骨科3D打印技术的研究进展

骨科３Ｄ打印技术的研究进展刘大海李开南（遵义医学院-成都大学附属医院，成都市610000）摘要：为了大力推进3D打印技术在骨组织工程中的应用，让更多的人了解3D打印技术的优势，使之成为骨组织替代材料生产的主方式。据此，我们总结了近数十年间3D打印技术在骨科领域的发展历程。从金属生物替代假体的制造，到复合细胞及生长因子的生物可降解替代物的制造，再到术前评估及术中导航模板的制造，都可以根据患者的需要，通过3D打印机打印出个性化的骨科产品，使3D打印技术应用于临床疾病的治疗逐渐增多，更有利于骨科疾病治疗的合理化及安全性。所以，本文主要讲述近年来3D打印技术在骨科领域的研究进展及对未来的展望。关键词：3D打印技术；生物可降解材料；个性化；替代物；导航模板3D打印技术是上世纪80年代新起的一种快速制造技术，其主要原理是“分层制造，逐层叠加”，先通过3D打印机分层制造，形成一个二维结构的物质平面，再根据自己的需要，通过对材料的精确堆积，逐层叠加，最终形成产品的三维立体结构[1]。它的制作工艺有异于传统的削材及铸造技术，能使材料的物理结构不发生变化，增强产品的强度；还能根据需求定制，实现材料与病变部位的完全匹配，同时还可以携带细胞及生物活性微球进行骨缺损部位的原味打印。随着3D打印这一核心思想的新起，逐步形成的各式各样的制造技术，先是1989年Deckard发明的选择性激光烧结技术（SLS），再次是1992年Crump发明了熔融沉积成型技术(FDM)，1993年Sachs在麻省理工大学发明了3D喷印技术(3DP)。以上所有的打印技术，无一不是运用“分层制造，逐层叠加”的原理来实现的[2]。目前，3D打印技术在骨科应用于以下几个方面。一、骨科个性化替代物目前运用于临床的骨科替代性材料都是按照固定模式制造出来，已满足不了特殊疾病人群的需求，所以，制造出适合于每个患者的个性化替代性假体就显得非常有必要。在髋关节的置换上，由于假体的不匹配，会导致围手术期假体失稳、肢体长度不等、假体周围骨折，和再次手术的风险；如：小直径髋臼假体容易获得良好的骨性包容，但是通常应力比较集中，容易对假体产生磨损，缩短假体寿命；大直径的髋臼假体，假体周围骨量丢失也越多，从而可造成假体松动等[3]。目前研究最多的也是个性化髋关节、膝关节及骨盆等,种类比较繁多，大多都只限于研究阶段，只有少数开始应用于临床。目前研制的3D金属骨小梁就是用3D打印出来的多孔金属植入物，空隙之间相互贯通，具有骨长入的能力；此外，髋臼杯、椎间融合器及人工椎体也开始用3D打印技术制造；该技术在国外已获得CE及FDA的认证。程文俊等[4]也用3D技术打印出金属髋臼杯，并应用于9例患者身上，随访6个月，并未出现不稳，有骨长入的现象。而Benmu等[5]用3D技术打印出股骨假体，进行了2例全髋关节置换手术。对于儿童股骨远端恶性，得切除内、外侧髁及股骨下端大部分骨质，为了保持下肢的骨头的继续生长，就需要保留胫骨近端，然后进行半膝关节置换；黄晨等[6]提出双运动轨迹半膝关节假体治疗儿童股骨下端肿瘤，就可以用3D打印技术打印出假体。所以，从更长远意义上说，个性化替代物有利于患者远期疗效。骨盆的内置物主要用于骨盆恶性肿瘤、先天性骨盆畸形及骨盆骨质缺损导致的骨盆不完整的患者。骨盆肿瘤的治疗需要进行扩大化切除，尽量保留正常组织，以降低其复发率，尽量延长患者的寿命。但是不同患者的骨盆尺寸及形态差异很大，缺损部位的形态不规则，增加了骨盆重建的难度。而3D打印技术就能对患者的病变范围进行量身定制，通过多层螺旋ＣＴ进行薄层扫描，三维数字建立模型，对所获取的信息进行数控编程，将数据转化格式后输入3D打印机，然后选择合适的材料就可以打印出目标产品[7]戴尅戎教授[8]从2005开始，用3D打印技术打印的骨盆替代物进行了第一例半骨盆置换手术；随后蔡郑东教授等用3D打印技术为数十名患者定制个性化半骨盆，进行人工半骨盆置换手术成功。