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              3D打印技術在骨科醫療中的應用

              2021-03-26 13:33:17

              全方位了解3D打印技術在骨科醫療中的應用


              3D打印是20世紀80年代出現的重要技術,近30年來發展迅速。3D打印技術有異于傳統的削材及鑄造技術:不僅使產品的物理結構發生變化,還能根據個性化需求定制,實現材料與病變部位的完全匹配,同時可攜帶細胞及生物活性微球進行骨缺損部位的原位打印。這些特點決定了該技術在生物醫學領域有廣闊的應用前景。


              本文旨在對3D打印技術的原理及其在骨科的應用進行概述,并對其在未來的發展提出展望。目的是加深臨床醫生對3D打印技術的理解,同時也有利于其臨床轉化,為患者提供更加優質的醫療服務。


              一、什么是3D打印技術


              3D打印技術又稱為"快速原型技術(rapid prototyping)"或"增材制造技術(additive manufacturing)"。


              增材制造技術是一種以數字模型文件為基礎,應用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料,通過"分層制造、逐層疊加"的方式來構造物體的技術,它包括SLA、SLS、3DP、FDM等。


              為了方便理解和推廣,媒體將增材制造技術又稱為3D打印技術。增材制造技術Z早主要用于設計原型的制造,因此又稱為快速原型技術。


              30多年來,3D打印一般被用來通過數據軟件制造物理模型。而近10年來,隨著3D打印技術的發展,3D打印機的成本大大降低,其應用范圍也得以拓展,現已應用到教學、醫療和科研等領域。


              醫學3D打印主要包括以下四個過程:

              ①打印物圖像信息的搜集及數據化;

              ②圖像數據信息的處理和轉換;

              ③利用數據信息進行3D打??;

              ④打印物的后期處理和性能評估。


              (一)打印物圖像信息的搜集及數據化

              通過X線、CT和MRI對所要打印的部位進行攝影,并將所得到的圖像信息數據化,然后以醫學影像軟件常用的"DICOM"格式導出。


              由于醫學影像的分辨率遠大于3D打印機的分辨率,使得通過醫學影像學所獲得的數據信息足夠滿足3D打印機的精度要求[2]。


              (二)圖像數據信息的處理和轉換

              打印物的圖像數據信息還需要根據Z終的打印需要進行相應的數據加工處理。醫學領域常用的數據加工軟件有Mimics軟件(Materialise,比利時)、UG Imagewa軟件(EDS,美國)和Geomagic Studio軟件(Geomagic,美國)。



              (三)利用數據信息進行3D打印

              3D打印機可根據"STL"格式的數據化信息重建出打印物。一般FDM技術3D打印機打印精度可達0.2 mm,而SLA技術可到0.025 mm,打印精度更高,目前已經能夠量產。


              (四)打印物的后期處理和性能評估

              有時候需要對打印物進行去支撐、表面光滑、金屬部件的淬火及回火等后期處理,必要時可進行部分機械加工,以彌補打印過程的局限性。同時對處理后的打印物根據其用途的不同進行相應的性能評估,如金屬相分析、材料表面檢測、運動學分析和有限元分析等。


              二、3D打印在骨科的應用


              (一)常用于骨科3D打印的技術及材料

              3D打印技術無需工業模具,產生廢料極少,單個制作與批量制作成本相比差距不大,因此在非批量制作中具有明顯的成本和效率優勢,極大地簡化了從設計到產品實物的過程。目前Z常見且與骨科直接相關的成型方法包括:

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              目前供3D打印機使用的材料逐漸增多,包括膠原、殼聚糖等天然醫用材料,聚乳酸、聚乙醇酸、聚醚醚酮等人工合成高分子材料,羥基磷灰石等生物活性陶瓷材料,鈦合金等醫用金屬材料等。打印材料的選用與其用途密切相關。

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              (二)3D打印在骨科的應用

              1.術前規劃

              對于骨折患者,尤其是復雜骨折患者,術前有實體解剖模型用于分析或模擬手術操作較單純依靠二維平面的MRI或CT掃描更具指導意義。


              術前應用3D打印技術可使醫生對患者的病情有更加直觀的認識,尤其是對經驗不夠豐富的年輕醫生,更有利于疾病的診治。


              臨床結果表明使用3D模型組較非3D模型組手術時間更短、術中出血量及術后引流量更少,有利于骨折的復位,提高手術精度、縮短手術時間,達到更好的手術效果。

              骨盆(上)與肩部(下)惡性骨腫瘤利用3D打印技術進行術前規劃。打印腫瘤模型,呈現腫瘤切除邊界


              【醫學應用】2016年1月,北京清華長庚醫院神經外科主任王貴懷教授于神經外科上演了一幕“刀尖上的華爾茲”,他利用3D打印技術,“克隆”患者病變部位腰椎模型,精準地呈現了患者腫瘤與椎體、血管及輸尿管的分布和形態,精準實施腫瘤切除手術。



