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3D打印在骨科的应用

日期: 2020-03-25
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(一)常用于骨科3D打印的技术及材料

3D打印技术无需工业模具,产生废料极少,单个制作与批量制作成本相比差距不大,因此在非批量制作中具有明显的成本和效率优势,极大地简化了从设计到产品实物的过程。目前最常见且与骨科直接相关的成型方法包括:①SLA,通过紫外激光(如λ 325 nm)照射定点固化光敏聚合物(如3D Systems,美国);②SLS,通过高功率激光定点融化小颗粒热塑性材料(如尼龙等聚合物、青铜合金、钛合金、陶瓷和玻璃)粉末(如EOS GmbH,德国);③FDM,定点挤压堆积熔融的热塑性材料、共晶金属粉末、金属(如Stratasys Inc.,美国);④分层实体制造(laminated object manufacturing,LOM),通过激光束逐层实现对薄片材料的轮廓控制,如纸张、皮毛及金属薄片等(如Cubic Technologies,美国);⑤金属直接熔融技术[选择性激光熔融(selective laser melting,SLM)或电子束熔融(electron beam melting,EBM)技术],通过高功率激光或电子束选择性地定点融化金属粉材;⑥喷墨打印技术,通过生物细胞和促生长因子等与水凝胶等基质一同打印出不同的组织器官。打印方法需根据打印物体的材料特征要求和用途来选择。

3D打印在骨科的应用

目前供3D打印机使用的材料逐渐增多,包括胶原、壳聚糖等天然医用材料,聚乳酸、聚乙醇酸、聚醚醚酮等人工合成高分子材料,羟基磷灰石等生物活性陶瓷材料,钛合金等医用金属材料等。打印材料的选用与其用途密切相关。若制备体内植入物,除需要考虑材料的力学强度外,还要考虑到材料的生物相容性、耐磨性、生物活性等,如金属及合金粉末(钛合金、生物陶瓷、塑料等);若制备组织工程支架,则还需要考虑其降解可吸收性和诱导成骨等方面的生物活性,如羟基磷灰石、聚己内酯-磷酸钙[4]、己内酯-磷酸钙、聚富马酸二羟丙酯、聚富马酸二羟丙酯-羟基磷灰石、聚碳酸酯、聚乳酸酯、壳聚糖、碳酸三钙、聚乙醇酸、水凝胶等[7],其中聚己内酯应用最多,因其具有60 ℃左右的低熔点、-60 ℃的低玻璃化温度及较高的热稳定性;若制备手术导板,则需要选用具有一定硬度、韧性、受力后不易变形的材质,可消毒,以便术中应用,如尼龙粉末等;若制备骨折模型,则需要无毒且硬度适宜的材料,如石膏、聚乳酸-塑料、光敏树脂等。3D打印在骨科的应用

(二)3D打印在骨科的应用

1.术前规划

对于骨折患者,尤其是复杂骨折患者,术前有实体解剖模型用于分析或模拟手术操作较单纯依靠二维平面的MRI或CT扫描更具指导意义。樊勇等[12]通过3D快速成型技术为32例完全脱位的胸腰椎骨折患者制备了骨折模型,进行术前减压范围、置钉节段、进钉角度和长度的规划,并在此基础上行后路开放骨折复位内固定手术。结果发现较常规手术组手术时间和术中出血量均明显减少,疼痛评分明显降低。左睿等将45例复杂胫骨干平台骨折患者随机分为应用3D打印虚拟手术组和常规手术组,虚拟手术组术前采用三维重建、虚拟复位、3D打印及个性化模型进行预手术。结果证实虚拟手术组复位固定时间短,钢板一次性放置率和复位满意度高,但两组术后膝关节功能评分的差异无统计学意义。术前应用3D打印技术可使医生对患者的病情有更加直观的认识,尤其是对经验不够丰富的年轻医生,更有利于疾病的诊治。冒锋涌等回顾性分析了采用股骨近端防旋髓内钉治疗的27例不稳定股骨转子间骨折患者,根据术前是否应用3D打印技术分为两组:3D模型组12例,非3D模型组15例。结果发现3D模型组较非3D模型组手术时间更短、术中出血量及术后引流量更少。这一结果说明3D打印可准确构建股骨转子间骨折原型,有利于骨折的精确复位,提高手术精度、缩短手术时间,达到更好的手术效果。

2.制作手术导航模板

手术导板全称为'手术导航实物模板',主要作用是帮助骨折精准复位、辅助螺钉等植入物或器械达到预定的位置,在提高手术操作便利性的同时,可降低置钉穿孔率及方向错误率,使手术操作的准确性明显提高。樊勇等通过对39例寰枢椎脱位患者的回顾性分析发现,采用3D打印手术导板辅助治疗组椎弓根螺钉置入准确率高、术中风险降低、手术安全性高、临床疗效满意,是一种有效可行和值得推广的技术。李智多等选取6具正常腰椎标本随机分为三组:徒手置钉组、椎板-'人'字嵴型导板组、椎板-棘突型导板组。实验结果表明,椎板-棘突型导板辅助置钉具备较高的成功率,提高了置钉的安全性和准确性,理论上可降低神经、血管的损伤风险;同时椎板-'人'字嵴不适合作为导板的贴合面,该类型导板无法与标本完全匹配。手术导板的应用使医疗处置更加趋向于精准化,符合当前精准医学的理念,在减轻患者损伤的同时可提高手术疗效。

