摘 要

3D打印技術(shù)應(yīng)用于足踝外科領(lǐng)域具有快速、個(gè)體化、直觀、可操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用3D打印技術(shù)制作的足踝矯形器能實(shí)現(xiàn)個(gè)體化治療，并縮短制作時(shí)間；術(shù)前制備骨骼3D打印模型和導(dǎo)向模型可減少手術(shù)難度和術(shù)中透視次數(shù)，增強(qiáng)手術(shù)精確性；術(shù)前應(yīng)用3D打印技術(shù)制備個(gè)體化骨片和假體，可實(shí)現(xiàn)較好的匹配。該文就3D打印技術(shù)在足踝外科的應(yīng)用價(jià)值作一綜述。

足踝部具有骨骼及關(guān)節(jié)數(shù)量多、形態(tài)復(fù)雜、體積小等特點(diǎn)，故該部位的創(chuàng)傷診治一直是骨科領(lǐng)域的難點(diǎn)之一。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，3D打印技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。借助于3D打印技術(shù)快速、個(gè)體化的優(yōu)勢(shì)，一些足踝部位研究難點(diǎn)得以突破。本文就3D打印技術(shù)在足踝外科領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀作一綜述。

1.3D打印技術(shù)概述

廣義的3D打印技術(shù)又稱快速成型技術(shù)，是一種以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，在計(jì)算機(jī)控制下以逐層打印的方式構(gòu)造物體的技術(shù)。利用此技術(shù)可構(gòu)造出任意幾何形狀的物體。自Hull等在1986年制造了第一臺(tái)3D打印機(jī)以來，此項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)過30年的發(fā)展。進(jìn)入21世紀(jì)后，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速升級(jí)，3D打印機(jī)的效率、性能取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，其產(chǎn)量、銷量飛速上漲，價(jià)格逐年降低，甚至出現(xiàn)了僅具有基本的家用3D打印機(jī)。如今越來越多功能強(qiáng)大的新式3D打印技術(shù)也在不斷涌現(xiàn)，這些新型3D打印機(jī)可打印更多不同材料、不同需求的物品。3D打印技術(shù)的發(fā)展使3D打印機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛，各行業(yè)都開始挖掘3D打印機(jī)在本領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。

2.3D打印的步驟與方法

3D打印主要分為3個(gè)步驟。第一步是在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行3D設(shè)計(jì),即先建立3D模型，再將3D模型進(jìn)行分區(qū)或切片，使之能夠被3D打印機(jī)識(shí)別;第二步由打印機(jī)完成，即讀取3D模型的分區(qū)或切片數(shù)據(jù)并打印，然后將這些分區(qū)或切片利用各種方式粘合成一整體;第三步將第二步打印出的實(shí)體進(jìn)行再加工，使之更符合實(shí)際需求，從而完成整個(gè)打印過程。在臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，現(xiàn)代影像學(xué)技術(shù)如多排螺旋CT及MRI等檢查可以為3D打印提供制作模型的形態(tài)學(xué)參數(shù)。隨著臨床上這些檢查在的逐步常規(guī)化，3D打印在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也開始有了應(yīng)用的空間。

目前應(yīng)用在醫(yī)學(xué)方面的3D打印技術(shù)主要有選擇性激光燒結(jié)、熔融沉積造型、多噴嘴成型技術(shù)和立體印刷術(shù)等四種。選擇性激光燒結(jié)技術(shù)是指用激光束在熱塑性薄片上進(jìn)行選擇性切割，由此將CT或MRI的每層圖像制成熱塑性薄片;然后將這些薄片層疊燒結(jié)，形成3D模型。該技術(shù)制造出的模型有幾何精度高的優(yōu)點(diǎn)，而其劣勢(shì);但是，高昂的成本和粗糙的表面，使之實(shí)用性較低。熔融沉積造型技術(shù)指將熔融的材料分層塑型、凝固。這種方法可使不同的組織采用不同材料制作，各解剖結(jié)構(gòu)可分別用不同顏色、類型的材料制成以示區(qū)分。所制模型幾何精度及表面質(zhì)量較高，但耗時(shí)較長(zhǎng)，制成模型耗時(shí)可達(dá)24小時(shí)。作為最早出現(xiàn)的3D打印技術(shù)，立體印刷術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域仍較為常用。它的原理是讓需要成型的液態(tài)光敏樹脂在激光作用下選擇性地發(fā)生聚合反應(yīng)，硬化后層疊制成模型。制成的模型具有可消毒、幾何精度高、表面質(zhì)量高、細(xì)節(jié)等級(jí)高等優(yōu)點(diǎn)，其細(xì)節(jié)等級(jí)和表面質(zhì)量超越熔融沉積造型技術(shù)，但也有耗時(shí)長(zhǎng)的缺點(diǎn)。多噴嘴成型技術(shù)被稱為狹義的3D打印技術(shù)，打印方式類似于一臺(tái)普通的噴墨打印機(jī)，即將粉末狀的材料逐層噴涂，最終形成模型成品。這種打印方法缺點(diǎn)較多，但其耗時(shí)較少且材料成本較低。若采用最新技術(shù)制成成品時(shí)間可壓縮至4h內(nèi)，且仍有縮短的空間。

