3d打印在骨科中的應用剖析

1、3D打印在骨科中應用,,3D打印定義,3D打印(three-dimensional printing)技術是目前骨科領域的研究熱點，特別是2014年度國內外均相繼報道了系列臨床成功應用的典型案例，掀起了一陣“3D骨科熱”，引起了臨床醫(yī)生、相關研究人員及企業(yè)的極大興趣與技術追蹤。3D打印技術即快速成型(rapid prototyping，RP)技術的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎、以數(shù)字技術材料打印機為載體、采用粉末狀金屬或塑料等可

2、粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。,3D打印原理,日常生活中使用的普通打印機可以打印電腦設計的平面物品，而所謂的3D打印機與普通打印機工作原理基本相同，只是打印材料不同而已。普通打印機的打印材料是墨水和紙張，而3D打印機內裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”。將打印機與電腦連接后，通過電腦控制可以把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機上的藍圖變成實物。通俗地說，3D打印機是可以“打印”出真實的3D物體的一種設備，

3、被稱之為3D立體打印技術。,歷史,3D打印技術出現(xiàn)在20世紀80年代中期，實際上是一種利用光固化和紙層疊等技術的最新快速成型裝置。1986年，Charles Hull開發(fā)了第一臺商業(yè)3D印刷機；1993年，麻省理工學院獲3D印刷技術專利；2011年8月，南安普敦大學的工程師們開發(fā)出世界上第一架3D打印的飛機；2012年1 1月，蘇格蘭科學家利用人體細胞首次用3D打印機打印出人造肝臟組織。目前，3D打印技術已在工業(yè)、建筑、汽車、

4、航空航天、口腔科和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、教育、地理信息系統(tǒng)、土木工程、槍支以及其他領域都有所應用。,,國內外骨科早期采用3D打印技術主要用于等比例骨折實體模型的打?。ㄔ缙诜Q之為RP技術）。輔助骨折復位、內固定選擇、內固定模擬復位、確定螺釘長度及置入角度，實現(xiàn)了真正意義上的治療方案個體化國內多家單位亦成功開展了3D打印技術在臨床的應用，涵蓋了創(chuàng)傷骨科、關節(jié)外科、脊柱外科、足踝外科、骨病與骨腫瘤等亞專科；手術范圍、種類涉及到骨折實體模型打印、復雜骨折

5、輔助復位、內固定及置入物的選擇、3D打印導航模板引導鋼釘置入、關節(jié)置換輔助手術、足畸形矯治、輔助頸椎椎板單開門椎管擴大成形術及病變組織切除后假體植入重建術等。另外，3D打印技術在皮膚、骨、軟骨、血管等工程化組織構建和面部、耳、鼻、手等康復體及假肢、支具等，以及實體器官再造（人工肝、腎、心臟等）等領域均有成功的研究成果和臨床應用。,,國內2014年4月，由戴魁戎院士和郝永強教授領銜的團隊應用3D打印鈦合金假體為1例44歲男性患者成功實施

6、了骨盆軟骨肉瘤切除后假體重建手術；2014年5月以來，郭征教授領銜團隊在國際上最先成功的將3D打印肩胛骨、鎖骨鈦合金假體應用于骨腫瘤切除后組織的重建，患者的肢體外形和功能均得到較好恢復；2014年8月劉忠軍教授主刀完成世界首例3D打印技術人工定制樞椎作為脊柱外科內置物，重建病變椎體切除后的穩(wěn)定性。,3D打印基本流程,圖像數(shù)據(jù)獲取數(shù)據(jù)后處理3D打印,步驟,第 1 步：圖像獲取，使用最多的是 CT 掃描圖像，因為它應用廣泛且具有

7、足夠的分辨率。第 2 步：圖像處理，即從醫(yī)學影像 PACS 系統(tǒng)（Picture archiving and communication system）提取所需的部分進行后處理，包括計算機輔助設計 CAD（Computer-aided design），從而獲得需要打印物體的表面信息，得到所需的 DICOM（Digital imaging and communications in medicine）格式的圖像。第 3 步：DICOM

8、 轉換 STL（Standard Tessellation Language）格式圖像。STL 格式是 3D 打印機識別的格式。第 4 步：3D 打印過程。,,在醫(yī)學中，圖像通常來源于CT掃描。CT掃描產(chǎn)生的DICOM數(shù)據(jù)（Digital Imaging and Communications inMedicine醫(yī)學數(shù)字成像和通信）經(jīng)過計算機處理后得到三維數(shù)據(jù)然后再根據(jù)臨床需要，借助CAD軟件（Computer Aided Desi

9、gn計算機輔助設計）對3D圖像進行修改，獲得最終打印模型的標準格式數(shù)據(jù)。后處理完成后將數(shù)據(jù)傳輸至3D打印機，根據(jù)需要選擇不同類型的3D打印技術進行三維物理模型及術中模板的打印。其中，有學者認為CAD計算機輔助設計是3D打印技術的核心。,一、初級階段：打印骨骼模型，輔助手術,對于復雜骨折，傳統(tǒng)影像學方法難以直觀了解骨折情況，而3D打印的1:1比例的三維實體模型可以更加直觀和清晰，可以很好的協(xié)助醫(yī)生進行術前診斷，幫助醫(yī)生了解骨折的程度、

