引用本文： 余丹, 劉建華, 朱慧勇, 李志勇, 黃旭, 魏棟, 林軼, 何劍鋒, 趙文權. 3-D打印技術在頜面骨缺損修復重建的應用. 中國修復重建外科雜志, 2014, 28(3): 292-295. doi: 10.7507/1002-1892.20140066 復制
頜面部具有解剖結構復雜、血管神經豐富，以及與呼吸、咀嚼、吞咽及發音等功能密切相關的特點。該部位疾病如腫瘤、外傷和發育畸形等導致的組織缺損變形，可引發面部畸形和功能障礙，嚴重影響患者生存質量和心理健康。3-D打印技術的出現開創了醫學領域新天地[1-2]，尤其在硬組織缺損修復重建中，直接或間接提高了手術精度[3]，滿足了微創性和個性化要求[4]。
3-D打印技術又稱快速成型技術，是根據“分層制造，逐層疊加”原理，快速制作所需物件三維實體的一種分層制造技術[5]。在生物醫學領域，3-D打印技術已被應用于器官模型的制造與手術分析策劃、個性化組織工程支架材料和假體植入物的制造，以及細胞或組織打印等方面[6]。正如王成燾教授所說：一場由3-D打印引起的醫學革命已然開始，相比于工業更迷戀于傳統生產方式的狀態，醫學界對于3-D打印技術有著一種先天的親切[7]。
本綜述著重總結了近年來3-D打印技術在頜面骨缺損修復重建中的應用和研究，即用于術前模擬手術的模型外科，基于計算機輔助設計和制作、反向求和技術的導板外科，以及個性化治療中植入物的計算機輔助設計和制作。通過分析與評價，展望未來3-D打印技術在頜面骨缺損修復重建中的發展。
1 成型技術和三維模型
通過處理CT數據建立患者硬組織三維數字模型，輸入快速成型機器，制成的1∶1 快速成型模型與實際硬組織一致，有助于醫生準確了解硬組織的細微解剖結構[4, 8]及病變與周圍結構的關系，討論并制定手術方案[9]。例如可參照下頜骨鏡像模型，術前預彎重建鈦板[圖 1；由浙江大學醫學院附屬第一醫院口腔頜面外科（簡稱浙大一院）提供）]，使其完全貼合于模型表面，省去術中彎制鈦板步驟，減少了手術時間，同時達到理想貼合[10]。對于相對復雜病例，可通過模型預演手術過程，比較不同手術方案的優劣，針對術中可能出現的問題進行術式調整并預測手術效果。圖 2為浙大一院提供的病例資料，患者為左下頜骨造釉細胞瘤致面部畸形，通過手術規劃系統生成病灶和健側鏡像虛擬模型，3-D打印技術制作實物模型，術前設計截骨區域，測量所需植骨長度及塑形模式，按照術前規劃進行手術，術后獲得良好效果。在上頜骨大型骨缺損修復重建中，孫堅[11]運用計算機輔助設計和制作技術開展模型外科，在病態三維模型上進行截骨線設計、固位等模擬手術操作，有助于術中移植骨的準確植入，避免了術后移位。同時，還可向年輕醫生演示手術操作以及提供操作訓練[8]。對于疑難重癥病例，仿真模型可促進多學科診療模式下各科醫生進行更直觀有效的溝通[12]。最后，仿真模型便于臨床醫生向患者解釋手術計劃，建立醫患互信基礎，從而取得患者在診治中的積極配合與理解[8]。
圖1
