引用本文： 王富友, 任翔, 杨柳. 3-D打印技术在关节外科的应用. 中国修复重建外科杂志, 2014, 28(3): 272-275. doi: 10.7507/1002-1892.20140062 复制
近年来3-D技术已渗透至多个领域，科学家们通过各种高科技手段，使客观世界中的三维实体能够在虚拟世界中以高精度重建（3-D扫描）、自由编辑（3-D设计）、高清展示（3-D显示），最终返回至客观世界（3-D打印）。3-D打印技术作为一项前沿制造技术，已逐步应用于航天、军工、医疗等多个领域。本文就目前3-D打印技术的原理与分类、临床应用及基础研究等方面进行综述，总结其在关节外科领域中的应用现状，展望其未来发展方向。
1 3-D打印技术原理与分类
3-D打印技术诞生于上世纪80年代，从1986年Charles Hull开发了第一台商业3-D打印机，到2012年苏格兰科学家Faulkner-Jones等[1]利用细胞打印出人造肝脏组织，3-D打印技术正逐渐渗透至人们生活。3-D打印技术是一种基于离散、堆积成型原理的新型数字化快速成型技术，它融合了计算机辅助设计、数控技术、新材料技术等当代高新技术。其基本原理为：首先由CAD软件设计预制构件三维数字化模型；然后将模型沿垂直或水平方向分层，并根据每层结构信息进行数控编程；最后将三维数字化模型转化成快速成型文件格式STL后输入3-D打印机；3-D打印机将金属或塑料粉末等特殊材料利用激光束或热熔喷嘴等方法，在二维X-Y平面内黏结成截面形状，然后在Z坐标方向进行层层叠加，最终形成三维实体。与传统的“切削去除”材料方法（如3-D雕刻）不同，3-D打印采用“逐层增加”材料的方式来制作三维实体[2]。3-D打印技术无需机械加工和任何模具，极大地降低了结构复杂产品的制造难度，缩短了研制周期。此外，该技术还具有成型精度高、重复性好、可实现产业化生产等传统工艺无法比拟的优点。
随着新材料技术的不断发展，能够满足3-D打印的材料也由金属、塑料、陶瓷等单一固体粉材发展到液体、凝胶、细胞等混合材料。依据打印材料和成型方式的不同，3-D打印技术可分为以下6类[2]：以光敏树脂为原料的光固化成型技术，以蜡、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚碳酸酯、尼龙等为原料的熔融挤出成型技术，以不同材料粉末为原料的选择性激光烧结，以纸、塑料薄膜等为原料的分层实体制造技术，以陶瓷粉末、金属粉末为原料的3-D打印技术和与传统树脂自硬砂工艺相结合的无模铸型制造技术。3-D打印技术作为一项前沿制造技术，已逐步应用于航天、军工、医疗、教育、建筑及电影制作等多个领域，并且随着该技术的发展，其应用领域还将不断扩展。
2 3-D打印技术在关节外科领域中的临床应用
随着影像学和数字化医学的快速发展，3-D打印技术可为患者“量身定制”高精度的手术方案和植入体，从而提高关节外科复杂高难度手术的成功率，使手术更精确、更安全。
对于髋关节严重畸形患者，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性以及畸形的矫正程度等都是术者面临的难题。相对于CT或MRI采集的二维影像或计算机模拟三维图像，3-D打印的实体模型给医生提供的信息更全面，术者甚至可利用该模型进行手术模拟，从而提高手术成功率。Won等[3]利用该技术为21例髋关节严重畸形患者成功制定手术方案并施行人工全髋关节置换术，术后影像学检查表明假体组件均按计划精确植入，而且明显缩短了手术时间。此外，Sciberras等[4]首次将该技术应用于1例复杂髋关节翻修术，该患者在人工全髋关节置换术后发生假体松动并伴髋臼内陷。若采用常规方法，很难对骨缺损类型和假体位置作出精准判断。术者根据患者骨盆CT扫描图像重建骨盆三维模型，采用3-D打印技术制备了一个骨盆模型，并在该模型上进行病情评估和手术练习，最终手术获得成功。临床实践表明，3-D打印技术可有效确定植入物的类型、大小和位置，有利于术者制定最佳手术方案，指导术者开展个体化关节外科手术，使手术更精准，减少了手术时间和术中使用工具数量[5]。
