本文原载于《中华医学杂志》年第29期
三维图像快速的转化为实物模型，可应用于术前诊断、模拟手术、术中导航、定制植入物，从而优化术前设计，提高手术精确度，降低术后并发症。现就3D数字打印技术在创伤骨科中临床应用现状、解剖模型打印、手术器械设计以及内植入定制进行综述。
一、3D数字打印技术在创伤骨科的临床应用现状
3D打印技术出现于20世纪90年代中期，是利用光固化和纸层叠等技术的快速成型装置，借助于计算机辅助设计，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，把"打印材料"通过连续的物理层叠加来生成三维实体的技术[1]。可以根据计算机设计的模型，实现对三维实体的控制，再通过3D打印创建复杂的三维实体。目前有3种逐层叠加材料的方法：(1)熔融沉积成型法(fuseddepositionmodeling,FDM)，这种工艺是通过将丝状材料如热塑性塑料、蜡或金属的熔丝从加热的喷嘴挤出，按照零件每一层的预定轨迹，以固定的速率进行熔体沉积。(2)选择性激光烧结(selectivelasersintering，SLS)，是采用红外激光器作能源，使用的造型材料多为粉末材料，如尼龙、金属钛或不锈钢，加工时首先将粉末预热到稍低于其熔点的温度，将粉末铺平，激光束在计算机控制下根据分层截面信息进行有选择地烧结，一层完成后再进行下一层烧结，全部烧结完后去掉多余的粉末。(3)光固化(stereolithography，SLA)，指通过光能源扫描光固化树脂，在液体表面固化特定的区域，固化后底板下降，在其顶部继续进行选择性固化，进行一层一层的叠加来形成实物。近期出现的FDM技术的3D打印较为经济和快速，通过打印患者骨折部位模型，有助于骨科医生了解骨折部位的解剖结构，但因其缺乏通用性、可靠性和材料的限制，导致使用受到限制[2]。相比之下，SLS和SLA打印机能够产生更准确和可靠的模型，它们能够更好地控制层与层之间的每个微小步骤，而且它们打印的材料能承受标准的灭菌程序，但FDM打印机使用的材料的熔点通常较低。SLS打印机能够使用高性能材料制造出更准确和可靠的模型，如钛、不锈钢或金属合金，这些模型通过稍微的加工处理，并且灭菌后可直接用于患者体内，可作为个体定制的内植物[3]。SLA打印机使用光固化树脂材料能生产高精度模型，这些模型非常适用于进行术前模拟和规划，而不是进行体内植入。尽管SLS和SLA打印机在创伤骨科的应用是一个发展趋势，但是在使用这些复杂的设备需要具有一定的技术知识和培训。
随着医学影像学的发展，多排螺旋CT和MRI在临床诊断和治疗中起到重要作用，但影像学资料始终只能在平面上展示，缺乏立体感。通过3D打印技术，术前采集患者三维CT平扫数据，经过mimics、CAD等计算机软件处理后，将三维数字化模型数据传入3D打印机。打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的材料利用激光束或热熔喷嘴等方式，在平面方向X－Y方向黏结成截面形状，然后在Z坐标方向将各层截面进行逐层叠加，黏合起来从而制造出一个三维实体[4]。3D打印可以在很大程度上提高制作的效率和精密程度，术前打印出1∶1三维实体，有助于术前准确了解硬组织的细微解剖结构及病变与周围结构的关系，提示截骨线、骨块移动的位置信息等，起到指导手术的作用[5]。
二、3D数字打印技术应用于创伤骨科的解剖模型打印
1．术前规划：