郭征、裴延军等[9]人用3D打印钛合金骨盆假体，精确的完成了人工骨盆的植入手术治疗；同期，又完成了锁骨和肩胛骨假体植入手术，使个性化假体在临床上使用已全面展开。与此同时，3D打印还可用于儿童先天性髋关节发育异常的术前手术方案的制定，燕华等[10]就用该技术为8名打印与体内形状、大小相同的骨盆，指导手术，缩短手术时间、减少出血量。除此之外，3D打印还大量用于颅盖骨及颌面骨的修复，展现出更大的发展空间。二、复合成骨细胞及生长因子的骨移植替代物个性化金属骨移植替代物大多使用不可降解材料制成的个性化产品，在体内需要长期的保留，没有或仅有很弱的能力促进骨修复。如果骨移植替代物使用生物材料来制造假体，同时添加不同的干细胞和生长因子，通过干细胞的分化机制，分化、新生的骨细胞贴附于支架表面及长入支架内[11-12]，从而诱导骨的再生，运用自身新生的骨细胞对该部位的解剖结构进行永久性重建。较为理想的复合骨替代物，应该具备良好的生物力学特性、生物可降解性、组织相容性、骨诱导生成能力及骨传导性，选材和制作工艺都直接影响替代物的生物性质。运用较多的材料是：羟基磷灰石（HAP）、聚富马酸二羟丙酯（PPF）、聚碳酸酯、聚乳酸酯、壳聚糖（CS）、碳酸三钙、聚乙醇酸、水凝胶等[13]。目前很多学者都致力于此研究，Shin等[14]将光敏修饰的聚富马酸二羟丙酯（PPF）用SLA技术制备的多孔支架与人体松质骨有着极为相似的生物力学特性，可以促进成纤维细胞的粘附与分化；在兔体内实验证明，支架可明显促进血管的生产及结缔组织的形成。WANG等[15]将HAP和CS混合后用3D打印技术制成HAP-CS复合多孔支架，并在支架中添加Ⅰ-型胶原蛋白，移植于犬桡骨缺损部位进行原位修复，该实验证明，复合Ⅰ-型胶原蛋白的HAP-CS支架表面的成骨细胞对碱性磷酸酶的分泌有促进作用，与没有添加Ⅰ-型胶原蛋白的支架相比，可使碱性磷酸酶的分泌能力提高23%。要使新生骨能完全长入骨缺损部位，骨移植物还要有能使骨细胞和血管长入替代物内的能力。正常的松质骨是由大量片状和针状骨小梁连接成的多孔网状支架，其孔隙率一般为50%-90%，孔径约为1mm，其孔隙成呈三维立体网状结构，空隙之间相互连通；因此类松质骨也要有与正常松质骨相似的物理结构，促进与骨界面的融合[16-17]。Williams[18]等将脂肪族聚酯和PCL混合后用SLS技术制得与人体松质骨结构相似的三维多孔支架；若在PCL中加入80wt%的NaCl，支架中制孔剂能被完全析出后，可获得孔径为1mm，孔隙率为90%的多孔支架，将成肌细胞与支架同培养21天，发现成肌细胞布满整个支架[19]。由于支架的孔隙率比较大，只能达到松质骨的强度，但骨长入能力强、可完全降解，因此只能用于不承重的部位。如要获得强度较高的替代物，则要通过降低孔隙率来达到，但此时的骨长入能力欠佳。直接携带细胞生长因子打印的骨替代物具有更好的骨诱导性能，对促进细胞与细胞之间、细胞与材料之间的作用有重要意义。刘蓉玲等[20]用胶原-HA/BMP的复合材料植入兔桡骨缺损处，与胶原-HA材料组相比，血清中Ca、P浓度和ALP活性高于后者，说明胶原-HA/BMP的复合材料具有更强的成骨能力。李翠笛等[21]以磷酸钙骨水泥（CPC）、介孔硅酸钙（MCS）为原料，用3D打印技术构建不同孔道结构的MCS-CPC复合支架，同时复合BMP-2植入动物体内，初期即可见纤维组织在孔道中生长，12周时，MCS-CPC-rhBMP-2支架新生骨量明显高于CPC和MCS-CPC支架，具有仿生效应。Breitenkamp等[22]以甲基丙烯酸酯封端的聚乙二醇（PEG-DMA）和软骨细胞混合成细胞溶液，用SLA技术对天然牛股骨髁软骨缺损模型进行原位打印，打印出来的PEG水凝胶与天然关节软骨的弹性模量相似，其细胞的存活性较高；这使人体内原位打印、组织原位修复变为可能。