除了指导术者进行精准手术方案的制定外，3-D打印技术还能应用于手术辅助工具和个体化假体制备。Raaijmaakers等[6]应用3-D打印技术制备了一个用于股骨头表面置换的导针定位装置，该装置呈超半球型，与股骨头、股骨颈前表面紧密匹配，在该导向器引导下，可将假体柄精确安装在股骨颈解剖轴上，使以往复杂的定位过程变得简单、假体安装更精确。目前，标准尺寸的骨科植入物能满足大部分患者需求，但少数患者因解剖结构特殊或疾病的特异性往往需要定制个体化植入物。3-D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。王臻等[7]利用股骨髁影像数据资料，应用Surfacer9.0图像处理软件首先设计出膝关节假体三维模型，然后在LPS600快速成型机上制备树脂模型，经硅胶翻模、制作蜡模、成壳、浇铸等过程，最终获得个体化钛合金膝关节假体，成功为1例14岁右股骨下段骨肉瘤术后复发患儿施行保肢手术。He等[8]利用3-D打印技术制备了半膝关节和人工骨模具，分别通过快速铸造和粉末烧结成型技术制备出个体化钛铝合金半膝关节和多孔生物陶瓷人工骨，并将组装后的复合半膝关节假体植入患者体内，术后随访表明该复合半膝关节假体与周围组织、骨骼匹配良好，并且具有足够的机械强度。Benum等[9]应用该技术制备了个体化股骨假体和股骨髓腔导向器，使手术更精准，成功为2例石骨症患者施行人工全髋关节置换术。与标准尺寸的骨科植入物相比，3-D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。
3 3-D打印技术在关节外科领域中的基础研究
3-D打印技术在关节外科临床应用方面体现了强大优势，同时也广泛应用于基础研究。众所周知，组织工程技术在关节外科修复重建领域展示了良好的应用前景，3-D打印技术也被广泛应用于组织工程骨和软骨研究领域。
采用3-D打印技术制备的组织工程支架材料不仅具有与缺损组织相匹配的解剖外形，同时也具有满足细胞黏附、增殖的内部三维多孔结构[10-12]。Lee等[13]应用激光扫描技术获得6月龄兔肱骨近端解剖形态数据并进行三维重建，然后选用聚己内酯和羟基磷灰石混合材料，应用3-D打印技术制备与肱骨近端解剖结构完全一致的骨软骨支架，并在支架的关节面灌注TGF-β3和Ⅰ型胶原，植入兔体内修复肱骨近端缺损。结果显示，术后4个月该支架已再生形成完整的肱骨近端关节面，且再生的软骨与软骨下骨整合良好，力学性能与天然软骨无明显差异。Woodfield等[14]应用聚乙二醇对苯二甲酸酯/聚对苯二甲酸丁二醇酯纤维，采用3-D打印技术制备关节软骨支架，该支架的孔隙形状和孔径均能按计算机设计精确生成，其平衡模量和动态刚度与天然关节软骨非常接近；将该支架接种牛关节软骨细胞后植入裸鼠皮下，动态培养7 d后即有明显的软骨样组织形成。理想的组织工程支架不仅要具备与缺损组织相匹配的解剖外形和满足细胞接种的内部多孔结构，还应具有足够的机械强度。随着新材料的快速发展，3-D打印技术可实现通过改良支架结构特征增强其机械性能。Liu[15]采用包含羟基磷灰石颗粒的水性硅溶胶作为生物陶瓷浆原料，应用3-D打印技术制备具有三维多层中空壳结构的生物陶瓷支架，体外实验表明该支架在满足细胞接种的同时也具有良好的机械强度。Quadrani等[16]和Seitz等[17]也分别应用3-D打印技术构建了具有良好机械强度的生物陶瓷骨组织工程支架。