              2.制作手術導航模板


              手術導板全稱為"手術導航實物模板",主要作用是幫助骨折精準復位、輔助螺釘等植入物或器械達到預定的位置,在提高手術操作便利性的同時,可降低置釘穿孔率及方向錯誤率,使手術操作的準確性明顯提高。


              采用3D打印手術導板輔助治療組椎弓根螺釘置入準確率高、術中風險降低、手術安全性高、臨床療效滿意,是一種有效可行和值得推廣的技術。


              手術導板的應用使醫療處置更加趨向于精準化,符合當前精準醫學的理念,在減輕患者損傷的同時可提高手術療效。


              【醫學應用】2015年4月中南大學湘雅醫院成功實施了一例復雜的脛骨矯形手術。術前利用精細的3D打印模型進行了演練和方案制定。



              3.定制個性化假體與內植物

              在骨關節損傷的修復中經常需要使用到假體和內植物。傳統的假體和內植物的規格固定,需要在術中用手術刀和電鉆去修整移植物,使之具有我們想要的形狀和尺寸,而3D打印卻可以為患者"量身定做"個性化的材料。


              就支架的生物固定模式來說,支架與周圍組織的固定方式分為骨長上與骨長入兩種。


              骨長上固定模式為骨質對植入物表面進行包繞式生長固定,臨床常見的植入物表面有粗糙表面、燒結表面、等離子噴涂表面等;骨長入固定模式為骨組織長入內植物內部,與內植物形成牢固的整體。


              這兩種固定方式均會顯著影響假體和內植物在患者體內的穩定性與Z終壽命。


              促進骨長入的形成可大限度地延長假體壽命,而3D打印技術在制作有利于骨長入的多孔植入物材料方面較傳統方法存在優勢。


              常見的很多植入物均采用磷酸三鈣材料,在多孔的磷酸三鈣支架中混入氧化鎂或氧化鍶將更加有利于骨骼的生長。也有研究證明,多孔鈦合金植入物具有很好的骨長入能力,能促進假體-骨界面的骨性愈合,從而延長假體使用壽命。



              【醫學應用】2015年2月中南大學湘雅醫院成功利用3D打印的鈦金屬網格結構實施了一例頜骨重建手術。



              4.定制外固定支具


              對骨科外固定支具材料的研究一直是創傷救治中Z基本和Z活躍的領域。


              從Z初的小夾板到石膏繃帶、熱塑夾板、可卸式泡沫夾板、高分子夾板,這些器械的發明與應用給創傷骨科患者的治療帶來了更加有效的方法。


              外固定材料直接與患者肢體接觸,因此理想的外固定支具應具備以下特征:①穩定但不能過于堅硬,防止造成軟組織損傷而影響后期功能恢復;②盡量與患者軟組織外形吻合;③佩戴時間較長,應盡可能輕便,可清洗。


              3D打印技術恰恰能彌補現有外固定材料制作和使用中的一些缺陷。


              【醫學應用】

              1.整形外科領域:燒傷治療,面部重建,隆鼻及隆頦假體的個性化定制、顱骨缺損的個性化修復、下頜骨重建術及截骨手術等。


              2.口腔科:個性化定制化的牙齒隱形矯正器,牙齒接種



              3.康復輔助設備:助聽器,個性化矯形外骨骼。



              4.新型手術器械的研發

              為了更好地滿足個性化醫療的需求,適應個性化材料的使用,必然需要與之相配套的個性化的手術器械,而3D打印使之成為可能。George等應用SLS技術打印手術器械,包括止血鉗、持針器、手術刀柄、拉鉤、鑷子等,通過在人尸體上模擬手術和腹股溝疝修補術并評估術后人體工程學功能發現,與傳統的手術器械相比,3D打印手術器械在不增加成本的前提下能夠大大減少個性化手術器械的生產時間。



              5.組織工程支架

              組織工程學的目的是在體內或體外生成可替代性的組織或器官,以修復受損害的組織、器官的功能。


              種子細胞、生物活性因子及支架材料是經典組織工程構建需要的三大要素。


              理想的支架應具有以下特征:①良好的生物相容性;②適中的生物降解性;③具有誘導或引導組織再生的能力;④具有一定的生物力學強度與可塑性;⑤無毒性與無免疫原性;⑥具有合適的孔徑;⑦可提供細胞生長分化所需的細胞因子,如血管內皮生長因子、骨形態發生蛋白等。


