引用本文： 王富友, 任翔, 楊柳. 3-D打印技術在關節外科的應用. 中國修復重建外科雜志, 2014, 28(3): 272-275. doi: 10.7507/1002-1892.20140062 復制
近年來3-D技術已滲透至多個領域，科學家們通過各種高科技手段，使客觀世界中的三維實體能夠在虛擬世界中以高精度重建（3-D掃描）、自由編輯（3-D設計）、高清展示（3-D顯示），最終返回至客觀世界（3-D打印）。3-D打印技術作為一項前沿制造技術，已逐步應用于航天、軍工、醫療等多個領域。本文就目前3-D打印技術的原理與分類、臨床應用及基礎研究等方面進行綜述，總結其在關節外科領域中的應用現狀，展望其未來發展方向。
1 3-D打印技術原理與分類
3-D打印技術誕生于上世紀80年代，從1986年Charles Hull開發了第一臺商業3-D打印機，到2012年蘇格蘭科學家Faulkner-Jones等[1]利用細胞打印出人造肝臟組織，3-D打印技術正逐漸滲透至人們生活。3-D打印技術是一種基于離散、堆積成型原理的新型數字化快速成型技術，它融合了計算機輔助設計、數控技術、新材料技術等當代高新技術。其基本原理為：首先由CAD軟件設計預制構件三維數字化模型；然后將模型沿垂直或水平方向分層，并根據每層結構信息進行數控編程；最后將三維數字化模型轉化成快速成型文件格式STL后輸入3-D打印機；3-D打印機將金屬或塑料粉末等特殊材料利用激光束或熱熔噴嘴等方法，在二維X-Y平面內黏結成截面形狀，然后在Z坐標方向進行層層疊加，最終形成三維實體。與傳統的“切削去除”材料方法（如3-D雕刻）不同，3-D打印采用“逐層增加”材料的方式來制作三維實體[2]。3-D打印技術無需機械加工和任何模具，極大地降低了結構復雜產品的制造難度，縮短了研制周期。此外，該技術還具有成型精度高、重復性好、可實現產業化生產等傳統工藝無法比擬的優點。
隨著新材料技術的不斷發展，能夠滿足3-D打印的材料也由金屬、塑料、陶瓷等單一固體粉材發展到液體、凝膠、細胞等混合材料。依據打印材料和成型方式的不同，3-D打印技術可分為以下6類[2]：以光敏樹脂為原料的光固化成型技術，以蠟、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚碳酸酯、尼龍等為原料的熔融擠出成型技術，以不同材料粉末為原料的選擇性激光燒結，以紙、塑料薄膜等為原料的分層實體制造技術，以陶瓷粉末、金屬粉末為原料的3-D打印技術和與傳統樹脂自硬砂工藝相結合的無模鑄型制造技術。3-D打印技術作為一項前沿制造技術，已逐步應用于航天、軍工、醫療、教育、建筑及電影制作等多個領域，并且隨著該技術的發展，其應用領域還將不斷擴展。
2 3-D打印技術在關節外科領域中的臨床應用
隨著影像學和數字化醫學的快速發展，3-D打印技術可為患者“量身定制”高精度的手術方案和植入體，從而提高關節外科復雜高難度手術的成功率，使手術更精確、更安全。
對于髖關節嚴重畸形患者，手術方案的制定非常具有挑戰性，如假體型號的選擇、假體安放位置的準確性以及畸形的矯正程度等都是術者面臨的難題。相對于CT或MRI采集的二維影像或計算機模擬三維圖像，3-D打印的實體模型給醫生提供的信息更全面，術者甚至可利用該模型進行手術模擬，從而提高手術成功率。Won等[3]利用該技術為21例髖關節嚴重畸形患者成功制定手術方案并施行人工全髖關節置換術，術后影像學檢查表明假體組件均按計劃精確植入，而且明顯縮短了手術時間。此外，Sciberras等[4]首次將該技術應用于1例復雜髖關節翻修術，該患者在人工全髖關節置換術后發生假體松動并伴髖臼內陷。若采用常規方法，很難對骨缺損類型和假體位置作出精準判斷。術者根據患者骨盆CT掃描圖像重建骨盆三維模型，采用3-D打印技術制備了一個骨盆模型，并在該模型上進行病情評估和手術練習，最終手術獲得成功。臨床實踐表明，3-D打印技術可有效確定植入物的類型、大小和位置，有利于術者制定最佳手術方案，指導術者開展個體化關節外科手術，使手術更精準，減少了手術時間和術中使用工具數量[5]。