術前根據健側鏡像模型預彎重建鈦板 ? 模擬術中截骨位置與范圍 ? 術前預彎重建鈦板并貼合于健側鏡像模型表面 ? ?用于頜面骨缺損外科領域的3-D打印技術主要有[4, 8, 13]：立體光固化成型、選擇性激光燒結、熔融沉積成型、三維噴印，以及近年發展較快的立體噴射成型和金屬激光熔融成型。熟悉各種3-D打印技術的成型原理、材料、精度、表面光潔度以及力學強度等特征，有助于精確制定手術方案，保證手術效果[14]。有研究采用立體噴射成型系統，以琥珀酸樹脂為成型材料，制備出用于展示組織器官內部結構的半透明模型，如根管、導管和竇道等；此外，該類模型的力學性能與骨組織相似，可作為教學模型進行手術方案設計和實施，并驗證截骨線或螺釘固定后的手術效果[14]。不同手術計劃中的模型作用不同，在滿足手術模擬要求下，盡可能選擇低廉的成型方式，有利于模型外科的推廣。如模擬植骨手術時，受區模型主要用于檢驗與植骨塊之間是否匹配，對精度要求不高，因而可選用性價比較高的3-D成型技術[14]，如熔融沉積成型的塑料模具。
2 基于計算機輔助設計的外科導板
結合計算機輔助設計、逆向工程和3-D打印技術的外科導板可將手術規劃轉至實際手術中。即術前制定手術方案，設計并制作外科導板；術中將導板準確定位于受區，根據輪廓或截骨溝（槽）進行截骨，以確保腫瘤在最小范圍內被擴大切除。大量臨床研究表明，外科導板的應用可確保腫瘤在安全邊界下完整切除，并最大程度保留自體正常組織，同時大大縮短手術時間；塑形導板的應用可幫助預測手術效果[10, 15-21]。
根據術中作用不同，外科導板分為兩類：截骨導板和塑形導板。圖 3為浙大一院提供的下頜骨造釉細胞瘤病例資料，該例患者行下頜骨部分切除同期腓骨瓣游離移植修復術，術前醫生定制了3塊導板：截骨導板、取骨導板及塑形導板。外科導板術中準確就位和穩定固位是提高外科手術精確度的關鍵，但目前導板的設計尚無配套應用標準[22]。一般而言，理想導板由主件和附件組成，主件為就位臂或就位凹槽和固定孔；附件可為引導截骨的溝槽，或直接根據截骨導板的外形輪廓進行截骨，無需設計附件。Ciocca等[15]在外科導板的設計應用方面具有較豐富經驗，如下頜骨半側切除術中，截骨導板通過2個分別伸向近中方向、遠中方向的就位臂和1個“錨釘”精確就位于骨面，其中“錨釘”和頦孔互相匹配。再如下頜骨節段性缺損的二期重建術中，用再定位導板將3個就位臂（1個近中方向，2個遠中方向）和2個再定位擋板與兩殘頜端骨面緊密貼合，完成兩殘頜端重新定位[21]。準確就位后的外科導板通過4個固位孔（直徑2.4 mm）和鈦釘固定于骨面，可防止導板松動、移位等，以免影響手術精度[15, 21-22]。
截骨導板現已逐漸應用于臨床，而塑形導板的設計應用僅見于少數病例報道或小型尸體研究。目前，常用的下頜骨塑形法為“三段式”（體部-頦部-體部）塑形法，會造成下頜骨前、側突不足等問題。針對此問題，徐立群等[23]提出“四段式”塑形法（體部-頦部-頦部-體部），以更加突出下頜骨外形弧度。
基于3-D打印技術的外科導板和模型外科可促進手術的個性化和精確性，但增加了一部分用于手術輔助模具設計和制作的費用。此外，外科導板在應用中必須嚴格按照術前規劃實施，如果術中出現某切緣陽性，則該次手術規劃和導板不再適用，必須按腫瘤安全邊界原則行擴大切除術。為避免術中出現此情況，要求臨床醫生必需清楚了解患者術前各項檢查結果，進行手術方案規劃時嚴格按照腫瘤安全邊界的截斷要求設計截骨線。此外，應盡可能將手術時間安排在患者CT、MRI檢查后的2周內，以避免腫瘤快速浸潤安全邊界[15-16]，迫使術中更改手術方案。