传统进行术前诊断和治疗时，通过借助骨折部位的影像学表现，如X线片、CT及MRI图像，来推测骨折的类型、移位方向等信息，虽然三维CT能够形成立体的图像，但还是在平面上展示，无法形成直观的立体结构，需要医生的空间想象能力去揣测真实的情况。而3D打印技术的出现，使骨科医师对术前进行推断和预测的方式发生重大改变。通过3D打印技术快速准确的制造真实的立体模型，可以让外科医生准确熟悉真实的解剖结构[6]，从而减少实际的手术时间及手术创伤，使患者获益。Zeng等[7]对骨盆骨折的患者，通过3D打印技术打印出患者骨盆模型，对模型进行模拟复位，对内固定钢板预弯、螺钉数据测量等，可以明显的缩短了实际手术时间，由于术前已经进行手术模拟，采用腹直肌旁微创切口进行骨折复位和内固定植入，具有手术创伤小、切口小、出血少、术后疼痛轻、术中暴露好、骨折复位好、可早期下地功能锻炼等优点。一项前瞻性研究，对十例髋臼骨折的患者进行CT三维扫描，在计算机中得到三维模型，通过虚拟手术进行骨折复位和内固定预弯，术后CT检查提示术前模拟与实际手术的复位和内固定的预弯相符，预弯的内固定在手术时无需进一步弯曲或调整，从而提高了医生的术前规划能力和实际手术效果[8]。
通过3D打印技术打印出骨折部位的立体模型，能使骨科医生在术前进行准确的诊断和分型，通过模型进行模拟骨折复位和内固定的选择，提前进行内固定的预弯和螺钉长度和入钉角度的设计等，并且可以进行不同治疗方案的反复模拟，来选择最合适的手术方案[9,10]，能有效的节省实际手术时间，术中出血等，提高手术的安全性。
2．教学和培训：
3D打印出的模型也可以用于教学和培训住院医师。目前已被用于打印比真实尺寸大4倍的马蹄内翻足模型进行教学[11]。打印的模型不仅可以让住院医师对复杂的解剖结构进行学习和操作训练，也可以帮助患者及家属理解病情状况，有利于医生和患者进行沟通。Hurson等[12]利用3D打印技术打印了20例髋臼骨折的模型，对比年轻医生用传统的影像学资料和打印的模型对骨折进行分型诊断，发现对于年轻医生来说，三维模型更容易进行骨折的准确分型。3D打印模型也被用来作为一种工具，来辅助患者及家属了解病情，这可能对病人的满意度有积极的影响，而且这些模型可以给予保存来建立一个资料或病例库，有良好的教育目的[13]。在临床上遇到比较典型的或复杂的骨折类型，可以进行打印保存，有利于年轻医生进行解剖结构的学习以及手术模拟操作。由于3D打印模型是由单一材料打印的，存在一定的局限性，无法充分模拟软组织。然而，近年来使用多材料的3D打印能够模拟皮肤、骨、软组织等，可以克服这方面的局限[14]。
三、3D数字打印技术应用于创伤骨科的辅助器械设计
1．导航模板的设计：
应用3D打印技术获得患者的骨折模型，运用计算机进行模拟骨折复位，并计算螺钉进针点及方向，根据进针点和方向，使用计算机逆向工程设计出导航模板，可以与患者骨骼进行匹配定位，确定进针点和方向，可以提高植入物的准确性和安全性，传统方法是在术中进行X线定位需反复确认，导致手术时间延长和射线暴露增加等缺点[15,16]。Wu等[17]通过对比胸腰椎骨折脱位患者分别采用传统透视下椎弓根螺钉内固定术和3D打印模棒及椎弓根螺钉导航模板辅助内固定手术，术后试验组椎体矢状曲度恢复率优于对照组，试验组螺钉一次性植钉准确数、最终植钉准确数及矢状面螺钉植入角均优于对照组，认为在胸腰椎骨折脱位手术中，应用3D打印个体化矢状曲度模棒及椎弓根螺钉导航模板辅助手术，具有手术时间短、术中出血少、骨折和脱位恢复更好等优点。在股骨近端或远端骨折中，运用3D打印技术打印患者骨折模型，进行模拟复位后设计出带钉道的模板，用于术中导航接骨板、螺钉的植入，术中证明导航模板与相对应的股骨远端骨性结构贴合紧密，嵌合度良好，接骨板及螺钉位置准确率较高[18,19]。