【摘 要】3D打印技术作为一种新型的快速成型及快速制造技术，受到医学学者的青睐。在骨科领域也得到了广泛的应用与发展，本文综述了3D打印技术在骨科的手术辅助、骨科材料及生物活性骨组织替代物等领域的应用进展，同时对其在骨科应用的未来进行展望。
【关键词】3D打印；骨科；骨骼模型；快速成型，
3D打印技术是一种快速制造技术，其主要原理是“分层制造，逐层叠加”，即先通过3D打印机分层制造，形成二维结构的物质平面，再根据需要精确堆积材料、逐层叠加，最终形成产品的三维结构［1］。随着3D打印理念的发展，各种制造技术逐渐形成，先是1986年，ChuckHull发明了光固化立体印刷技术（SLA），并产生第一台3D打印机；1989年Deck-ard发明选择性激光烧结技术（SLS）；然后是1992年Crump发明熔融沉积成型技术（FDM）；1993年Sachs发明了3D喷印技术（3DP）等［2］。3D打印技术有异于传统的削材及铸造技术，能使产品的物理结构不发生变化；还能根据需求定制，实现材料与病变部位的完全匹配，同时还可携带细胞及生物活性微球进行骨缺损部位的原位打印。现就骨科3D打印技术的应用研究进展如下。
1 3D打印技术在骨科的应用现状
3D打印技术在骨科的应用主要是以下几种：（1）1∶1实物模型的制作；（2）骨科手术辅助材料的打印；（3）骨科内置物材料的打印。1.13D打印1∶1实物模型3D打印技术术前根据患者CT三维重建的数据构建出1∶1的3D模型，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，对疾病的诊断、术前手术方案的设计、术前手术操作的演练、术中辅助手术操作以及术后恢复等方面拥有良好的应用前景和极高的应用价值。
3D打印的模型对疾病的诊断有着重要意义，例如在复杂骨折的分型、脊柱侧弯的分型、骨肿瘤的鉴别、关节损伤的严重程度等。并且对骨肿瘤的患者，可根据CT值打印出肿瘤的范围，指导肿瘤的界限，术前制定手术计划，模拟操作，对肿瘤准确的切除及个体化制作材料和重建提供准确参数，简化手术，减小创伤及并发症，提高治疗效果［3］。同时根据3D打印的骨关节原型，可计划插入髓腔内的器材尺寸，为髓腔结构变异与器材结构差异的患者更好的置入假体，提高手术安全性和精确性。还可以预见手术过程中可能出现的情况如术后遗留骨缺损区域的三维外形，内固定器或个性化假体的参数、内固定物螺钉定位等，充分的术前准备，有助于手术疗效改善［4－5］。对于脊柱手术最主要的是准确置钉，减少手术并发症，颈椎的椎弓根细小，置钉风险大，所以打印纸做的钻孔导板尤为重要，在钻孔导板辅助下进行椎弓根螺钉置入，使用简便，手术也更加简单，个性化的设计使得精确度增加，术前可直接找到合适的螺钉尺寸及设计螺钉置入的轨道，减少螺钉的偏离［6］。在脊柱侧弯的患者中应用价值更大，不仅可以指导准确置钉，还可直接测量畸形的角度，设计螺钉置入的顺序及节段，在椎弓根螺钉的钻孔导板下很容易操作，可缩短手术时间，减少手术团队及患者的辐射量，减少置钉穿孔率及方向错误率，椎弓根置钉准确率达到98.08%，远高于传统置钉准确率。并且可缩短椎弓根钉置入的学习曲线。在复杂四肢骨折中，快速成型技术对骨折分型及手术复位演练有着重要的意义。并对干骺端骨不连截骨、骨盆骨折、髋臼骨折、胫骨平台骨折、跟骨骨折等不同患者进行术前建模，利用3D制备的模型或者使用导板辅助螺钉及内固定材料准确置入，可缩短手术时间，减少并发症发生，手术效果令人满意。
