【解析】3D打印技術(shù)在骨科中的應(yīng)用：中國的現(xiàn)狀和機(jī)遇

3D打印技術(shù)正在以驚人的速度在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域迅速發(fā)展。目前的技術(shù)限制和倫理方面的問題使得在實現(xiàn)器官打印方面仍然有很長的路需要去探索。3D打印技術(shù)可以在技術(shù)上實現(xiàn)結(jié)構(gòu)可調(diào)控性，在組織工程領(lǐng)域和再生醫(yī)學(xué)方面擁有巨大優(yōu)勢,可以實現(xiàn)細(xì)胞印刷和生物打印材料創(chuàng)新。在臨床應(yīng)用中，3D打印技術(shù)作為輔助制造技術(shù)主要應(yīng)用于骨科和口腔科。

一組基于患者個體化的3D打印的骨科材料設(shè)備、骨科植入物、齒科植入物已經(jīng)被美國食品與藥品管理局(Food and Drug Administration,FDA)及博愛歐羅巴(CE)納入臨床應(yīng)用。中國的骨科有著不落后于西方國家的患者的手術(shù)量、外科操作量及手術(shù)技巧，然而西方有著先進(jìn)的矯形外科設(shè)備，特別是在植入物方面西方遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了中國。3D打印技術(shù)為中國骨科醫(yī)師及技術(shù)人員研發(fā)新的器械，逐漸趕上西方同行提供了條件。

1  為了便于手術(shù)設(shè)計的快速原型制造(RPM)

基于成像技術(shù)例如計算機(jī)斷層(computed tomography,CT)和磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)可以重建骨組織的3D圖像。用分層制造技術(shù)構(gòu)建的骨骼原型可以用來教學(xué)、演示和手術(shù)設(shè)計。而基于人體解剖學(xué)的對稱性，或通過使用人體解剖學(xué)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù),我們也可以逆轉(zhuǎn)或模仿這些骨頭的3D圖像缺失的部分；以協(xié)助常規(guī)機(jī)械加工來制造可植入人體的骨假體。

這兩種快速原型制造(rapid prototyping manufacturing,RPM)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟并且一般應(yīng)用于手術(shù)設(shè)計。通過使用RPM技術(shù)，上海交通大學(xué)附屬第九人民醫(yī)院將其定做的假體用于骨盆環(huán)的重建，髖關(guān)節(jié)翻修手術(shù)髖臼骨缺損修復(fù)方面。他們在這個領(lǐng)域處于領(lǐng)先，然而在3D金屬打印植入物方面仍然受到傳統(tǒng)制造技術(shù)的限制。隨著3D打印技術(shù)的進(jìn)步和使用設(shè)備成本價格的下降，越來越多的醫(yī)生開始使用3D打印進(jìn)行醫(yī)學(xué)教育和設(shè)計，演示復(fù)雜手術(shù)。

2  設(shè)計和應(yīng)用 3D 打印基礎(chǔ)設(shè)備

雖然在患者全膝關(guān)節(jié)置換中個體化設(shè)計裝置仍然是有爭議的(特別是在長期的隨訪中沒有充分的證據(jù)證明其優(yōu)勢)，但是其在縮短手術(shù)時間、提高手術(shù)精準(zhǔn)度和簡化復(fù)雜手術(shù)方面有顯著的進(jìn)步。國際上主要的人工關(guān)節(jié)假體制造商都已經(jīng)推出相關(guān)的產(chǎn)品。然而在中國,由于其高昂的價格(比傳統(tǒng)產(chǎn)品貴1 000美金/每例)及較長的制備時間(大約4周時間從影像數(shù)據(jù)到實體)限制了其使用。