10、類型及各個骨折塊的移位情況，做出明確的術前診斷，評估術中可能存在的風險，為術中的骨折復位提供基礎。同時醫(yī)生在術前可以在模型上進行模擬手術操作和練習，對術中內固定物進行預塑形，提高手術操作準確度可以明顯的減少了術中X線的應用次數(shù)、節(jié)省手術時間。,3D打印模型流程示意圖,利用3D打印技術制作的全仿真骨折模型,中級階段：植入物及假體制作，個性化治療,醫(yī)學治療的個性化是21世紀醫(yī)學發(fā)展的方向之一。目前，標準尺寸的骨科植入物能滿足大部分患者需

11、求。但在特殊情況下，如患者所需內植物太大或太小，或由于疾病的特殊性無合適商業(yè)化產(chǎn)品，或需要與個體解剖結構更為貼附的內植物以提高手術效果時，則需要個性化定制假體及內植入物。,,目前國內外已經(jīng)廣泛開展了3D打印個性化接骨板、個體化人工關節(jié)假體的臨床應用研究。對于關節(jié)嚴重畸形以及特殊部位的骨腫瘤患者，手術方案的制定非常具有挑戰(zhàn)性，如假體型號的選擇、假體安放位置的準確以及畸形的矯正程度等都是術者面臨的難題。個體化骨科植入物可保證幾何形態(tài)

12、的完美匹配，理論上可保證良好的初始穩(wěn)定性，改善骨長人，延長假體壽命。,3D打印技術應用于頸椎間盤突出治療,高級階段：生物打印，人工器官與人工骨骼,生物打印是3D 打印技術研究中最前沿的領域，是最具有價值的技術，其特點在于“墨水”中含細胞和生長因子，產(chǎn)品經(jīng)體外和體內培育，形成有生理功能的組織結構?？梢灾苯印按蛴　背龉δ苄缘娜梭w器官和組織。在骨組織工程領域，3D 打印技術主要用于制作結構復雜、形狀各異的組織工程支架，甚至打印組織工程人體

13、器官。,實例應用（一）,橈骨頭粉碎性骨折患者摔傷右肘關節(jié)腫痛、活動受限1小時。查體：右肘部見皮膚挫擦傷痕，局部腫脹明顯，壓痛，捫及骨擦感，肘關節(jié)旋轉功能障礙，腕指活動良好，指端血運皮膚感覺可急診予以右肘部X線片檢查，確認患者為右橈骨小頭粉碎性骨折，屬于復雜的骨折類型。面對這例難度系數(shù)較大的手術，如何保證患者患肢功能，縮短手術時間，取得良好治療效果、降低手術風險？經(jīng)病例討論決定，借助3D打印技術來做此復雜的骨折手術，予以橈骨小頭置換

14、術。,,患者入院后予以患肢行薄層CT掃描獲取病變部位的二維數(shù)據(jù),采用計算機輔助技術行橈骨小頭骨折的三維重建解剖學模型,快速成型制作出與實體1∶1大小的肘關節(jié)模型，并打印出1∶1大小的肘關節(jié)模型，依此對橈骨小頭骨折做出明確的診斷、分型，制定手術方案。,1：1模型術前設計,計算機輔助模擬截骨,計算機輔助設計橈骨小頭假體,計算機輔助模擬置換后的效果,,術前予以關節(jié)面測量，根據(jù)肘關節(jié)假體數(shù)據(jù)模擬測量截骨長度，關節(jié)面的匹配情況，模擬關節(jié)術后假體穩(wěn)

15、定情況以及肘關節(jié)的活動效果，模擬手術指導手術治療在術中所見與虛擬三維重建圖像及快速成型肘關節(jié)模型及骨折類型非常相似，術前的模擬手術使手術時間明顯縮短,減少了術中失血。,術前模型截骨長度測量,術前模型模擬截骨,術前模型截骨后效果,術前模型截骨后測量,術前橈骨小頭模擬置換效果,術中截下的骨頭,術中置換完成圖片,術后透視,實例（二）骨盆骨折,運用3D打印1:1骨盆骨折模型能全面、直觀、精確地顯示骨盆骨折部位、以及髖臼的立體形態(tài)和各部位解剖結構

16、的空間關系，對于骨盆骨折的診斷、分型及治療均有很強的臨床指導作用，可用于制定手術方案、術前模擬手術，它使骨盆骨折手術更精確、更可靠、更方便。,,患者摔傷致右髖部、左側胸部等全身多處疼痛1小時。查體：左側前胸部見挫傷傷痕，局部稍腫脹，壓痛，胸廓擠壓征（+），腰肌緊張，腰3.4棘突壓痛、叩擊痛，腰椎活動受限；骨盆擠壓征（+），分離試驗（+），左膝見長約4cm及3cm挫裂傷口，深達皮下，污染，傷口滲血，未見肌肉及髕韌帶斷裂，左手腕、左髖部、