一些复杂的关节周围骨折要求解剖复位，术中主要依赖手术医生的手术技巧和多年经验，手术创伤较大、手术时间长、复位困难等，而且螺钉植入方向和长度也较难掌控。Huang等[20]对复杂的胫骨平台骨折的患者，使用3D打印打印出骨折模型和内植物模型，在3D打印模型上按照数字化设计内固定方案进行模拟手术，发现3D打印模型模拟手术的手术效果与内固定数字化设计方案的手术效果一致，二者螺钉长度无明显差异，认为3D打印打印技术结合数字化设计能有效的提高复杂胫骨平台骨折内固定植入效果。锁骨中段明显移位的骨折进行切开复位内固定是标准手术方法，但是对于明显移位的粉碎性锁骨中断骨折，很难达到解剖复位，Kim等[21]描述一种应用3D打印技术协助治疗粉碎性锁骨骨折，通过三维CT扫描患者健侧的锁骨模型，使用镜像技术来模拟患侧1∶1锁骨模型，用该模型进行内固定和螺钉的选择，通过小切口完成手术，取得良好的效果。
2．外固定支架的设计：
利用外固定支架治疗长骨骨折具有一定优势，对骨折区软组织损伤小、抗旋转剪切力等，能为骨折愈合提供良好的力学环境[22]。但传统的外固定支架操作较复杂，且需要反复进行X线检查，对骨折复位的旋转移位或侧方移位难以把控，主要依赖于医生的经验，且反复的X线透视，会增加手术时间和射线暴露。Qiao等[23,24]通过对胫骨骨折的患者进行三维CT扫描，在计算机中重建患者骨折模型，利用计算机进行虚拟复位后，设计外固定支架的进针点和结构，通过3D打印技术打印出外固定支架模型，手术时在预先设计好的进针点打入螺钉，通过螺钉与外固定支架上的预留引导孔进行连接，间接的进行骨折复位，这种方法操作简单，能更好的进行精准复位，对医生的经验要求不高，操作时间短，可避免大量X射线辐射，且具有个化治疗的优势。
在创伤骨科中，使用外固定支具固定骨折区的治疗或术后康复是最基本的。传统的外固定方法是使用小夹板、石膏、泡沫支具等，具有固定不牢靠、笨重、贴合性差、压疮等缺点，不利于长时间固定。有一些学者通过扫描患者骨折区的模型，包括皮肤及软组织，使用计算机根据模型的外轮廓设计出符合患者个体的多孔外固定支具，通过3D打印技术进行打印，可具有固定牢靠、贴合性好、轻便、通风、易于清洗等优势。
四、3D数字打印技术应用于创伤骨科的内置物定制
1．定制内固定：
3D打印能够使用可植入材料打印内固定用于骨折固定。对于一些先天性骨发育不良的患者，解剖结构较复杂区域的骨折，可能导致现有的内固定器械与患者骨折部位无法有效的贴合，需要术中对内固定器械进行反复塑型，而且患者的个体差异是多变的，然而接骨板的型号是相对固定的，因而可能导致接骨板达不到很好的固定作用。3D打印利用计算机辅助设计，根据患者自身的解剖特点打印出个性化内固定，使得内固定形状与患者骨骼更精准、更贴合，从而避免了在术中需要进一步对内固定进行折弯塑型等[25]。Shuang等[26]通过比较传统钢板和3D打印钢板在治疗肱骨髁间骨折中，手术时间和关节功能方面进行对比，发现3D打印组在关节功能恢复方面稍优于传统组，但3D打印组在手术时间上明显短于传统组，认为定制的3D打印接骨板是安全有效的，并且能明显缩短手术时间。
2．修复缺损：