除了指導術者進行精準手術方案的制定外，3-D打印技術還能應用于手術輔助工具和個體化假體制備。Raaijmaakers等[6]應用3-D打印技術制備了一個用于股骨頭表面置換的導針定位裝置，該裝置呈超半球型，與股骨頭、股骨頸前表面緊密匹配，在該導向器引導下，可將假體柄精確安裝在股骨頸解剖軸上，使以往復雜的定位過程變得簡單、假體安裝更精確。目前，標準尺寸的骨科植入物能滿足大部分患者需求，但少數患者因解剖結構特殊或疾病的特異性往往需要定制個體化植入物。3-D打印技術具備加工精確、制作迅速、無需特殊模具等特點，使個體化假體設計、制備成為可能。王臻等[7]利用股骨髁影像數據資料，應用Surfacer9.0圖像處理軟件首先設計出膝關節假體三維模型，然后在LPS600快速成型機上制備樹脂模型，經硅膠翻模、制作蠟模、成殼、澆鑄等過程，最終獲得個體化鈦合金膝關節假體，成功為1例14歲右股骨下段骨肉瘤術后復發患兒施行保肢手術。He等[8]利用3-D打印技術制備了半膝關節和人工骨模具，分別通過快速鑄造和粉末燒結成型技術制備出個體化鈦鋁合金半膝關節和多孔生物陶瓷人工骨，并將組裝后的復合半膝關節假體植入患者體內，術后隨訪表明該復合半膝關節假體與周圍組織、骨骼匹配良好，并且具有足夠的機械強度。Benum等[9]應用該技術制備了個體化股骨假體和股骨髓腔導向器，使手術更精準，成功為2例石骨癥患者施行人工全髖關節置換術。與標準尺寸的骨科植入物相比，3-D打印技術“量身定制”的個體化植入物與患者骨骼匹配更精準，患肢功能恢復更快。
3 3-D打印技術在關節外科領域中的基礎研究
3-D打印技術在關節外科臨床應用方面體現了強大優勢，同時也廣泛應用于基礎研究。眾所周知，組織工程技術在關節外科修復重建領域展示了良好的應用前景，3-D打印技術也被廣泛應用于組織工程骨和軟骨研究領域。
采用3-D打印技術制備的組織工程支架材料不僅具有與缺損組織相匹配的解剖外形，同時也具有滿足細胞黏附、增殖的內部三維多孔結構[10-12]。Lee等[13]應用激光掃描技術獲得6月齡兔肱骨近端解剖形態數據并進行三維重建，然后選用聚己內酯和羥基磷灰石混合材料，應用3-D打印技術制備與肱骨近端解剖結構完全一致的骨軟骨支架，并在支架的關節面灌注TGF-β3和Ⅰ型膠原，植入兔體內修復肱骨近端缺損。結果顯示，術后4個月該支架已再生形成完整的肱骨近端關節面，且再生的軟骨與軟骨下骨整合良好，力學性能與天然軟骨無明顯差異。Woodfield等[14]應用聚乙二醇對苯二甲酸酯/聚對苯二甲酸丁二醇酯纖維，采用3-D打印技術制備關節軟骨支架，該支架的孔隙形狀和孔徑均能按計算機設計精確生成，其平衡模量和動態剛度與天然關節軟骨非常接近；將該支架接種牛關節軟骨細胞后植入裸鼠皮下，動態培養7 d后即有明顯的軟骨樣組織形成。理想的組織工程支架不僅要具備與缺損組織相匹配的解剖外形和滿足細胞接種的內部多孔結構，還應具有足夠的機械強度。隨著新材料的快速發展，3-D打印技術可實現通過改良支架結構特征增強其機械性能。Liu[15]采用包含羥基磷灰石顆粒的水性硅溶膠作為生物陶瓷漿原料，應用3-D打印技術制備具有三維多層中空殼結構的生物陶瓷支架，體外實驗表明該支架在滿足細胞接種的同時也具有良好的機械強度。Quadrani等[16]和Seitz等[17]也分別應用3-D打印技術構建了具有良好機械強度的生物陶瓷骨組織工程支架。