现已证实，数字化三维模型能够更直观、更准确地反映骨骼病变的三维立体结构，对临床医生的诊断、手术计划、内固定选择等有较大帮助，并且减少手术的操作时间，手术切口最小化，术中透视少、精确度高，但术前CT三维重建，增加费用，延长术前计划时间及导板的制作。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆在一项关于3D打印对脊柱及骨盆手术作用的调查中显示：大多数医生认为3D打印技术有助于手术计划制定、术前操作、与患者交流及增加手术的安全性，并缩短手术时间。
2 3D打印技术的优势与局限
首先和其他技术相比，3D打印技术的打印精度更高，目前上市的主流3D打印机精度基本控制在0.3rain以下，个别精度较高的可实现600dpi的分辨率，打印厚度只有0.01mm；其次从理论上来讲，3D打印机可以打印出计算机设计的任何形状的模型，故能满足医生和患者的个性化需求，而且打印的骨骼中有可供患者本身骨细胞生长的孔隙，这样就可以使打印的骨骼与患者本身骨骼融合，有助于患者康复，提高稳定性；同时，3D打印导板技术还可以提高截骨的精准性和安全性；另外，3D打印因其增材制作的特性，因此在生产中不会产生边角料，从而会提高材料的利用率，而且打印速度也很快，操作也很简单。虽然可以实现个性化是3D打印技术的一个绝对优势，但是正因为它的个性化太强，从另一角度来讲就不利于大规模的批量商业生产。此外，目前的3D打印技术仍属于发展初期，经验相对不足，且缺乏专业型的人才，如果一旦出现问题，打印的模型就可能会变形；另外，3D打印相比较于普通的X线、CT扫描以及MRI等影像学检查，价格仍稍显昂贵，其推广度和认可度仍有待加强；而且由于模型的前期准备时间比较长，不适用于急诊手术；如果一旦中途手术计划发生改变，也无法在术中重新进行设计。
3展望
目前的3D打印技术有优势也有劣势，所以将其成功地应用于骨科的各个领域仍有很长的一段路要走，而一旦成功应用，将具有传统手术方法无法比拟的优越性。随着其技术的发展，在不久的将来很可能会逐步实现组织工程支架、植入物、人工关节、假肢等的私人定制，甚至可以使基于3D打印技术的生物组织、器官再生成为可能，3D打印技术给人类带来无尽的想象和可能。
3D打印技术在骨科的产业方向主要有2个，一个是快速成型，一个是快速制造。快速成型：目前的3D打印技术，主要应用在快速成型方面，如制作模型、制作导板、制作匹配的骨替代物等都属于快速成型。然而快速制造实现了生产线式的制做，3D打印有望在人工假体、手术器械、骨移植物等实现快速制造。同时具有生物活性人工替代骨组织的制造方面也将发生巨大的进步。随着电脑技术及材料技术的不断进步，3D打印技术应用的价格变的越来越低，并且媒体的推广也不断为人们所认识，越来越多的人接受3D打印技术。在骨科领域中具有生命特征的活性人造骨骼的3D打印发展主要依赖于生物材料、干细胞、组织培养等多学科的科技突破，将替代坏死、缺损的骨组织部分的具有生物活性人工骨组织直接打印出来，这项技术突破已经不是遥不可及的了。
目前，3D打印技术在硬组织工程材料的制备方面获得了较多新进展，并开始运用于临床。然而，国内3D打印还处于初始研发阶段，技术不够成熟，应用的设备及材料大多由国外厂家提供，在一定程度上限制了3D打印技术在骨科的广泛应用。随着我国数控技术、生物材料制作的进一步发展，个性化组织工程有望应用于更多的患者，满足广大患者的需要。
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论文作者:宫月明1,秦丹丹2
论文发表刊物:《中国医学人文》(学术版)2018年5月上第9期
论文发表时间:2018/11/22
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