关于3D打印骨骼那些事儿

3D 打印是目前骨科研究领域较为热门的研究方向，在报纸和网络上经常可以看到这样的新闻：“人体骨骼可以3D打印了”，“某某骨科开展首例3D打印技术，造福患者”。

事实上3D打印技术诞生于1986年，其历史并不比喷墨打印短多少。在专业领域，它有另一个名称“快速成型技术”。

全球行业分析公司（GIA）表示，3D打印市场份额将在2018年达到30亿美元。医药行业是目前3D打印技术扩张最为迅猛的行业，预计到2020年将占整个3D打印市场份额的25%。

那么让我们一起来了解一下3D打印究竟是个什么技术，以及它在骨科中能为我们做些什么？

概念与发展

3D打印技术的将数字化的3D图形转化成为物理实物，最早是由美国人查尔斯.豪尔(CharlesW. Hull)申请了专利(美国专利4573330)。

1993年，美国麻省理工学院申请了一种新的3D打印技术，名字叫做“三维打印技术”(3 Dimensional Printingtechniques)，这是一种依赖已有喷墨技术的3D成型技术。ZCorporation取得了麻省理工学院的专利授权，并在1995年推出了第一款产品。

在2006年，3D打印界出现了一个标志性的事件，一个名叫RepRap的开源3D打印计划被公布，于是在很多领域普通人也不再受到专利的束缚自己也可以进行3D打印。

目前，在淘宝上，可以打印12厘米见方的3D打印机价格已经降到3千元以下，可以说已经相当的便宜。香港有家公司还生成出2000元的3D打印机。

3D打印的基本流程

包括图像数据获取，数据后处理和3D打印。

在医学中，图像通常来源于CT扫描。CT扫描产生的DICOM数据（Digital Imaging and Communications inMedicine医学数字成像和通信）经过计算机处理后得到三维数据，然后再根据临床需要，借助CAD软件（Computer Aided Design计算机辅助设计）对3D图像进行修改，获得最终打印模型的标准格式数据。

后处理完成后将数据传输至3D打印机，根据需要选择不同类型的3D打印技术进行三维物理模型及术中模板的打印。其中，有学者认为CAD计算机辅助设计是3D打印技术的核心。

下面以3D打印在骨科目前临床上的应用类别做一简单介绍。

一、初级阶段：打印骨骼模型，辅助手术

对于复杂骨折，传统影像学方法难以直观了解骨折情况，而3D打印的1:1比例的三维实体模型可以更加直观和清晰，可以很好的协助医生进行术前诊断，帮助医生了解骨折的程度、类型及各个骨折块的移位情况，做出明确的术前诊断，评估术中可能存在的风险，为术中的骨折复位提供基础。

同时医生在术前可以在模型上进行模拟手术操作和练习，对术中内固定物进行预塑形，提高手术操作准确度可以明显的减少了术中X线的应用次数、节省手术时间。

3D打印骨骼

3D打印模型流程示意图

3D打印骨骼

利用3D打印技术制作的全仿真骨折模型

二、中级阶段：植入物及假体制作，个性化治疗

医学治疗的个性化是21世纪医学发展的方向之一。目前，标准尺寸的骨科植入物能满足大部分患者需求。

但在特殊情况下，如患者所需内植物太大或太小，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附的内植物以提高手术效果时，则需要个性化定制假体及内植入物。

3D打印技术具备加工精确、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。与标准尺寸的骨科植入物相比，3D打印技术“量身定制”的个体化植入物与患者骨骼匹配更精准，患肢功能恢复更快。

目前国内外已经广泛开展了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。

对于关节严重畸形以及特殊部位的骨肿瘤患者，手术方案的制定非常具有挑战性，如假体型号的选择、假体安放位置的准确}h}以及畸形的矫正程度等都是术者面临的难题。

个体化骨科植入物可保证几何形态的完美匹配，理论上可保证良好的初始稳定性，改善骨长人，延长假体寿命。

3D打印骨骼

3D打印技术应用于颈椎间盘突出治疗

三、高级阶段：生物打印，人工器官与人工骨骼

生物打印是3D 打印技术研究中最前沿的领域，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。

可以直接“打印”出功能性的人体器官和组织。在骨组织工程领域，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。

根据医学影像学及计算机辅助技术设计的支架，通过3D 打印后不仅具有与缺损组织相匹配的解剖外形，可满足患者个体化需求。

辅以微米、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，使真骨与假骨之间结成牢固的一体，有助于缩短患者的恢复期，有利于节省患者的医疗成本。

3D打印与组织工程的结合，将带来个体化植入物制作及组织工程技术的革命，极大促进器官移植、组织修复重建及再生医学等多学科的进步。文/虎群盛