 患者施行3D打印個(ge) 體(ti) 化輔助全膝關(guan) 節置換術和常規全膝關(guan) 節置換術，術後發現3D打印個(ge) 體(ti) 化組的髓內(nei) 引導深度小，髕骨運動軌跡更好，可以實現更好的對線和更高的假體(ti) 置入精度。張元智等利用計算機輔助確定下肢機械軸線及髓內(nei) 定位通道，並打印出導航模板用於(yu) 全膝關(guan) 節置換術，結果發現導航模板組手術操作更加作簡便，手術時間明顯縮短，假體(ti) 安放精確度高。王躍輝等采用3D打印髖關(guan) 節旋轉中心定位器來輔助全髖關(guan) 節置換術，術後發現患側(ce) 髖關(guan) 節旋轉中心與(yu) 健側(ce) 解剖旋轉中心相符合，假體(ti) 位置準確，無異位骨化形成。

3D打印人工關(guan) 節假體(ti) 的臨(lin) 床應用

當麵對複雜關(guan) 節骨折、翻修手術或因骨腫瘤引起骨組織嚴(yan) 重缺損時，由於(yu) 傳(chuan) 統標準化假體(ti) 采用的是規格化設計，往往會(hui) 出現現有規格係列均無法良好匹配宿主骨的問題，從(cong) 而導致術後假體(ti) 鬆動過早發生。3D打印技術可結合患者自身的影像學數據設計出與(yu) 其相對應解剖或骨組織缺損部分相匹配且高精度的個(ge) 性化假體(ti) 。目前3D打印個(ge) 性化設計假體(ti) 在骨科臨(lin) 床上已得到廣泛應用。付軍(jun) 等應用3D打印鈦合金假體(ti) 複合帶血管蒂腓骨及生物陶瓷為(wei) 5例下肢腫瘤切除後長節段骨缺損患者進行修複重建，而重建所用的假體(ti) 均為(wei) 個(ge) 性化定製，術後短期隨訪未見腫瘤複發及肺轉移，骨與(yu) 軟組織腫瘤協會(hui) MSTS評分為(wei) 17~26分，而影像學檢查顯示假體(ti) 與(yu) 患者周圍骨組織嵌合度良好。Wang等為(wei) 26例髖臼周圍惡性腫瘤患者設計了一係列3D打印定製多孔結構的一體(ti) 化半骨盆假體(ti) ，術後均無深部感染、假體(ti) 脫位、假體(ti) 斷裂、假體(ti) 無菌性鬆動或局部複發。裴延軍(jun) 等設計並3D打印出個(ge) 性化假體(ti) 用於(yu) 重建下肢惡性骨腫瘤切除後的大段骨缺損，有限元分析顯示假體(ti) 整體(ti) 應力在材料的強度範圍之內(nei) ，並且與(yu) 宿主骨組織匹配良好，MSTS評分良好，無並發症發生，療效滿意。在假體(ti) 生存率方麵，傳(chuan) 統假體(ti) 與(yu) 周圍骨組織的界麵結合強度不足，常常出現假體(ti) 早期鬆動而失效，而3D打印技術能夠製造出直徑150~500μm的微孔表麵和高孔隙率關(guan) 節假體(ti) ，形成的粗糙表麵容易吸附大分子並影響骨細胞的增殖、黏附和成骨，促進骨組織長入，從(cong) 而獲得長期穩定性。Wauthle等采用大鼠股骨原位負荷性骨缺損模型評價(jia) 平均孔徑為(wei) 500μm、孔隙率為(wei) 80%的3D打印多孔鉭假體(ti) 在體(ti) 內(nei) 的骨長入性能，12周即可觀察到微孔表麵大量骨生長，置入體(ti) -骨界麵連接牢固，功能良好。蘇可欣等通過3D打印技術製備出孔徑400μm、孔隙率為(wei) 70%的多孔鉭置入體(ti) 用於(yu) 修複大白兔雙側(ce) 股骨外髁處的骨缺損，8周後置入體(ti) -骨界麵的新生骨組織逐漸增加，出現新生骨小梁並向材料孔隙內(nei) 生長，結果表明3D打印多孔鉭具備優(you) 良的骨長入性能。