3.3D打印技術(shù)在足踝外科中的應(yīng)用

3.1個(gè)性化足踝矯形器定制

足踝矯形器是一種用于控制足踝部運(yùn)動(dòng)的裝置，可用于固定關(guān)節(jié)炎、骨折損傷部位和糾正足踝部畸形。批量生產(chǎn)的矯形器型號(hào)有限，無法提供個(gè)體化的服務(wù)以實(shí)現(xiàn)最佳矯形效果。定制的足踝矯形器雖解決了上述問題，但其制作耗時(shí)長(zhǎng)且對(duì)工藝技巧要求高。3D打印的足踝矯形器應(yīng)用逆向工程和快速成形技術(shù)，在大幅降低個(gè)體化足踝矯形器制作難度、縮短制作時(shí)間的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)與定制的足踝矯形器相同，甚至更佳的效果。Faustini等利用激光燒結(jié)技術(shù)制作出的足踝矯形器具有個(gè)性化的形狀和功能，且在抗壓力和抗扭力等方面表現(xiàn)良好。Mavroidis等通過激光掃描收集患者個(gè)體化數(shù)據(jù)，利用3D打印技術(shù)制作模型，得到的成品與傳統(tǒng)的聚丙烯矯形器伸展性、彈性、抗彎、抗壓等均相近。Creylman等應(yīng)用激光燒結(jié)技術(shù)為8例已使用定制足踝矯形器超過2年的患者量身定制了新的足踝矯形器，結(jié)果步行實(shí)驗(yàn)顯示這些足踝矯形器表現(xiàn)良好，其在跨步距離、跨步時(shí)間、起步時(shí)間上均取得了與定制足踝矯形器同樣好的效果，而制作這些足踝矯形器的時(shí)間(僅需1d)卻遠(yuǎn)短于定制足踝矯形器。目前應(yīng)用3D打印制作的足踝矯形器在各種測(cè)試和實(shí)驗(yàn)中均表現(xiàn)良好，投入臨床應(yīng)用前景可期。

3.2足部骨骼模型的制備

足踝部骨骼多、形態(tài)復(fù)雜，對(duì)該部位進(jìn)行手術(shù)需術(shù)者具有扎實(shí)的解剖知識(shí)、較強(qiáng)的空間想象能力、豐富的臨床經(jīng)驗(yàn)和完善的術(shù)前設(shè)計(jì)。即使具備上述條件，患者個(gè)體化差異仍可導(dǎo)致手術(shù)難度增大和操作時(shí)間增加。在術(shù)前制備足踝部骨骼3D打印模型，可提供逼真的模擬手術(shù)環(huán)境，幫助術(shù)者對(duì)手術(shù)部位進(jìn)行全面觀察和了解。此外，足踝部骨骼3D打印模型還可用于術(shù)前預(yù)復(fù)位、術(shù)中鋼板螺釘置入及內(nèi)固定模擬，并可對(duì)鋼板進(jìn)行預(yù)塑型，從而進(jìn)一步調(diào)整手術(shù)方案，確定更合理、個(gè)體化的內(nèi)固定物置放位置和角度，以期實(shí)現(xiàn)更佳的手術(shù)效果，并縮短術(shù)中操作時(shí)間。