目前國內(nèi)的一些人工關(guān)節(jié)制造廠商已經(jīng)開始在這一領(lǐng)域進(jìn)行研發(fā)，部分產(chǎn)品已經(jīng)應(yīng)用于一些醫(yī)院。很明顯，個體化設(shè)計產(chǎn)品在臨床應(yīng)用中對于專科醫(yī)師有一定的學(xué)習(xí)曲線，所以其并不能完全取代傳統(tǒng)的器械。除了人工關(guān)節(jié)領(lǐng)域的設(shè)計和使用，3D打印技術(shù)在其應(yīng)用的包括脊柱、創(chuàng)傷及矯形等領(lǐng)域具有特殊的價值，昆明總醫(yī)院的研究人員通過尸體脊柱標(biāo)本證明了在頸椎椎弓根螺釘快速成型模板應(yīng)用中的有效性和精準(zhǔn)性，并且在臨床實踐中獲得了滿意的效果。

3  3D打印金屬植入物的研發(fā)和應(yīng)用

3D打印技術(shù)在骨科中的應(yīng)用最重要和有價值的方向是金屬植入物和個性化設(shè)計。這由3D打印設(shè)備的制造能力和材料裝置等決定。常用的3D打印及制造常用金屬材料包括Ti6Al4V、鈷鉻合金和不銹鋼等。嚴(yán)格和高效率的3D打印設(shè)備比如電子束或激光束可以適合小零件的生產(chǎn)或者批量化規(guī)模生產(chǎn)。根據(jù)計算機(jī)輔助設(shè)計，3D打印可迅速成形植入物，同時可以制備固定尺寸的微孔結(jié)構(gòu)。這些顯微孔結(jié)構(gòu)可以降低金屬材料的彈性模量和減少植入物上的應(yīng)力遮蔽，促進(jìn)植入物表面金屬和骨之間的連接。獨特的研發(fā)設(shè)計使得骨科植入物的發(fā)展很有前途。

北京大學(xué)第三附屬醫(yī)院研究人員實現(xiàn)了3D打印椎體的電子束微孔化，動物實驗證實其能夠很好的實現(xiàn)人工椎體金屬與周圍骨組織的融合。另外研究證明采用3D打印技術(shù)粗糙化處理的鈦螺釘較光滑鈦螺釘表現(xiàn)了較高的骨融合性和抗扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度。2010年，F(xiàn)DA批準(zhǔn)了InteGrip®公司的3D打印鈦合金多孔表面髖臼杯生產(chǎn)，2013年，F(xiàn)DA又批準(zhǔn)了Tesera®公司生產(chǎn)的3D打印腰椎前路椎體融合籠。然而，椎間融合中實際使用多孔金屬打印結(jié)構(gòu)與骨之間的融合效率仍需要在長期的研究中去進(jìn)一步驗證。

4  基礎(chǔ)研究

由于其固有的生物屬性，金屬材料不易與宿主骨之間發(fā)生有效融合。目前研究的熱點是修改3D打印金屬物的表面多孔屬性，這些研究的目的是促進(jìn)多孔金屬表面材料和骨之間的融合，或者作為支架材料復(fù)合其他多功能材料與藥物(例如生產(chǎn)抗菌表面)。第四軍醫(yī)大學(xué)附屬西京醫(yī)院和上海交通大學(xué)的研究人員已經(jīng)成功將采用殼聚糖/羥基磷灰石復(fù)合涂層的3D打印金屬多孔鈦表面材料應(yīng)用于糖尿病患者。這些研究克服了3D打印技術(shù)的不足，提高了其在骨科中的應(yīng)用價值,實際上，可生物降解的3D打印材料是研究的另一個熱點，在臨床轉(zhuǎn)化應(yīng)用中仍有著較長的探索過程需要完成。

總之，3D打印技術(shù)的應(yīng)用正在經(jīng)歷著一個迅速發(fā)展期，只有臨床高度仿真才能展示3D打印技術(shù)的價值和未來。目前3D打印技術(shù)的主要限制是政府的相關(guān)政策和法規(guī),尤其是對患者的3D打印材料植入物方面的限制。所幸政府在這方面付出了很多努力，3D打印骨科植入物為中國在醫(yī)療設(shè)備制造業(yè)方面趕上先進(jìn)國家提供了一個良好的機(jī)會。

來源： AME醫(yī)學(xué)評論