隨著3-D打印技術在組織工程領域的應用，活細胞也作為打印材料的一部分，在制備組織工程支架的同時被一同打印出來。Mironov等[18]首次提出“生物制造”概念，強調細胞是產生和顯示生命的基本元素，只有材料和細胞同時打印才能制備出令人滿意的組織工程器官。Fedorovich等[19]應用氣動分配系統制作加載了兩種熒光標記的BMSCs三維水凝膠支架，結果證實細胞活性不受打印機噴嘴直徑和打印過程的影響，他們認為該技術可制備包含不同類型細胞的組織工程移植物。Xu等[20]利用靜電紡絲和噴墨打印相結合的方法制作組織工程軟骨，首先應用靜電紡絲技術制備聚己內酯纖維薄膜，然后應用噴墨打印方法將含有兔彈性軟骨細胞纖維蛋白和膠原蛋白的水凝膠打印在薄膜表面，循環交替打印5次，最終獲得厚1 mm的“三明治”式組織工程軟骨。體外培養1周，支架中超過80%的軟骨細胞仍保留增殖活性，同時有Ⅱ型膠原蛋白和黏多糖生成。相對于單純纖維蛋白膠原水凝膠，該技術制備的組織工程軟骨機械性能有明顯增強，提示利用噴墨打印方法可制備同時具有良好生物學性能和機械屬性的組織工程軟骨。隨著3-D打印技術在組織工程領域的應用，預計在不久的將來，采用該技術可同時打印支架材料、種子細胞和生物因子，制造出更完美的組織工程器官。
4 存在的問題和展望
3-D打印技術在關節外科得到了廣泛應用，同時也展示出傳統工藝無法比擬的優勢，但目前尚存在一些問題需要改進。在個體化假體制造方面，能夠滿足臨床應用的材料僅限于金屬、陶瓷和塑料，而膠原蛋白、硫酸軟骨素、透明質酸和羥基磷灰石等具有良好生物相容性和安全性的生物材料，尚處于實驗室研究階段。在組織工程骨或軟骨支架研究方面，將活細胞和支架材料一同打印是3-D打印技術在關節外科基礎研究領域應用的進步性標志，但如何實現細胞在支架內按照預制組織結構進行精準分布、如何構建營養通道血管[21]、如何提高打印組織的機械性能等，都是未來研究方向。隨著組織工程學、數字化醫學、新材料和新工藝的不斷發展，3-D打印技術在關節外科領域將會有更廣泛的應用，我們期望能夠打印出包含多種細胞成分、血管和神經等多種組織的人工器官--“生物型人工關節”，植入體內后能再生形成自體關節。
近年來3-D技術已滲透至多個領域，科學家們通過各種高科技手段，使客觀世界中的三維實體能夠在虛擬世界中以高精度重建（3-D掃描）、自由編輯（3-D設計）、高清展示（3-D顯示），最終返回至客觀世界（3-D打印）。3-D打印技術作為一項前沿制造技術，已逐步應用于航天、軍工、醫療等多個領域。本文就目前3-D打印技術的原理與分類、臨床應用及基礎研究等方面進行綜述，總結其在關節外科領域中的應用現狀，展望其未來發展方向。
1 3-D打印技術原理與分類
3-D打印技術誕生于上世紀80年代，從1986年Charles Hull開發了第一臺商業3-D打印機，到2012年蘇格蘭科學家Faulkner-Jones等[1]利用細胞打印出人造肝臟組織，3-D打印技術正逐漸滲透至人們生活。3-D打印技術是一種基于離散、堆積成型原理的新型數字化快速成型技術，它融合了計算機輔助設計、數控技術、新材料技術等當代高新技術。其基本原理為：首先由CAD軟件設計預制構件三維數字化模型；然后將模型沿垂直或水平方向分層，并根據每層結構信息進行數控編程；最后將三維數字化模型轉化成快速成型文件格式STL后輸入3-D打印機；3-D打印機將金屬或塑料粉末等特殊材料利用激光束或熱熔噴嘴等方法，在二維X-Y平面內黏結成截面形狀，然后在Z坐標方向進行層層疊加，最終形成三維實體。與傳統的“切削去除”材料方法（如3-D雕刻）不同，3-D打印采用“逐層增加”材料的方式來制作三維實體[2]。3-D打印技術無需機械加工和任何模具，極大地降低了結構復雜產品的制造難度，縮短了研制周期。此外，該技術還具有成型精度高、重復性好、可實現產業化生產等傳統工藝無法比擬的優點。
