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全方位了解3D打印技术在骨科医疗中的应用

来源:曼恒数字   日期:2018年03月16日 17:07   浏览:1247次


3D打印是20世纪80年代出现的重要技术,近30年来发展迅速。3D打印技术有异于传统的削材及铸造技术:不仅使产品的物理结构发生变化,还能根据个性化需求定制,实现材料与病变部位的完全匹配,同时可携带细胞及生物活性微球进行骨缺损部位的原位打印。这些特点决定了该技术在生物医学领域有广阔的应用前景。


本文旨在对3D打印技术的原理及其在骨科的应用进行概述,并对其在未来的发展提出展望。目的是加深临床医生对3D打印技术的理解,同时也有利于其临床转化,为患者提供更加优质的医疗服务。



一、什么是3D打印技术



3D打印技术又称为"快速原型技术"或"增材制造技术"。增材制造技术是一种以数字模型文件为基础,应用粉末状金属或塑料等可黏合材料,通过"分层制造、逐层叠加"的方式来构造物体的技术,它包括SLA、SLS、3DP、FDM等。


为了方便理解和推广,媒体将增材制造技术又称为3D打印技术。增材制造技术最早主要用于设计原型的制造,因此又称为快速原型技术。


30多年来,3D打印一般被用来通过数据软件制造物理模型。而近10年来,随着3D打印技术的发展,3D打印机的成本大大降低,其应用范围也得以拓展,现已应用到教学、医疗和科研等领域。


医学3D打印主要包括以下四个过程:


(一)打印物图像信息的搜集及数据化


通过X线、CT和MRI对所要打印的部位进行摄影,并将所得到的图像信息数据化,然后以医学影像软件常用的"DICOM"格式导出。由于医学影像的分辨率远大于3D打印机的分辨率,使得通过医学影像学所获得的数据信息足够满足3D打印机的精度要求。


(二)图像数据信息的处理和转换


打印物的图像数据信息还需要根据最终的打印需要进行相应的数据加工处理。医学领域常用的数据加工软件有Mimics软件(Materialise,比利时)、UG Imagewa软件(EDS,美国)和Geomagic Studio软件(Geomagic,美国)。



(三)利用数据信息进行3D打印


3D打印机可根据"STL"格式的数据化信息重建出打印物。一般FDM技术3D打印机打印精确度可达0.2 mm,而SLA技术可精确到0.025 mm,打印精度更高,目前已经能够量产。


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(四)打印物的后期处理和性能评估


有时候需要对打印物进行去支撑、表面光滑、金属部件的淬火及回火等后期处理,必要时可进行部分机械加工,以弥补打印过程的局限性。同时对处理后的打印物根据其用途的不同进行相应的性能评估,如金属相分析、材料表面检测、运动学分析和有限元分析等。



二、3D打印在骨科的应用



(一)常用于骨科3D打印的技术及材料


3D打印技术无需工业模具,产生废料极少,单个制作与批量制作成本相比差距不大,因此在非批量制作中具有明显的成本和效率优势,极大地简化了从设计到产品实物的过程。目前最常见且与骨科直接相关的成型方法包括:


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常见骨科3d打印成型方法


目前供3D打印机使用的材料逐渐增多,包括胶原、壳聚糖等天然医用材料,聚乳酸、聚乙醇酸、聚醚醚酮等人工合成高分子材料,羟基磷灰石等生物活性陶瓷材料,钛合金等医用金属材料等。打印材料的选用与其用途密切相关。


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 3D打印使用原材料


(二)3D打印在骨科的应用


1.术前规划

对于骨折患者,尤其是复杂骨折患者,术前有实体解剖模型用于分析或模拟手术操作较单纯依靠二维平面的MRI或CT扫描更具指导意义。


术前应用3D打印技术可使医生对患者的病情有更加直观的认识,尤其是对经验不够丰富的年轻医生,更有利于疾病的诊治。


临床结果表明使用3D模型组较非3D模型组手术时间更短、术中出血量及术后引流量更少,有利于骨折的精确复位,提高手术精度、缩短手术时间,达到更好的手术效果。


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骨盆(上)与肩部(下)恶性骨肿瘤利用3D打印技术进行术前规划。打印肿瘤模型,呈现肿瘤切除边界


【医学应用】2016年1月,北京清华长庚医院神经外科主任王贵怀教授于神经外科上演了一幕“刀尖上的华尔兹”,他利用3D打印技术,“克隆”患者病变部位腰椎模型,精准地呈现了患者肿瘤与椎体、血管及输尿管的分布和形态,精准实施肿瘤切除手术。