生物3D打印在骨關(guan) 節損傷(shang) 修複重建中的應用

盡管醫用合金材料人工關(guan) 節假體(ti) 的發展為(wei) 四肢骨關(guan) 節損傷(shang) 的治療提供了有效的功能重建方案，然而假體(ti) 的壽命和固有的材料特性使患者的肢體(ti) 功能難以恢複最自然和穩定的狀態。近年來生物材料的快速發展為(wei) 骨關(guan) 節損傷(shang) 的自然修複重建提供了新的手段。目前臨(lin) 床上用於(yu) 重建骨與(yu) 關(guan) 節軟骨缺損的技術方法尚未取得突破性進展，為(wei) 此國內(nei) 外許多學者開始著眼於(yu) 細胞和生物材料層麵的生物3D打印技術研究，充分結合組織工程技術，以期通過耦合活體(ti) 細胞（種子）和細胞外基質（含生長因子）製造出新型“生物活性墨水”，以逐層沉積工藝最終實現對骨和軟骨等高度複雜組織的3D打印製造，從(cong) 而解決(jue) 組織移植重建的生物活性問題。現階段的生物3D打印技術已經能夠利用生物粘合劑構建關(guan) 節軟骨、半月板、椎間盤、耳廓等類軟骨組織三維支架模型，然而在該支架中構建含軟骨細胞的軟骨組織仍存在一些挑戰。張彬等采用低溫沉積3D打印技術製備聚乳酸-羥基乙酸共聚物（PLGA）支架，並結合脫細胞關(guan) 節軟骨細胞外基質（DACECM）製備PLGA/DACECM軟骨組織工程支架，其在電子顯微鏡下觀察到大量的軟骨細胞在PLGA/DACECM取向支架和DACECM取向支架上黏附生長。沈師等采用三維打印低溫沉積技術製備聚己內(nei) 酯/Ⅰ型膠原組織工程半月板支架（PCL/COL-Ⅰ半月板支架），相比於(yu) 原始的聚己內(nei) 酯半月板支架，細胞在PCL/COL-Ⅰ半月板支架上附著的細胞數量更多。由於(yu) 關(guan) 節軟骨、半月板、椎間盤在體(ti) 內(nei) 受到生理載荷，相應的組織工程結構需要一定的力學強度，這就要求支架應具備理想的力學特性以保證支架內(nei) 細胞的存活率和組織的本體(ti) 穩定性。目前解決(jue) 這個(ge) 問題的方法是從(cong) 3D打印工藝和材料兩(liang) 方麵入手，使粘合材料的連接強度和材料本身的機械特性滿足特定要求。Yan等受到骨發育階段的啟發，通過表麵氨解和層層組裝技術製備了一種3D打印的可生物降解支架，通過去鐵胺的控釋，使支架的降解與(yu) 骨的分化、重構相匹配，結果表明該支架具有與(yu) 天然鬆質骨相似的力學性能。Lui等利用3D打印技術製備出一種具有多孔界麵的聚己內(nei) 酯多相骨-韌帶-骨支架（BLB），生物力學強度滿足生理載荷條件，動物實驗結果顯示BLB支架具備較強的纖維引導特性。如今3D生物打印日新月異，細胞及支架材料技術已取得一定成果，然而在體(ti) 外構建組織等方麵仍然充滿挑戰。細胞外基質過於(yu) 複雜，難以在體(ti) 外模擬其結構和生物學性能，而現有的逐層沉積工藝也無法解決(jue) 細胞營養(yang) 和氧氣供應問題，這些研究還有待突破。

展望

現階段的3D打印技術在臨(lin) 床應用尚存在一定的局限性。首先，適用於(yu) 醫用的3D打印材料種類有限，新材料的研發將進一步拓寬其在生物醫學領域的應用前景；其次，對於(yu) 骨與(yu) 軟骨缺損的生物3D打印修複研究，現階段仍停留在體(ti) 外實驗和動物實驗階段，臨(lin) 床應用有效性和安全性仍需進一步探索；再次，3D打印技術的相關(guan) 法律法規仍有待完善，相關(guan) 產(chan) 業(ye) 的標準仍處於(yu) 空白，亟待出台切實可行的管理規範和政策性文件；此外，對於(yu) 現有的前期應用尚缺乏具有說服力的長期隨訪數據，未來仍有待開展更多高證據級別的臨(lin) 床研究。但是有理由相信，隨著3D打印技術和材料科學的不斷革新，骨關(guan) 節退行性疾病、創傷(shang) 、腫瘤導致的組織缺損修複重建將會(hui) 出現更多新的選擇，而3D打印的個(ge) 性化、精準化、微創化元素將有力推動關(guan) 節外科領域的持續發展。