3 個性化金屬植入物
頜面外科手術常需植入替代物以修復損壞、切除的組織，而其不規則的解剖結構使得無論采用自體組織還是固定模式制作的替代物，均難以精確契合缺損部位，尤其是上頜骨缺損的修復重建。而3-D打印技術可同時仿制物體內部三維結構和外部空間造型，從微觀組織到宏觀結構均可滿足個性化修復的需求[14]。尤其是金屬3-D打印技術的出現，不僅為個性化植入物提供強大的技術支持，也是其發展的巨大推力。
目前，醫用植入物主要為傳統工藝鑄造的大塊金屬實體，具有質量重、結構不匹配等缺點。金屬3-D打印技術可實現植入物輕量化，簡便地制作各種空間結構和孔隙度的多孔鈦實體，使其力學性能與人體骨組織更匹配，生物學多孔表面設計更合理，工藝更精湛[7]。
Mazzoni等[16]通過比較導板引導手術和傳統術式（根據CT影像進行手術）中下頜骨4個解剖位點（髁突外側點、下頜骨正中點、下頜骨牙弓曲度和髁突空間位置）術后位置與術前規劃的偏差，認為導板引導下的個性化骨板植入術可大大縮短手術時間，提高手術精度，在髁突空間位置和下頜骨牙弓曲度上作用尤為凸顯。表明個性化骨板可為髁狀突正常運動、上下牙列正中咬合等口頜功能重建奠定良好的解剖基礎。近年來，國外學者通過激光直接燒結Ti64粉末定制個性化骨板、個性化髁狀突-下頜骨骨板，進行下頜骨缺損的腓骨瓣游離移植修復術，認為個性化骨板可以避免傳統手術中依賴醫生臨床經驗反復修改調整鈦板這一過程，減少手術耗時，并且最大程度恢復下頜骨輪廓外形，減少術后并發癥，如術中反復彎制鈦板、鈦板與下頜骨骨面不貼合等造成的術后鈦板松動、斷裂等[17, 21-22]。
2012年2月5日，比利時Hasselt大學BIOMED研究所宣布，已成功為1例83歲患者實施世界首例人工下頜骨置換術，手術耗時4 h，術后第1天患者便恢復部分說話、吞咽功能[6a>]。該例患者的人工下頜骨是基于MRI數據、由高能激光燒結的純鈦超細粉末（33層薄片/1 mm）熔融成型，不僅具有髁狀突、下頜神經管，甚至還有種植窩等結構，凈重107 g，僅比患者自體下頜骨重30 g。為避免免疫排斥反應，植入物表面進行了生物陶瓷涂層處理。該例手術的成功表明3-D打印技術可用于人體骨骼和器官移植。
但是，金屬3-D打印技術目前仍處于發展初期，臨床應用僅為個案報道，缺乏大量實驗證據和應用評價；同時，“激光快速成型術的制作工藝和應用技術”相關行業標準尚未出臺[14]，無法評估激光成型過程中是否破壞植入物內部三維結構、外部精度[19]以及力學性能（如強度、構件疲勞、斷裂韌性）等[24]。因而尚待大量生物力學試驗逐一明確，用以設定人體植入物的制作參數[20]。
4 展望
目前頜面骨缺損修復重建的3-D打印技術已發展到一個新階段，由最初的模型外科到目前的外科導板設計制作并應用，以及已有少量研究和臨床案例的個性化植入物制備，表明3-D打印技術正影響著醫學診療水平的發展及推廣應用。但仍有許多問題需進一步探索解決，如目前對于外科導板的設計無統一規范；金屬3-D打印成品仍有很多疑問而無法放心用于臨床。3-D打印技術將來能否用于生物醫用高分子材料的制備，組織工程技術能否被3-D打印技術所支持，這些技術能否為人體組織缺損修復重建提供一條光明之路，甚至能通過3-D打印機將自身活細胞直接打印成缺損的活體組織/器官，我們面臨著巨大挑戰。但隨著新型材料、制作技術和計算機科學的發展進步，未來有望制備出理想的“人造組織器官”并將其用于臨床。