骨缺损可以是先天性或后天性的，创伤、感染、肿瘤或失败的关节置换术均可导致骨缺损，然而骨缺损的重建是具有挑战性的。目前尚没有一种令人满意的骨缺损修复技术。骨组织工程(bonetissueengineering)较传统的骨缺损治疗手段属于理想的处理方案，然而目前的骨组织工程技术较复杂。3D打印技术的引入，可以克服大多数的骨移植和骨组织工程的局限性，到目前为止，在骨缺损的管理方面是非常有前途的[27]。在矫形外科手术中，"虚拟"的鼻子可以试用于患者数字模型的脸上[28]。通过计算机进行设计和处理后，形成完美和精准的形状，就可以应用3D打印技术打印出模型并安装到患者体内。目前，已有3D打印技术用于生产种植的鼻假体[29]。对于骨盆恶性肿瘤的患者，手术切除是主要的治疗手段，但切除后会导致大量的骨缺损，导致骨盆环不稳等。Sun等[30]通过对骨盆恶性肿瘤的患者行3D打印技术重建骨盆结构，明确手术切除方法、范围、大小等，对缺损部位设计出适合患者自身半骨盆假体，通过3D打印技术打印出假体，术中切除肿瘤后重建患者骨盆环结构，在达到稳定固定的前提下修复大量的骨缺损。戴尅戎等[31]早在年就已经使用计算机辅助3D打印技术设计出人工半骨盆并在临床中进行应用。
近期使用3D打印技术打印一种多孔的支架，可供细胞的浸入、生长、分化等，可用于植入体内，修复缺损。Wang等[32]使用3D打印技术设计一种海绵状的无机聚合物、生物硅和多聚磷酸盐作为支架，允许间充质多能干细胞在其中进行分化，在成骨结果方面显示出令人满意的结果。类似的研究也显示出不错的成果，Ciocca等[29]认为打印定制的支架来填补缺陷，能完美修复因病理性或医源性造成的骨缺陷。在创伤骨科中不仅存在骨缺损，还有可能存在软组织缺损。使用3D打印技术设计出软组织植入物往往涉支架、细胞和再生医学的应用，这一直是重塑和重建手术的追求，但它仍然处于起步阶段[33]。打印的生物支架可以允许细胞和分子渗透到它的结构当中，最终形成"复合和耐用"的生物组织[34]。在不久的将来能应用于软组织缺损的修复，例如肌肉、关节软骨、韧带等。
五、3D数字打印技术在创伤骨科临床应用的国内现状和局限性
在创伤骨科中有一部分需要急诊手术，术前无法在短时间内完成CT/MRI三维扫描进行打印，从而限制了3D打印在急诊患者手术中的应用。3D打印导航模板定位时需要与骨性结构完美贴合，这就导致术中软组织剥离过多，而且导航模板的消毒因材料的特性而受到限制，在术中操作时可能会产生粉末而残留在体内，而对人体产生危害，国内由于受到经济成本的限制，以及导航模板的设计和打印时间较长，目前应用不多。3D打印材料多种多样，但是对于需要植入体内的材料要求较高，仍需要进一步的开发出适应骨科所需的材料。基于3D打印的患者定制化截骨导板、骨科植入物等已经获得欧盟认证(Europeanconformity，CE)与美国食品和药物管理局(FoodandDrugAdministration，FDA)批准[35]，而我国被用于临床的3D打印内植物尚缺乏完善的法律法规，多数应用处于初级、试验性的临床阶段，需要完善相关法律法规。目前FDM型3D打印设备成本稍低，但由于精准度不高，限制了其应用，但精准度较高的SLA型3D打印设备成本较贵，且相关的CAD建模软件、切片软件、逆向工程软件操作复杂，需要经过系统的数字打印技术及相关软件技术的培训，才能胜任打印工作，复杂的技术和材料问题甚至需要多学科多领域的合作，因此，3D打印技术目前仅在我国发达地区或大型医疗中心开展，尚难以普及。
虽然目前3D打印技术在创伤骨科中临床应用仍处于起步阶段，但3D打印技术通过全新的方式去解决目前创伤骨科手术的微创化、精准化、个体化难题，改变现有的手术模式，将具有很大的潜力，不久可能会打印出具有生物活性的组织，未来可以实现整个器官的打印，用于修复创伤所带来的缺损。综上述，随着3D打印技术的普及和进一步的开发，将大力促进创伤骨科的发展。
“参考文献略”
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