Kacl等將30例跟骨關(guān)節(jié)內(nèi)骨折足踝部骨骼3D打印模型與普通2D、3D重建圖像進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)3D打印模型與普通2D、3D重建圖像在跟骨骨折診斷方面并無明顯差異，認(rèn)為與數(shù)字化虛擬模型相比，3D打印模型具有更強(qiáng)的可操作性，故在手術(shù)設(shè)計(jì)方面更為實(shí)用。Giovinco等介紹了采用3D打印技術(shù)輔助治療Charcot足，即采用普通的3D打印機(jī)制作數(shù)個(gè)廉價(jià)的患足骨骼模型，術(shù)者通過模擬手術(shù)有效降低了Charcot足晚期手術(shù)難度，提高了手術(shù)效率，從而減少手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，提高手術(shù)成功率。Bagaria等采用3D打印技術(shù)制作了1例16歲男性患者跟骨骨折(Sanders IIB型)模型，模型清晰地展示了骨折情況;據(jù)此設(shè)計(jì)的手術(shù)獲得成功，患者術(shù)后恢復(fù)良好，2年后骨折完全愈合。Chung等報(bào)道了1例3D打印模型用于單側(cè)關(guān)節(jié)內(nèi)跟骨骨折手術(shù)，即先掃描了雙側(cè)跟骨的CT圖像，再應(yīng)用鏡像技術(shù)，將健側(cè)跟骨打印成與患側(cè)跟骨相同大小的模型，術(shù)前利用該模型及影像學(xué)資料設(shè)計(jì)鋼板位置、釘?shù)赖?，使?nèi)固定物既能穩(wěn)定固定，又能以較小的切口置入，并對(duì)鋼板進(jìn)行預(yù)塑型，使其能更好貼合骨面;術(shù)中直視下及X線透視下將模型與骨折處進(jìn)行對(duì)比，以此為依據(jù)進(jìn)行復(fù)位、植骨及固定，最終手術(shù)獲得成功。章瑩等研究計(jì)算機(jī)快速成型技術(shù)輔助個(gè)體化治療三踝骨折的效果，并與常規(guī)手術(shù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)雖然兩者手術(shù)切開暴露時(shí)間并無差異，但前者復(fù)位與固定時(shí)間較短，手術(shù)療效優(yōu)良率也較高。金丹等應(yīng)過逆向工程方法及三維重建技術(shù)制備了用于下脛腓聯(lián)合分離固定中的導(dǎo)航模板，制備出的導(dǎo)向模板具有較好的匹配性，在下脛腓聯(lián)合分離內(nèi)固定臨床初步應(yīng)用中顯示了良好的效果。骨骼3D打印模型及導(dǎo)向模板有助于骨折復(fù)位、鋼板預(yù)彎、內(nèi)固定物置放位置及角度確定、截骨矯形術(shù)設(shè)計(jì)等，因其能減少手術(shù)難度、增加手術(shù)準(zhǔn)確性、減少術(shù)中X線透視使用次數(shù)，在臨床上具有較為樂觀的應(yīng)用前景。

3.3植入物的個(gè)性化設(shè)計(jì)

足踝部損傷常會(huì)造成骨骼缺損，此時(shí)需進(jìn)行適當(dāng)?shù)闹补且灾厮芷浣Y(jié)構(gòu)完整性。但由于足踝部骨骼結(jié)構(gòu)復(fù)雜，骨骼缺損呈不規(guī)則狀，因此對(duì)植入物塑形常在術(shù)中耗費(fèi)大量時(shí)間。利用足踝部骨骼3D打印模型，可在術(shù)前即應(yīng)用3D打印技術(shù)制備個(gè)體化骨片和假體，不但較傳統(tǒng)方式節(jié)省手術(shù)時(shí)間，還能實(shí)現(xiàn)更好的匹配。由于技術(shù)限制，使用3D打印機(jī)直接打印鈦合金鋼板或螺釘尚處于試驗(yàn)階段，目前3D打印技術(shù)主要用于預(yù)處理鋼板，經(jīng)3D打印技術(shù)處理的鋼板較傳統(tǒng)鋼板更能個(gè)體化地適應(yīng)患者骨骼情況，從而達(dá)到更佳的療效。Cooke等將可降解的生物材料應(yīng)用在3D打印中，成功制造出了符合要求的骨片。Leukers等應(yīng)用3D打印技術(shù)打印羥基磷灰石支架并在其上培養(yǎng)干細(xì)胞，使這些支架成為類似人體骨骼的結(jié)構(gòu)。3D打印技術(shù)可構(gòu)造出任意形狀的物體，因此其在足踝外科中的應(yīng)用價(jià)值值得進(jìn)一步研究。

4.總結(jié)及展望

應(yīng)用3D打印技術(shù)制作的足踝矯形器不僅能實(shí)現(xiàn)個(gè)體化治療，還能減少人工成本和時(shí)間成本。對(duì)復(fù)雜的足踝外科手術(shù)，3D打印模型和導(dǎo)向模板不僅能減少手術(shù)難度、減少術(shù)中透視次數(shù)，更能增強(qiáng)手術(shù)精確性。此外，3D打印技術(shù)也可應(yīng)用于制造個(gè)體化植入物，隨著3D打印模型表面處理和幾何精確度等技術(shù)的進(jìn)步，3D打印技術(shù)在直接打印植入物方面有巨大的發(fā)展空間。然而，目前3D 打印技術(shù)仍存在一定的不足。首先，雖然隨著技術(shù)的進(jìn)步，3D打印模型的成本逐年穩(wěn)步下降，但仍相對(duì)稍高;其次，3D打印耗時(shí)仍過長(zhǎng)，較難應(yīng)用于急診手術(shù);最后，3D打印技術(shù)的應(yīng)用仍處于試驗(yàn)階段，其應(yīng)用范圍需更多的探索，實(shí)際療效需臨床研究驗(yàn)證。若3D打印技術(shù)能不斷改進(jìn)及繼續(xù)發(fā)展，其在足踝外科的應(yīng)用前景將十分廣闊。

參考文獻(xiàn)(略)