              3D打印技術相比于傳統技術而言能夠更好地實現上述特點。


              朱祥等以絲素蛋白和膠原蛋白為原料制作人工仿生脊髓導管,將其置入SD大鼠背部皮下,4周后完全降解。神經干細胞可在人工仿生脊髓導管孔隙中生長,呈球形或梭形;在導管表面密集生長,有些細胞伸出偽足附著在導管表面。


              Ding等利用3D生物打印技術打印骨軟骨雙相支架,再生骨和軟骨組織生物力學性能與正常狀態接近,且骨-軟骨界面良好。


              李祥等發現多孔鈦/殼聚糖/羥基磷灰石(Ti/Ch/HA)復合結構支架能與人體骨組織力學性能相匹配,較單純多孔鈦更適合成骨細胞的黏附生長,是一種理想的承重部位骨缺損修復替代物。


              Lee等以聚乙酸及殼聚糖為原材料,通過3D打印技術構建個體化下頜骨髁突支架,并在材料表面進行磷灰石涂層。該支架不僅能支撐細胞的生長,同時也能夠促進骨長入和骨傳導。


              Melke等發現絲蛋白支架在體內有促成骨潛能。上述研究都是在小動物體內進行的,而在人體內是否有同樣的作用還有待進一步研究。


              6.藥物研發、釋放和劑型

              3D打印技術已經用于藥物的研發和制備,且將對該領域產生巨大的影響。


              3D打印的優點包括對微液滴大小和劑量的控制,高可重復性,能夠用復雜的藥物釋放模型來制作藥物劑型。復雜的生產工序也能利用3D打印進行標準化從而使其更加簡單可行。


              3D打印技術已經被用于打印許多新穎的劑型,如微囊劑、人工透明質酸細胞外基質、抗生素打印微圖、介孔生物玻璃支架、納米混懸劑、多層藥物釋放裝置等。3D打印的藥物墨水配方包括多種活性成分,有甾體抗炎藥物、對乙酰氨基酚、茶堿、咖啡因、萬古霉素、氧氟沙星、四環素、強的松、紫杉醇、葉酸等。


              李成等通過向兔關節腔內注射透明質酸-軟骨源性形態發生蛋白-1微球可促進關節軟骨損傷修復,抑制骨關節炎的進展。Ko等證明了萊菔硫烷-聚乳酸-羥基乙酸共聚物微球是可以用于治療骨關節炎的一種有效的可注射遞送系統。



              三、思考與展望


              盡管有個性化及打印材料多樣化的優勢,3D打印的發展還存在一些不能回避的問題。


              ①打印材料的研發是3D打印技術發展的難點也是核心。目前骨科器械常用的金屬材料為鈦合金粉末,由于受到材料的粒度分布、松裝密度(規定條件下粉末自由填充單位容積的質量)、氧含量、流動性等性能的影響,其他的金屬材料和高分子材料的打印技術仍然處在試驗階段。對于具有活性的打印材料如何維持細胞活性及其功能的研究還處于瓶頸階段。


              ②在組織工程支架應用方面,3D打印出骨組織工程支架的Z適降解速度、力學性能、孔隙率及孔徑尚無定論。同時支架上載藥物微球后,支架的降解性、成骨性及藥物釋放性能的完全匹配還處于初步實驗階段。當前3D打印機分辨率是微米水平,而骨骼的超微結構是納米水平,故還需要提高3D打印機的分辨率來提高支架功能。


              ③在打印器官方面,目前只能利用單一的活性細胞打印組織、器官,再生出來的器官、組織都是小規模且相對較簡單,常常是無血管、無神經、無淋巴、相對薄弱、中空或需主體血管提供營養。然而,骨內脈管系統可供給距離血管100 μm以內組織的氧氣和營養。


              有學者觀察到當構建的組織厚度超過100~200 μm時,將超過主體和移植物之間的氧供限度。所以,打印復雜的器官、組織,需構建帶血管網的多細胞結構。而相關的研究尚不能達到這個目的,不能復制人體組織、器官功能的復雜性。


              ④價格昂貴,門檻高。雖然近幾年3D打印機的售價逐漸呈下降趨勢,但好的3D打印機仍價格不菲,加上相關配套的CT、MR設備,建模和逆向工程、CAD軟件等,投入較高。另外,設備和軟件的使用需要專門的技術培訓或多學科、多領域的專業技術人員分工合作。


              ⑤需要臨床醫生與工程師的結合(醫工結合),只有這樣才能科學地設計3D手術方案,制造精準的3D植入物,真正體現3D打印技術在骨科的應用價值,更好地惠及患者。





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