17、左大腿及左膝見挫擦傷痕，局部腫脹，壓痛，雙下肢肌力5級，感覺正常急診予以胸部、骨盆X線片、骨盆CT檢查，診斷：骨盆骨折：右恥骨上支骨折、右髖臼骨折討論決定借助3D打印技術來治療復雜的骨盆骨折患者，予以骨盆骨折內固定手術,術前三維重建骨盆模型,,術前1：1骨盆骨折模擬復位,術前根據(jù)制定的手術方案預彎鋼板,術前模擬手術內固定效果,術中骨盆骨折手術內固定,實例（三）頸椎腫瘤,2016年10月17日，北京大學第三醫(yī)院（以下簡稱「北醫(yī)三院」

18、）骨科主任劉忠軍教授收治了一位4節(jié)頸椎被惡性腫瘤侵犯的重癥患者。劉教授團隊給患者實施了全世界首例4節(jié)頸椎切除手術，并給患者安裝上全世界首個大跨度3D打印人工頸椎。,常規(guī)應用鈦網(wǎng)+內固定,3D打印效果,,用來替換4節(jié)頸椎的3D打印內植物（是不是跟想象中的完全不一樣，做成這樣是有原因的，后文會告訴你）。該內植物通過兩端的接頭直接固定在第一節(jié)和第六節(jié)椎骨上。它的力學強度和與上下椎骨的接觸面積，都明顯大于傳統(tǒng)的鈦網(wǎng)。一段時間后，這個具備人體生理

19、曲度的「海綿狀」微孔鈦合金3D打印內植物會被新生的骨組織充滿（見下圖），并被各種軟組織包被。,動物實驗中的3D打印微孔內植物切片顯微圖，可以看到微孔中已經(jīng)長滿了骨組織,Impossible Objects公司：3D打印的PEEK碳纖維復合材料股骨柄植入物,清華長庚醫(yī)院：完成世界首例高位骶骨整塊切除并3D打印假體重建術,北京大學第三醫(yī)院：國內首個獲得CFDA批準的金屬3D打印椎體植入物手術,3D打印局限,材料的限制：雖然目前可以實現(xiàn)塑料、

20、某些金屬或者陶瓷打印，但打印的材料都是比較昂貴和稀缺的，尚無法支持各種材料、特別是生物材料的打印；材料的力學性能也是目前研究的熱點和要點。加快3D生物打印研究與開發(fā)：除了研制適合3D打印的生物材料和“墨水”外，還要研究細胞和生長因子與材料復合的最佳濃度；打印時如何達到無菌、無熱源、保持細胞／生物活性因子的活力、維持組織結構完整性等要求。輔以材料的微米、納米技術；可根據(jù)需要設定特定的孔隙率、交聯(lián)；顯著提高支架的生物學及力學性能，使其有利

21、于細胞黏附、增殖、分化，從而促進骨組織生長及骨折愈合，有助于縮短患者的恢復期，有利于節(jié)省患者的醫(yī)療成本。,3D打印局限,個性化定制治療與規(guī)?；圃?、群體治療相兼顧研究：目前3D打印只是適合一些小規(guī)模制造，尤其為高端的定制化產(chǎn)品；3D打印尚無法應用于大量生產(chǎn)，這與臨床的通用化治療顯然不相適宜，如何兼顧二者進行研究應該是一個方向。知識產(chǎn)權的保護：采用3D打印技術幾乎可以復制所有的醫(yī)療器械，如何保護知識產(chǎn)權、避免產(chǎn)權糾紛，也是我們面臨的問題

22、之一，有待政府部門制定相應的政策法規(guī)或指導原則。標準的制定：作為一種新型產(chǎn)品、作為一項臨床新技術，無論個體化定制或規(guī)?；圃欤夹枰獓栏竦募夹g標準和產(chǎn)品質量控制，這方面國際上均是空白。,3D打印技術在骨科的應用前景,3D打印技術在骨科的產(chǎn)業(yè)方向主要有2個，一個是快速成型，一個是快速制造?？焖俪尚?目前的3D打印技術，主要應用在快速成型方面，如制作模型、制作導板、制作匹配的骨替代物等都屬于快速成型。然而快速制造實現(xiàn)了生產(chǎn)線式的制做，3

23、D打印有望在人工假體、手術器械、骨移植物等實現(xiàn)快速制造。同時具有生物活性人工替代骨組織的制造方面也將發(fā)生巨大的進步。,,隨著電腦技術及材料技術的不斷進步，3D打印技術應用的價格變的越來越低，并且媒體的推廣也不斷為人們所認識，越來越多的人接受3D打印技術。在骨科領域中具有生命特征的活性人造骨骼的3D打印發(fā)展主要依賴于生物材料、干細胞、組織培養(yǎng)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打印出來，這項技術突破