隨著新材料技術的不斷發展，能夠滿足3-D打印的材料也由金屬、塑料、陶瓷等單一固體粉材發展到液體、凝膠、細胞等混合材料。依據打印材料和成型方式的不同，3-D打印技術可分為以下6類[2]：以光敏樹脂為原料的光固化成型技術，以蠟、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚碳酸酯、尼龍等為原料的熔融擠出成型技術，以不同材料粉末為原料的選擇性激光燒結，以紙、塑料薄膜等為原料的分層實體制造技術，以陶瓷粉末、金屬粉末為原料的3-D打印技術和與傳統樹脂自硬砂工藝相結合的無模鑄型制造技術。3-D打印技術作為一項前沿制造技術，已逐步應用于航天、軍工、醫療、教育、建筑及電影制作等多個領域，并且隨著該技術的發展，其應用領域還將不斷擴展。
2 3-D打印技術在關節外科領域中的臨床應用
隨著影像學和數字化醫學的快速發展，3-D打印技術可為患者“量身定制”高精度的手術方案和植入體，從而提高關節外科復雜高難度手術的成功率，使手術更精確、更安全。
對于髖關節嚴重畸形患者，手術方案的制定非常具有挑戰性，如假體型號的選擇、假體安放位置的準確性以及畸形的矯正程度等都是術者面臨的難題。相對于CT或MRI采集的二維影像或計算機模擬三維圖像，3-D打印的實體模型給醫生提供的信息更全面，術者甚至可利用該模型進行手術模擬，從而提高手術成功率。Won等[3]利用該技術為21例髖關節嚴重畸形患者成功制定手術方案并施行人工全髖關節置換術，術后影像學檢查表明假體組件均按計劃精確植入，而且明顯縮短了手術時間。此外，Sciberras等[4]首次將該技術應用于1例復雜髖關節翻修術，該患者在人工全髖關節置換術后發生假體松動并伴髖臼內陷。若采用常規方法，很難對骨缺損類型和假體位置作出精準判斷。術者根據患者骨盆CT掃描圖像重建骨盆三維模型，采用3-D打印技術制備了一個骨盆模型，并在該模型上進行病情評估和手術練習，最終手術獲得成功。臨床實踐表明，3-D打印技術可有效確定植入物的類型、大小和位置，有利于術者制定最佳手術方案，指導術者開展個體化關節外科手術，使手術更精準，減少了手術時間和術中使用工具數量[5]。
除了指導術者進行精準手術方案的制定外，3-D打印技術還能應用于手術輔助工具和個體化假體制備。Raaijmaakers等[6]應用3-D打印技術制備了一個用于股骨頭表面置換的導針定位裝置，該裝置呈超半球型，與股骨頭、股骨頸前表面緊密匹配，在該導向器引導下，可將假體柄精確安裝在股骨頸解剖軸上，使以往復雜的定位過程變得簡單、假體安裝更精確。目前，標準尺寸的骨科植入物能滿足大部分患者需求，但少數患者因解剖結構特殊或疾病的特異性往往需要定制個體化植入物。3-D打印技術具備加工精確、制作迅速、無需特殊模具等特點，使個體化假體設計、制備成為可能。王臻等[7]利用股骨髁影像數據資料，應用Surfacer9.0圖像處理軟件首先設計出膝關節假體三維模型，然后在LPS600快速成型機上制備樹脂模型，經硅膠翻模、制作蠟模、成殼、澆鑄等過程，最終獲得個體化鈦合金膝關節假體，成功為1例14歲右股骨下段骨肉瘤術后復發患兒施行保肢手術。He等[8]利用3-D打印技術制備了半膝關節和人工骨模具，分別通過快速鑄造和粉末燒結成型技術制備出個體化鈦鋁合金半膝關節和多孔生物陶瓷人工骨，并將組裝后的復合半膝關節假體植入患者體內，術后隨訪表明該復合半膝關節假體與周圍組織、骨骼匹配良好，并且具有足夠的機械強度。Benum等[9]應用該技術制備了個體化股骨假體和股骨髓腔導向器，使手術更精準，成功為2例石骨癥患者施行人工全髖關節置換術。與標準尺寸的骨科植入物相比，3-D打印技術“量身定制”的個體化植入物與患者骨骼匹配更精準，患肢功能恢復更快。
3 3-D打印技術在關節外科領域中的基礎研究
3-D打印技術在關節外科臨床應用方面體現了強大優勢，同時也廣泛應用于基礎研究。眾所周知，組織工程技術在關節外科修復重建領域展示了良好的應用前景，3-D打印技術也被廣泛應用于組織工程骨和軟骨研究領域。