頜面部具有解剖結構復雜、血管神經豐富，以及與呼吸、咀嚼、吞咽及發音等功能密切相關的特點。該部位疾病如腫瘤、外傷和發育畸形等導致的組織缺損變形，可引發面部畸形和功能障礙，嚴重影響患者生存質量和心理健康。3-D打印技術的出現開創了醫學領域新天地[1-2]，尤其在硬組織缺損修復重建中，直接或間接提高了手術精度[3]，滿足了微創性和個性化要求[4]。
3-D打印技術又稱快速成型技術，是根據“分層制造，逐層疊加”原理，快速制作所需物件三維實體的一種分層制造技術[5]。在生物醫學領域，3-D打印技術已被應用于器官模型的制造與手術分析策劃、個性化組織工程支架材料和假體植入物的制造，以及細胞或組織打印等方面[6]。正如王成燾教授所說：一場由3-D打印引起的醫學革命已然開始，相比于工業更迷戀于傳統生產方式的狀態，醫學界對于3-D打印技術有著一種先天的親切[7]。
本綜述著重總結了近年來3-D打印技術在頜面骨缺損修復重建中的應用和研究，即用于術前模擬手術的模型外科，基于計算機輔助設計和制作、反向求和技術的導板外科，以及個性化治療中植入物的計算機輔助設計和制作。通過分析與評價，展望未來3-D打印技術在頜面骨缺損修復重建中的發展。
1 成型技術和三維模型
通過處理CT數據建立患者硬組織三維數字模型，輸入快速成型機器，制成的1∶1 快速成型模型與實際硬組織一致，有助于醫生準確了解硬組織的細微解剖結構[4, 8]及病變與周圍結構的關系，討論并制定手術方案[9]。例如可參照下頜骨鏡像模型，術前預彎重建鈦板[圖 1；由浙江大學醫學院附屬第一醫院口腔頜面外科（簡稱浙大一院）提供）]，使其完全貼合于模型表面，省去術中彎制鈦板步驟，減少了手術時間，同時達到理想貼合[10]。對于相對復雜病例，可通過模型預演手術過程，比較不同手術方案的優劣，針對術中可能出現的問題進行術式調整并預測手術效果。圖 2為浙大一院提供的病例資料，患者為左下頜骨造釉細胞瘤致面部畸形，通過手術規劃系統生成病灶和健側鏡像虛擬模型，3-D打印技術制作實物模型，術前設計截骨區域，測量所需植骨長度及塑形模式，按照術前規劃進行手術，術后獲得良好效果。在上頜骨大型骨缺損修復重建中，孫堅[11]運用計算機輔助設計和制作技術開展模型外科，在病態三維模型上進行截骨線設計、固位等模擬手術操作，有助于術中移植骨的準確植入，避免了術后移位。同時，還可向年輕醫生演示手術操作以及提供操作訓練[8]。對于疑難重癥病例，仿真模型可促進多學科診療模式下各科醫生進行更直觀有效的溝通[12]。最后，仿真模型便于臨床醫生向患者解釋手術計劃，建立醫患互信基礎，從而取得患者在診治中的積極配合與理解[8]。
圖1