虽然复合成骨细胞及生长因子的骨移植替代物具有良好的生物力学特性及骨诱导性等优点，前景广阔，但是目前仅限于动物实验阶段，至今还没有一种产品用于人体上；在3D打印中及后处理过程需要保持复合细胞的存活率及成长因子的生物活性，要阐明材料与细胞及生长因子之间的相互作用机制，还有待进一步研究。三、个性化导航模板近年来，随着3D打印技术在骨科领域的发展，有学者提出了利用该技术制造手术导航模板的构想。对解剖结构比较复杂，需要精确定位的手术进行术中导航，以便提高手术的成功率及降低手术的难度，确保患者的安全[23]；因此，学者们设计并制出了股骨颈空心螺钉的导航模板、腰椎及寰枢椎椎弓根钉的导航模板、枕骨髁螺钉的导航模板。在临床中运用空心螺钉固定股骨颈骨折，手术的成功更多依赖于手术医师的临床经验，有一定的随意性；因此，失败的病例并不少见。进钉点、进钉方向机进钉深度的判断错误，导致螺钉穿破股骨颈皮质或直接穿破股骨头进入关节腔，甚而进入骨盆[24]。银和平等[25]筛选出18例股骨上端样本，共32侧，运用导航模板进行模拟手术，术中只有1例穿破骨皮质，说明了导航模板的可行性。黄轩等[26]选取20例枕颈部尸体样本，运用数字化设计和3D打印技术打印出枕骨髁导航模板，对20具尸体枕骨髁螺钉的置入进行导航。术后CT扫描发现，40枚螺钉均在枕骨髁内，无一侵犯舌下神经管、髁导静脉管及寰枕关节面；操作中导航模板与枕骨髁骨面接触良好，未发生移位，较在传统X透视下置钉时间短，约60-70s；再一次说明导航模板辅助置钉的快速性、准确性及可行性[27]。在电脑模拟及体外模拟手术的基础上，宁金沛等[28]对7例需要性胸椎及颈椎椎弓根螺钉的患者设计个性化导航模板进行术中导航，共植入24枚椎弓根螺钉，其中23枚螺钉都在椎弓根内，只有1枚螺钉穿破椎弓根骨皮质，操作中均没有出现血管、神经损伤，说明个性化导航模板在临床上的使用已取得成功，为在临床上大量的使用奠定了基础。但是，现在的打印技术还面临着以下问题：1、建模数据的准确性，需要有熟练掌握Mimics14.0软件及一定的相关手术经验的人员，才能顺利完成导航模块的设计；2、导航模块固定稳定性较差，需要有标志性的解剖结构作为锚定点，防止导航模块与接触物之间的移动；3、打印精度要求较高，打印精度影响导航模块的质量及手术人员操作的准确度。目前，我国还处于3D打印技术的初始阶段，其技术还处于起步阶段，这将影响3D打印的广泛开展。四、展望目前，3D打印技术在硬组织工程材料的制备方面获得了较多关注和研究，在骨科方面已取得了不小的进步，并开始运用于临床；但由于国内的3D打印还处于初始研发阶段，技术还不成熟，应用的设备及材料大多由国外厂家提供；但国外的设备大多与工艺参数绑定，任何一个工艺参数的更改都需要厂家专业人员的参与及通过严格的认证。在国内，真正应用于临床的数量还比较少，对于3D打印技术运用于骨科的大量开展，还有待进一步研究。随着我国数控技术、生物材料等方面的进一步发展，个性化组织工程有望应用于每一个患者，以满足广大患者的需要。参考文献[1]RengierF,MehndirattaA,vonTengg-KobligkH,etal.3Dprintingbasedonimagingdata:reviewofmedicalapplications[J].IntJComputAssistRadiolSurg.2010,5(4):335-341.[2]Young-JoonSeol,Tae-YunKang,Dong-WooCho.Solidfreeformfabricationtechno-logyappliedtotissueengineeringwithvariousbiomaterials[J].SoftMatter，2012,8(6):1730-1735.[3]WangLiao，DaiKe-rong.Individualizedtreatmentoforthopaedicsand3Dprintingtechnology[J].JournalofMedicalBiomechaincs,2014,29(3):193-199.[4]程文俊，勘武