采用3-D打印技術制備的組織工程支架材料不僅具有與缺損組織相匹配的解剖外形，同時也具有滿足細胞黏附、增殖的內部三維多孔結構[10-12]。Lee等[13]應用激光掃描技術獲得6月齡兔肱骨近端解剖形態數據并進行三維重建，然后選用聚己內酯和羥基磷灰石混合材料，應用3-D打印技術制備與肱骨近端解剖結構完全一致的骨軟骨支架，并在支架的關節面灌注TGF-β3和Ⅰ型膠原，植入兔體內修復肱骨近端缺損。結果顯示，術后4個月該支架已再生形成完整的肱骨近端關節面，且再生的軟骨與軟骨下骨整合良好，力學性能與天然軟骨無明顯差異。Woodfield等[14]應用聚乙二醇對苯二甲酸酯/聚對苯二甲酸丁二醇酯纖維，采用3-D打印技術制備關節軟骨支架，該支架的孔隙形狀和孔徑均能按計算機設計精確生成，其平衡模量和動態剛度與天然關節軟骨非常接近；將該支架接種牛關節軟骨細胞后植入裸鼠皮下，動態培養7 d后即有明顯的軟骨樣組織形成。理想的組織工程支架不僅要具備與缺損組織相匹配的解剖外形和滿足細胞接種的內部多孔結構，還應具有足夠的機械強度。隨著新材料的快速發展，3-D打印技術可實現通過改良支架結構特征增強其機械性能。Liu[15]采用包含羥基磷灰石顆粒的水性硅溶膠作為生物陶瓷漿原料，應用3-D打印技術制備具有三維多層中空殼結構的生物陶瓷支架，體外實驗表明該支架在滿足細胞接種的同時也具有良好的機械強度。Quadrani等[16]和Seitz等[17]也分別應用3-D打印技術構建了具有良好機械強度的生物陶瓷骨組織工程支架。
隨著3-D打印技術在組織工程領域的應用，活細胞也作為打印材料的一部分，在制備組織工程支架的同時被一同打印出來。Mironov等[18]首次提出“生物制造”概念，強調細胞是產生和顯示生命的基本元素，只有材料和細胞同時打印才能制備出令人滿意的組織工程器官。Fedorovich等[19]應用氣動分配系統制作加載了兩種熒光標記的BMSCs三維水凝膠支架，結果證實細胞活性不受打印機噴嘴直徑和打印過程的影響，他們認為該技術可制備包含不同類型細胞的組織工程移植物。Xu等[20]利用靜電紡絲和噴墨打印相結合的方法制作組織工程軟骨，首先應用靜電紡絲技術制備聚己內酯纖維薄膜，然后應用噴墨打印方法將含有兔彈性軟骨細胞纖維蛋白和膠原蛋白的水凝膠打印在薄膜表面，循環交替打印5次，最終獲得厚1 mm的“三明治”式組織工程軟骨。體外培養1周，支架中超過80%的軟骨細胞仍保留增殖活性，同時有Ⅱ型膠原蛋白和黏多糖生成。相對于單純纖維蛋白膠原水凝膠，該技術制備的組織工程軟骨機械性能有明顯增強，提示利用噴墨打印方法可制備同時具有良好生物學性能和機械屬性的組織工程軟骨。隨著3-D打印技術在組織工程領域的應用，預計在不久的將來，采用該技術可同時打印支架材料、種子細胞和生物因子，制造出更完美的組織工程器官。
4 存在的問題和展望
3-D打印技術在關節外科得到了廣泛應用，同時也展示出傳統工藝無法比擬的優勢，但目前尚存在一些問題需要改進。在個體化假體制造方面，能夠滿足臨床應用的材料僅限于金屬、陶瓷和塑料，而膠原蛋白、硫酸軟骨素、透明質酸和羥基磷灰石等具有良好生物相容性和安全性的生物材料，尚處于實驗室研究階段。在組織工程骨或軟骨支架研究方面，將活細胞和支架材料一同打印是3-D打印技術在關節外科基礎研究領域應用的進步性標志，但如何實現細胞在支架內按照預制組織結構進行精準分布、如何構建營養通道血管[21]、如何提高打印組織的機械性能等，都是未來研究方向。隨著組織工程學、數字化醫學、新材料和新工藝的不斷發展，3-D打印技術在關節外科領域將會有更廣泛的應用，我們期望能夠打印出包含多種細胞成分、血管和神經等多種組織的人工器官--“生物型人工關節”，植入體內后能再生形成自體關節。