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3D打印技术在骨科的应用现状

作为一种新型的快速成型及快速制造技术,越来越为人们所关注,同时也受到医学领域学者的青睐。3D打印技术在医学领域已获得应用,它主要包含以下几点:(1)1∶1的实体模型;(2)无生物活性的材料;(3)具有生物活性的组织细胞及完整生命功能的器官。

3D打印技术在骨科的应用走在前列,骨科领域中第1、2点已得到广泛应用,并且在第3点应用也有相关报道。本文结合国内外相关资料,阐述关于3D打印技术在骨科的应用现状及展望。

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。

3D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。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。

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。

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。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。

在3D打印领域,材料是技术的核心之一,可以使用的材料有很多,如金属、陶瓷、塑料甚至细胞等。根据不同的原料可制作不同的产品,如钢板、关节、骨骼支架材料、骨外固定架等,均可通过3D打印技术生产。

D打印产品最突出的特点是精准、复杂成型、个体化,这正好符合医生的要求。现在3D打印的骨科器械及材料工具主要有:个性化手术工具中最为典型的是手术置钉导板,包括骨盆导板、关节导板、脊柱导板等。

3D打印的导板可提高肿瘤切除范围、精确度及置钉的准确性。3D打印个体化制备的置入物进行组织缺损的修复,可以大大提高外科手术的精确性与安全性,传统的假体并不能完美的匹配患者骨骼的个体差异,各种疾病导致的骨缺损使骨骼的外形更不确定,3D打印技术设计与制备的置入物能够完美解决这些问题。

3D打印手术器械也得到应用,其制备的手术器械价格便宜而且能达到传统手术器械相同的手术要求,使用的材料是清洁材料,对手术有着深远的影响。

骨科内置物材料的打印

3D打印骨科内置物替代骨组织包括两种,一种主要起支撑作用,第二种不仅起支撑作用还富有生物活性。如今很多置入物采用磷酸三钙等材料,有实验显示如果多孔的磷酸三钙支架中混入氧化镁或氧化锶将更加有利于骨骼的生长。

利用3D打印技术制备的生物支架,丰富的材料保证了支架具备很好的生物相容性,而且支架孔隙的大小、形状更加符合种植细胞的迁移、增殖与分化,能够为组织缺损的修复提供优良的环境,纳米微孔技术有利于细胞的生长与爬行。

2005年,戴尅戎教授施行人工半骨盆置换以保全患者的臀部和下肢,其将3D打印技术在国内正式引入临床,手术非常成功,打印的半骨盆主要起到支撑效果。

同时现有打印的富有生物活性骨骼替代物主要为支架,尚处于研究及初步应用阶段,打印的支架混有生物活性物质(如细胞或生长因子等)或者直接由细胞打印成的物质。

3D打印技术制备的羟基磷灰石/聚己内酯/脱钙骨基质置入兔子体内不仅在支架周围成功诱导骨生成,同时能够引导骨细胞在支架的孔隙内爬行并产生新生骨,假如支架混有PLGA/β-TCP、BMP、DMB、软骨细胞、间充质干细胞等生物活性物质,可促进成骨细胞生成骨骼,现在许多支架直接采用可水解的材料作为原材料,其置入后可在体内自然降解,成骨的速度可以完美的匹配支架的降解速度,可修复大段骨缺损。

3D打印的大段人工骨已应用于新西兰兔,组织学及影像学显示无免疫反应,并不干扰骨与纤维组织的生长及长入,加入DMB后更加容易形成新骨长入。如今3D人工椎体、椎间融合器、髋臼假体等即将完成临床观察。现今打印的生物活性骨骼已可直接植入到人体。

3D打印技术在骨科的应用前景

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。


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