術前根據健側鏡像模型預彎重建鈦板 ? 模擬術中截骨位置與范圍 ? 術前預彎重建鈦板并貼合于健側鏡像模型表面 ? ?用于頜面骨缺損外科領域的3-D打印技術主要有[4, 8, 13]：立體光固化成型、選擇性激光燒結、熔融沉積成型、三維噴印，以及近年發展較快的立體噴射成型和金屬激光熔融成型。熟悉各種3-D打印技術的成型原理、材料、精度、表面光潔度以及力學強度等特征，有助于精確制定手術方案，保證手術效果[14]。有研究采用立體噴射成型系統，以琥珀酸樹脂為成型材料，制備出用于展示組織器官內部結構的半透明模型，如根管、導管和竇道等；此外，該類模型的力學性能與骨組織相似，可作為教學模型進行手術方案設計和實施，并驗證截骨線或螺釘固定后的手術效果[14]。不同手術計劃中的模型作用不同，在滿足手術模擬要求下，盡可能選擇低廉的成型方式，有利于模型外科的推廣。如模擬植骨手術時，受區模型主要用于檢驗與植骨塊之間是否匹配，對精度要求不高，因而可選用性價比較高的3-D成型技術[14]，如熔融沉積成型的塑料模具。
2 基于計算機輔助設計的外科導板
結合計算機輔助設計、逆向工程和3-D打印技術的外科導板可將手術規劃轉至實際手術中。即術前制定手術方案，設計并制作外科導板；術中將導板準確定位于受區，根據輪廓或截骨溝（槽）進行截骨，以確保腫瘤在最小范圍內被擴大切除。大量臨床研究表明，外科導板的應用可確保腫瘤在安全邊界下完整切除，并最大程度保留自體正常組織，同時大大縮短手術時間；塑形導板的應用可幫助預測手術效果[10, 15-21]。
根據術中作用不同，外科導板分為兩類：截骨導板和塑形導板。圖 3為浙大一院提供的下頜骨造釉細胞瘤病例資料，該例患者行下頜骨部分切除同期腓骨瓣游離移植修復術，術前醫生定制了3塊導板：截骨導板、取骨導板及塑形導板。外科導板術中準確就位和穩定固位是提高外科手術精確度的關鍵，但目前導板的設計尚無配套應用標準[22]。一般而言，理想導板由主件和附件組成，主件為就位臂或就位凹槽和固定孔；附件可為引導截骨的溝槽，或直接根據截骨導板的外形輪廓進行截骨，無需設計附件。Ciocca等[15]在外科導板的設計應用方面具有較豐富經驗，如下頜骨半側切除術中，截骨導板通過2個分別伸向近中方向、遠中方向的就位臂和1個“錨釘”精確就位于骨面，其中“錨釘”和頦孔互相匹配。再如下頜骨節段性缺損的二期重建術中，用再定位導板將3個就位臂（1個近中方向，2個遠中方向）和2個再定位擋板與兩殘頜端骨面緊密貼合，完成兩殘頜端重新定位[21]。準確就位后的外科導板通過4個固位孔（直徑2.4 mm）和鈦釘固定于骨面，可防止導板松動、移位等，以免影響手術精度[15, 21-22]。
截骨導板現已逐漸應用于臨床，而塑形導板的設計應用僅見于少數病例報道或小型尸體研究。目前，常用的下頜骨塑形法為“三段式”（體部-頦部-體部）塑形法，會造成下頜骨前、側突不足等問題。針對此問題，徐立群等[23]提出“四段式”塑形法（體部-頦部-頦部-體部），以更加突出下頜骨外形弧度。
基于3-D打印技術的外科導板和模型外科可促進手術的個性化和精確性，但增加了一部分用于手術輔助模具設計和制作的費用。此外，外科導板在應用中必須嚴格按照術前規劃實施，如果術中出現某切緣陽性，則該次手術規劃和導板不再適用，必須按腫瘤安全邊界原則行擴大切除術。為避免術中出現此情況，要求臨床醫生必需清楚了解患者術前各項檢查結果，進行手術方案規劃時嚴格按照腫瘤安全邊界的截斷要求設計截骨線。此外，應盡可能將手術時間安排在患者CT、MRI檢查后的2周內，以避免腫瘤快速浸潤安全邊界[15-16]，迫使術中更改手術方案。
3 個性化金屬植入物