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2.制作手术导航模板


手术导板全称为"手术导航实物模板",主要作用是帮助骨折精准复位、辅助螺钉等植入物或器械达到预定的位置,在提高手术操作便利性的同时,可降低置钉穿孔率及方向错误率,使手术操作的准确性明显提高。


采用3D打印手术导板辅助治疗组椎弓根螺钉置入准确率高、术中风险降低、手术安全性高、临床疗效满意,是一种有效可行和值得推广的技术。


手术导板的应用使医疗处置更加趋向于精准化,符合当前精准医学的理念,在减轻患者损伤的同时可提高手术疗效。


【医学应用】2015年4月中南大学湘雅医院成功实施了一例复杂的胫骨矫形手术。术前利用精细的3D打印模型进行了演练和方案制定。


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利用精细的3D打印模型进行了演练和方案制定


3.定制个性化假体与内植物


在骨关节损伤的修复中经常需要使用到假体和内植物。传统的假体和内植物的规格固定,需要在术中用手术刀和电钻去修整移植物,使之具有我们想要的形状和尺寸,而3D打印却可以为患者"量身定做"个性化的材料。


就支架的生物固定模式来说,支架与周围组织的固定方式分为骨长上与骨长入两种。


骨长上固定模式为骨质对植入物表面进行包绕式生长固定,临床常见的植入物表面有粗糙表面、烧结表面、等离子喷涂表面等;骨长入固定模式为骨组织长入内植物内部,与内植物形成牢固的整体。


这两种固定方式均会显著影响假体和内植物在患者体内的稳定性与最终寿命。


促进骨长入的形成可最大限度地延长假体寿命,而3D打印技术在制作有利于骨长入的多孔植入物材料方面较传统方法存在优势。


常见的很多植入物均采用磷酸三钙材料,在多孔的磷酸三钙支架中混入氧化镁或氧化锶将更加有利于骨骼的生长。也有研究证明,多孔钛合金植入物具有很好的骨长入能力,能促进假体-骨界面的骨性愈合,从而延长假体使用寿命。


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通过3D打印技术制作个性化髋关节假体     


【医学应用】2015年2月中南大学湘雅医院成功利用3D打印的钛金属网格结构实施了一例颌骨重建手术。


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4.定制外固定支具


对骨科外固定支具材料的研究一直是创伤救治中最基本和最活跃的领域。


从最初的小夹板到石膏绷带、热塑夹板、可卸式泡沫夹板、高分子夹板,这些器械的发明与应用给创伤骨科患者的治疗带来了更加有效的方法。


外固定材料直接与患者肢体接触,因此理想的外固定支具应具备以下特征:①稳定但不能过于坚硬,防止造成软组织损伤而影响后期功能恢复;②尽量与患者软组织外形吻合;③佩戴时间较长,应尽可能轻便,可清洗。


3D打印技术恰恰能弥补现有外固定材料制作和使用中的一些缺陷。


【医学应用】


1.整形外科领域:烧伤治疗,面部重建,隆鼻及隆颏假体的个性化定制、颅骨缺损的个性化修复、下颌骨重建术及截骨手术等。


2.口腔科:个性化定制化的牙齿隐形矫正器,牙齿接种


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3.康复辅助设备:助听器,个性化矫形外骨骼。

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4.新型手术器械的研发


为了更好地满足个性化医疗的需求,适应个性化材料的使用,必然需要与之相配套的个性化的手术器械,而3D打印使之成为可能。George等应用SLS技术打印手术器械,包括止血钳、持针器、手术刀柄、拉钩、镊子等,通过在人尸体上模拟手术和腹股沟疝修补术并评估术后人体工程学功能发现,与传统的手术器械相比,3D打印手术器械在不增加成本的前提下能够大大减少个性化手术器械的生产时间。


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5.组织工程支架


组织工程学的目的是在体内或体外生成可替代性的组织或器官,以修复受损害的组织、器官的功能。


种子细胞、生物活性因子及支架材料是经典组织工程构建需要的三大要素。


理想的支架应具有以下特征:①良好的生物相容性;②适中的生物降解性;③具有诱导或引导组织再生的能力;④具有一定的生物力学强度与可塑性;⑤无毒性与无免疫原性;⑥具有合适的孔径;⑦可提供细胞生长分化所需的细胞因子,如血管内皮生长因子、骨形态发生蛋白等。