3.定制个性化假体与内植物

在骨关节损伤的修复中经常需要使用到假体和内植物。传统的假体和内植物的规格只有有限的几种,需要在术中用手术刀和电钻去除移植物上的部分金属或塑料来修整移植物,使之具有我们想要的形状和尺寸。而3D打印却可以为患者'量身定做'个性化的材料。就支架的生物固定模式来说,支架与周围组织的固定方式分为骨长上与骨长入两种。骨长上固定模式为骨质对植入物表面进行包绕式生长固定,临床常见的植入物表面有粗糙表面、烧结表面、等离子喷涂表面等;骨长入固定模式为骨组织长入内植物内部,与内植物形成牢固的整体。这两种固定方式均会显著影响假体和内植物在患者体内的稳定性与最终寿命。促进骨长入的形成可最大限度地延长假体寿命,而3D打印技术在制作有利于骨长入的多孔植入物材料方面较传统方法存在优势。常见的很多植入物均采用磷酸三钙材料,在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。也有研究证明,多孔钛合金植入物具有很好的骨长入能力,能促进假体-骨界面的骨性愈合,从而延长假体使用寿命。在生物力学方面,叶堃等通过有限元分析的方法评价3D打印钛合金骨盆假体的生物力学性能发现,3D打印钛合金骨盆假体可满足生物力学要求,计算结果与患者术后随访结果一致,该方法可为3D打印骨科内植物临床应用提供生物力学依据。

4.定制外固定支具

对骨科外固定支具材料的研究一直是创伤救治中最基本和最活跃的领域。从最初的小夹板到石膏绷带、热塑夹板、可卸式泡沫夹板、高分子夹板,这些器械的发明与应用给创伤骨科患者的治疗带来了更加有效的方法。外固定材料直接与患者肢体接触,因此理想的外固定支具应具备以下特征:①稳定但不能过于坚硬,防止造成软组织损伤而影响后期功能恢复;②尽量与患者软组织外形吻合;③佩戴时间较长,应尽可能轻便,可清洗。3D打印技术恰恰能弥补现有外固定材料制作和使用中的一些缺陷。

5.新型手术器械的研发

为了更好地满足个性化医疗的需求,适应个性化材料的使用,必然需要与之相配套的个性化的手术器械,而3D打印使之成为可能。George等应用SLS技术打印手术器械,包括止血钳、持针器、手术刀柄、拉钩、镊子等,通过在人尸体上模拟手术和腹股沟疝修补术并评估术后人体工程学功能发现,与传统的手术器械相比,3D打印手术器械在不增加成本的前提下能够大大减少个性化手术器械的生产时间。

6.组织工程支架

组织工程学的目的是在体内或体外生成可替代性的组织或器官,以修复受损害的组织、器官的功能。种子细胞、生物活性因子及支架材料是经典组织工程构建需要的三大要素。理想的支架应具有以下特征:①良好的生物相容性;②适中的生物降解性;③具有诱导或引导组织再生的能力;④具有一定的生物力学强度与可塑性;⑤无毒性与无免疫原性;⑥具有合适的孔径;⑦可提供细胞生长分化所需的细胞因子,如血管内皮生长因子、骨形态发生蛋白等。3D打印技术相比于传统技术而言能够更好地实现上述特点。朱祥等以丝素蛋白和胶原蛋白为原料制作人工仿生脊髓导管,将其置入SD大鼠背部皮下,4周后完全降解。神经干细胞可在人工仿生脊髓导管孔隙中生长,呈球形或梭形;在导管表面密集生长,有些细胞伸出伪足附着在导管表面。Ding等利用3D生物打印技术打印骨软骨双相支架,再生骨和软骨组织生物力学性能与正常状态接近,且骨-软骨界面良好。李祥等发现多孔钛/壳聚糖/羟基磷灰石(Ti/Ch/HA)复合结构支架能与人体骨组织力学性能相匹配,较单纯多孔钛更适合成骨细胞的黏附生长,是一种理想的承重部位骨缺损修复替代物。Lee等以聚乙酸及壳聚糖为原材料,通过3D打印技术构建个体化下颌骨髁突支架,并在材料表面进行磷灰石涂层。该支架不仅能支撑细胞的生长,同时也能够促进骨长入和骨传导。Melke等发现丝蛋白支架在体内有促成骨潜能。上述研究都是在小动物体内进行的,而在人体内是否有同样的作用还有待进一步研究。

7.药物研发、释放和剂型

3D打印技术已经用于药物的研发和制备,且将对该领域产生巨大的影响。3D打印的优点包括对微液滴大小和剂量的精确控制,高可重复性,能够用复杂的药物释放模型来制作药物剂型。复杂的生产工序也能利用3D打印进行标准化从而使其更加简单可行。3D打印技术已经被用于打印许多新颖的剂型,如微囊剂、人工透明质酸细胞外基质、抗生素打印微图、介孔生物玻璃支架、纳米混悬剂、多层药物释放装置等。3D打印的药物墨水配方包括多种活性成分,有甾体抗炎药物、对乙酰氨基酚、茶碱、咖啡因、万古霉素、氧氟沙星、四环素、强的松、紫杉醇、叶酸等。李成等通过向兔关节腔内注射透明质酸-软骨源性形态发生蛋白-1微球可促进关节软骨损伤修复,抑制骨关节炎的进展。Ko等证明了莱菔硫烷-聚乳酸-羟基乙酸共聚物微球是可以用于治疗骨关节炎的一种有效的可注射递送系统。

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