頜面外科手術常需植入替代物以修復損壞、切除的組織，而其不規則的解剖結構使得無論采用自體組織還是固定模式制作的替代物，均難以精確契合缺損部位，尤其是上頜骨缺損的修復重建。而3-D打印技術可同時仿制物體內部三維結構和外部空間造型，從微觀組織到宏觀結構均可滿足個性化修復的需求[14]。尤其是金屬3-D打印技術的出現，不僅為個性化植入物提供強大的技術支持，也是其發展的巨大推力。
目前，醫用植入物主要為傳統工藝鑄造的大塊金屬實體，具有質量重、結構不匹配等缺點。金屬3-D打印技術可實現植入物輕量化，簡便地制作各種空間結構和孔隙度的多孔鈦實體，使其力學性能與人體骨組織更匹配，生物學多孔表面設計更合理，工藝更精湛[7]。
Mazzoni等[16]通過比較導板引導手術和傳統術式（根據CT影像進行手術）中下頜骨4個解剖位點（髁突外側點、下頜骨正中點、下頜骨牙弓曲度和髁突空間位置）術后位置與術前規劃的偏差，認為導板引導下的個性化骨板植入術可大大縮短手術時間，提高手術精度，在髁突空間位置和下頜骨牙弓曲度上作用尤為凸顯。表明個性化骨板可為髁狀突正常運動、上下牙列正中咬合等口頜功能重建奠定良好的解剖基礎。近年來，國外學者通過激光直接燒結Ti64粉末定制個性化骨板、個性化髁狀突-下頜骨骨板，進行下頜骨缺損的腓骨瓣游離移植修復術，認為個性化骨板可以避免傳統手術中依賴醫生臨床經驗反復修改調整鈦板這一過程，減少手術耗時，并且最大程度恢復下頜骨輪廓外形，減少術后并發癥，如術中反復彎制鈦板、鈦板與下頜骨骨面不貼合等造成的術后鈦板松動、斷裂等[17, 21-22]。
2012年2月5日，比利時Hasselt大學BIOMED研究所宣布，已成功為1例83歲患者實施世界首例人工下頜骨置換術，手術耗時4 h，術后第1天患者便恢復部分說話、吞咽功能[6a>]。該例患者的人工下頜骨是基于MRI數據、由高能激光燒結的純鈦超細粉末（33層薄片/1 mm）熔融成型，不僅具有髁狀突、下頜神經管，甚至還有種植窩等結構，凈重107 g，僅比患者自體下頜骨重30 g。為避免免疫排斥反應，植入物表面進行了生物陶瓷涂層處理。該例手術的成功表明3-D打印技術可用于人體骨骼和器官移植。
但是，金屬3-D打印技術目前仍處于發展初期，臨床應用僅為個案報道，缺乏大量實驗證據和應用評價；同時，“激光快速成型術的制作工藝和應用技術”相關行業標準尚未出臺[14]，無法評估激光成型過程中是否破壞植入物內部三維結構、外部精度[19]以及力學性能（如強度、構件疲勞、斷裂韌性）等[24]。因而尚待大量生物力學試驗逐一明確，用以設定人體植入物的制作參數[20]。
4 展望
目前頜面骨缺損修復重建的3-D打印技術已發展到一個新階段，由最初的模型外科到目前的外科導板設計制作并應用，以及已有少量研究和臨床案例的個性化植入物制備，表明3-D打印技術正影響著醫學診療水平的發展及推廣應用。但仍有許多問題需進一步探索解決，如目前對于外科導板的設計無統一規范；金屬3-D打印成品仍有很多疑問而無法放心用于臨床。3-D打印技術將來能否用于生物醫用高分子材料的制備，組織工程技術能否被3-D打印技術所支持，這些技術能否為人體組織缺損修復重建提供一條光明之路，甚至能通過3-D打印機將自身活細胞直接打印成缺損的活體組織/器官，我們面臨著巨大挑戰。但隨著新型材料、制作技術和計算機科學的發展進步，未來有望制備出理想的“人造組織器官”并將其用于臨床。