3D打印技术相比于传统技术而言能够更好地实现上述特点。


朱祥等以丝素蛋白和胶原蛋白为原料制作人工仿生脊髓导管,将其置入SD大鼠背部皮下,4周后完全降解。神经干细胞可在人工仿生脊髓导管孔隙中生长,呈球形或梭形;在导管表面密集生长,有些细胞伸出伪足附着在导管表面。


Ding等利用3D生物打印技术打印骨软骨双相支架,再生骨和软骨组织生物力学性能与正常状态接近,且骨-软骨界面良好。


李祥等发现多孔钛/壳聚糖/羟基磷灰石(Ti/Ch/HA)复合结构支架能与人体骨组织力学性能相匹配,较单纯多孔钛更适合成骨细胞的黏附生长,是一种理想的承重部位骨缺损修复替代物。


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Lee等以聚乙酸及壳聚糖为原材料,通过3D打印技术构建个体化下颌骨髁突支架,并在材料表面进行磷灰石涂层。该支架不仅能支撑细胞的生长,同时也能够促进骨长入和骨传导。


Melke等发现丝蛋白支架在体内有促成骨潜能。上述研究都是在小动物体内进行的,而在人体内是否有同样的作用还有待进一步研究。


6.药物研发、释放和剂型


3D打印技术已经用于药物的研发和制备,且将对该领域产生巨大的影响。


3D打印的优点包括对微液滴大小和剂量的精确控制,高可重复性,能够用复杂的药物释放模型来制作药物剂型。复杂的生产工序也能利用3D打印进行标准化从而使其更加简单可行。


3D打印技术已经被用于打印许多新颖的剂型,如微囊剂、人工透明质酸细胞外基质、抗生素打印微图、介孔生物玻璃支架、纳米混悬剂、多层药物释放装置等。3D打印的药物墨水配方包括多种活性成分,有甾体抗炎药物、对乙酰氨基酚、茶碱、咖啡因、万古霉素、氧氟沙星、四环素、强的松、紫杉醇、叶酸等。


李成等通过向兔关节腔内注射透明质酸-软骨源性形态发生蛋白-1微球可促进关节软骨损伤修复,抑制骨关节炎的进展。Ko等证明了莱菔硫烷-聚乳酸-羟基乙酸共聚物微球是可以用于治疗骨关节炎的一种有效的可注射递送系统。



三、思考与展望



尽管有个性化及打印材料多样化的优势,3D打印的发展还存在一些不能回避的问题。


①打印材料的研发是3D打印技术发展的难点也是核心。目前骨科器械常用的金属材料为钛合金粉末,由于受到材料的粒度分布、松装密度(规定条件下粉末自由填充单位容积的质量)、氧含量、流动性等性能的影响,其他的金属材料和高分子材料的打印技术仍然处在试验阶段。对于具有活性的打印材料如何维持细胞活性及其功能的研究还处于瓶颈阶段。


②在组织工程支架应用方面,3D打印出骨组织工程支架的最适降解速度、力学性能、孔隙率及孔径尚无定论。同时支架上载药物微球后,支架的降解性、成骨性及药物释放性能的完全匹配还处于初步实验阶段。当前3D打印机分辨率是微米水平,而骨骼的超微结构是纳米水平,故还需要提高3D打印机的分辨率来提高支架功能。


③在打印器官方面,目前只能利用单一的活性细胞打印组织、器官,再生出来的器官、组织都是小规模且相对较简单,常常是无血管、无神经、无淋巴、相对薄弱、中空或需主体血管提供营养。然而,骨内脉管系统可供给距离血管100 μm以内组织的氧气和营养。


有学者观察到当构建的组织厚度超过100~200 μm时,将超过主体和移植物之间的氧供限度。所以,打印复杂的器官、组织,需构建带血管网的精确的多细胞结构。而相关的研究尚不能达到这个目的,不能复制人体组织、器官功能的复杂性。


④价格昂贵,门槛高。虽然近几年3D打印机的售价逐渐呈下降趋势,但好的3D打印机仍价格不菲,加上相关配套的CT、MR设备,建模和逆向工程、CAD软件等,投入较高。另外,设备和软件的使用需要专门的技术培训或多学科、多领域的专业技术人员分工合作。


⑤需要临床医生与工程师的结合(医工结合),只有这样才能科学地设计3D手术方案,制造精准的3D植入物,真正体现3D打印技术在骨科的应用价值,更好地惠及患者。


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