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3D打印让手术更精确

3D打印(three-dimensional printing)技术是目前骨科领域的研究热点，特别是2014年度国内外均相继报道了系列临床成功应用的典型案例，掀起了一阵“3D骨科热”，引起了临床医生、相关研究人员及企业的极大兴趣与技术追踪。 3D打印技术即快速成型(rapid prototyping，RP)技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础、以数字技术材料打印机为载体、采用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。日常生活中使用的普通打印机可以打印电脑设计的平面物品，而所谓的3D打印机与普通打印机工作原理基本相同，只是打印材料不同而已。普通打印机的打印材料是墨水和纸张，而3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”。将打印机与电脑连接后，通过电脑控制可以把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。通俗地说，3D打印机是可以“打印”出真实的3D物体的一种设备，被称之为3D立体打印技术。 3D打印技术出现在20世纪80年代中期，实际上是一种利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型装置。1986年，Charles Hull开发了第一台商业3D印刷机；1993年，麻省理工学院获3D印刷技术专利；2011年8月，南安普敦大学的工程师们开发出世界上第一架3D打印的飞机；2012年1 1月，苏格兰科学家利用人体细胞首次用3D打印机打印出人造肝脏组织。目前，3D打印技术已在工业、建筑、汽车、航空航天、口腔科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。 为了尽快将这一最新技术介绍给骨科医生，激发临床医生、研究人员对3D打印技术研究与使用的热情，本期特别组织了1 1篇“3D打印技术在骨科”的重点刊，包括3D打印技术在复杂骨折诊断治疗中的应用、3D打印技术导航模板的设计加工及骨科应用、3D打印多孔钛合金融合器的效果实验研究、3D打印技术辅助关节畸形矫正的应用、3D打印技术应用于椎体融合术的设计等。虽然论文涉及面不太广、内容还不太完善、结果仅为初步研究，尚待深入，但从不同侧面亦初步反映了3D打印技术在骨科应用的国内现状。 国内外骨科早期采用3D打印技术主要用于等比例骨折实体模型的打印（早期称之为RP技术）。辅助骨折复位、内固定选择、内固定模拟复位、确定螺钉长度及置入角度，实现了真正意义上的治疗方案个体化。国内2014年4月，由戴魁戎院士和郝永强教授领衔的团队应用3D打印钛合金假体为1例44岁男性患者成功实施了骨盆软骨肉瘤切除后假体重建手术；2014年5月以来，郭征教授领衔团队在国际上最先成功的将3D打印肩胛骨、锁骨钛合金假体应用于骨肿瘤切除后组织的重建，患者的肢体外形和功能均得到较好恢复；2014年8月刘忠军教授主刀完成世界首例3D打印技术人工定制枢椎作为脊柱外科内置物，重建病变椎体切除后的稳定性。国内多家单位亦成功开展了3D打印技术在临床的应用，涵盖了创伤骨科、关节外科、脊柱外科、足踝外科、骨病与骨肿瘤等亚专科；手术范围、种类涉及到骨折实体模型打印、复杂骨折辅助复位、内固定及置入物的选择、3D打印导航模板引导钢钉置入、关节置换辅助手术、足畸形矫治、辅助颈椎椎板单开门椎管扩大成形术及病变组织切除后假体植入重建术等。另外，3D打印技术在皮肤、骨、软骨、血管等工程化组织构建和面部、耳、鼻、手等康复体及假肢、支具等，以及实体器官再造（人工肝、肾、心脏等）等领域均有成功的研究成果和临床应用。 3D打印技术目前在骨科的应用大体上可分为3个阶段：①初级阶段：复杂骨折传统影像学方法难以直观了解骨折情况，而3D打印1：1比例的三维实体模型可以更加直观和清楚，可以很好地协助医生进行术前诊断，帮助医生了解骨折的程度、类型及每一骨折块的移位情况，有助于作出明确的术前诊断、评估术中可能存在的风险，为术中的骨折复位提供实物模型和帮助。手术医生术前可以利用模型进行模拟手术操作和练习，对术中固定物进行干预塑形，以提高手术操作的准确性，从而可明显减少术中X线透视次数、节省手术时间。这一阶段设备问题已解决，技术已较成熟，目前临床已较普遍开展。②中级阶段：置入物及假体制作、个性化治疗：临床治疗的个性化是21世纪医学发展的重要方向之一。目前，标准规格、尺寸的骨科置入物能满足大部分患者的治疗需求；但在特殊情况下，如患者所需内置物太大、太小、不规则或由于疾病的特殊性、无合适商业化产品，或需要与个体解剖结构更为贴服的内置物以提高手术效果时，则需要个体化定制假体及内置入物。3D打印技术具有加工精确、制作迅速、无需特殊模具等特点，使个体化假体设计、制备成为可能。与标准规格、尺寸的骨科置入物相比，3D打印技术“量身定制”的个体化置入物与患者骨骼匹配更精确，患肢功能恢复更快。目前，国内外已广泛开展了3D打印个性化接骨板、个体化人工关节假体的临床应用研究。③高级阶段：生物打印人工组织和器官：生物打印是3D打印技术研究中最前沿的领域，可以直接“打印”出功能性的人体器官和组织，是最具有价值的技术，其特点在于“墨水”中含细胞和生长因子，产品经体外和体内培育形成有生理功能的组织结构。在骨组织工程研究中，3D打印技术主要用于制作结构复杂、形状各异的组织工程支架，甚至打印组织工程人体器官。根据影像学及计算机辅助技术设计的支架，通过3D打印后可具有与缺损组织相匹配的解剖外形和不规则解剖形状，从而可满足患者的个体化需求。3D打印与组织工程结合，将带来个体化植入物制作及组织工程技术的革命，极大地促进器官移植、组织修复重建及再生医学等多学科的进步。目前，这一阶段尚处在起步期，还存在设备、材料细胞及技术上的系列难题，尚有许多重大科学问题有待深入研究。 3D打印技术目前还处在早期产业阶段，尚存在诸多有待研究解决的问题及限制因素：①材料的限制：虽然目前可以实现塑料、某些金属或者陶瓷打印，但打印的材料都是比较昂贵和稀缺的，尚无法支持各种材料、特别是生物材料的打印；材料的力学性能也是目前研究的热点和要点。②加快3D生物打印研究与开发：除了研制适合3D打印的生物材料和“墨水”外，还要研究细胞和生长因子与材料复合的最佳浓度；打印时如何达到无菌、无热源、保持细胞／生物活性因子的活力、维持组织结构完整性等要求。辅以材料的微米、纳米技术；可根据需要设定特定的孔隙率、交联；显著提高支架的生物学及力学性能，使其有利于细胞黏附、增殖、分化，从而促进骨组织生长及骨折愈合，有助于缩短患者的恢复期，有利于节省患者的医疗成本。③个性化定制治疗与规模化制造、群体治疗相兼顾研究：目前3D打印只是适合一些小规模制造，尤其为高端的定制化产品；3D打印尚无法应用于大量生产，这与临床的通用化治疗显然不相适宜，如何兼顾二者进行研究应该是一个方向。④知识产权的保护：采用3D打印技术几乎可以复制所有的医疗器械，如何保护知识产权、避免产权纠纷，也是我们面临的问题之一，有待政府部门制定相应的政策法规或指导原则。⑤标准的制定：作为一种新型产品、作为一项临床新技术，无论个体化定制或规模化制造，都需要严格的技术标准和产品质量控制，这方面国际上均是空白。令人期待的是，据有关信息我国国家食品药品监督管理总局已拟予制定相关政策法规与指导原则。