随着3-D打印技术在组织工程领域的应用，活细胞也作为打印材料的一部分，在制备组织工程支架的同时被一同打印出来。Mironov等[18]首次提出“生物制造”概念，强调细胞是产生和显示生命的基本元素，只有材料和细胞同时打印才能制备出令人满意的组织工程器官。Fedorovich等[19]应用气动分配系统制作加载了两种荧光标记的BMSCs三维水凝胶支架，结果证实细胞活性不受打印机喷嘴直径和打印过程的影响，他们认为该技术可制备包含不同类型细胞的组织工程移植物。Xu等[20]利用静电纺丝和喷墨打印相结合的方法制作组织工程软骨，首先应用静电纺丝技术制备聚己内酯纤维薄膜，然后应用喷墨打印方法将含有兔弹性软骨细胞纤维蛋白和胶原蛋白的水凝胶打印在薄膜表面，循环交替打印5次，最终获得厚1 mm的“三明治”式组织工程软骨。体外培养1周，支架中超过80%的软骨细胞仍保留增殖活性，同时有Ⅱ型胶原蛋白和黏多糖生成。相对于单纯纤维蛋白胶原水凝胶，该技术制备的组织工程软骨机械性能有明显增强，提示利用喷墨打印方法可制备同时具有良好生物学性能和机械属性的组织工程软骨。随着3-D打印技术在组织工程领域的应用，预计在不久的将来，采用该技术可同时打印支架材料、种子细胞和生物因子，制造出更完美的组织工程器官。
4 存在的问题和展望
3-D打印技术在关节外科得到了广泛应用，同时也展示出传统工艺无法比拟的优势，但目前尚存在一些问题需要改进。在个体化假体制造方面，能够满足临床应用的材料仅限于金属、陶瓷和塑料，而胶原蛋白、硫酸软骨素、透明质酸和羟基磷灰石等具有良好生物相容性和安全性的生物材料，尚处于实验室研究阶段。在组织工程骨或软骨支架研究方面，将活细胞和支架材料一同打印是3-D打印技术在关节外科基础研究领域应用的进步性标志，但如何实现细胞在支架内按照预制组织结构进行精准分布、如何构建营养通道血管[21]、如何提高打印组织的机械性能等，都是未来研究方向。随着组织工程学、数字化医学、新材料和新工艺的不断发展，3-D打印技术在关节外科领域将会有更广泛的应用，我们期望能够打印出包含多种细胞成分、血管和神经等多种组织的人工器官--“生物型人工关节”，植入体内后能再生形成自体关节。
近年来3-D技术已渗透至多个领域，科学家们通过各种高科技手段，使客观世界中的三维实体能够在虚拟世界中以高精度重建（3-D扫描）、自由编辑（3-D设计）、高清展示（3-D显示），最终返回至客观世界（3-D打印）。3-D打印技术作为一项前沿制造技术，已逐步应用于航天、军工、医疗等多个领域。本文就目前3-D打印技术的原理与分类、临床应用及基础研究等方面进行综述，总结其在关节外科领域中的应用现状，展望其未来发展方向。
1 3-D打印技术原理与分类
3-D打印技术诞生于上世纪80年代，从1986年Charles Hull开发了第一台商业3-D打印机，到2012年苏格兰科学家Faulkner-Jones等[1]利用细胞打印出人造肝脏组织，3-D打印技术正逐渐渗透至人们生活。3-D打印技术是一种基于离散、堆积成型原理的新型数字化快速成型技术，它融合了计算机辅助设计、数控技术、新材料技术等当代高新技术。其基本原理为：首先由CAD软件设计预制构件三维数字化模型；然后将模型沿垂直或水平方向分层，并根据每层结构信息进行数控编程；最后将三维数字化模型转化成快速成型文件格式STL后输入3-D打印机；3-D打印机将金属或塑料粉末等特殊材料利用激光束或热熔喷嘴等方法，在二维X-Y平面内黏结成截面形状，然后在Z坐标方向进行层层叠加，最终形成三维实体。与传统的“切削去除”材料方法（如3-D雕刻）不同，3-D打印采用“逐层增加”材料的方式来制作三维实体[2]。3-D打印技术无需机械加工和任何模具，极大地降低了结构复杂产品的制造难度，缩短了研制周期。此外，该技术还具有成型精度高、重复性好、可实现产业化生产等传统工艺无法比拟的优点。
随着新材料技术的不断发展，能够满足3-D打印的材料也由金属、塑料、陶瓷等单一固体粉材发展到液体、凝胶、细胞等混合材料。依据打印材料和成型方式的不同，3-D打印技术可分为以下6类[2]：以光敏树脂为原料的光固化成型技术，以蜡、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚碳酸酯、尼龙等为原料的熔融挤出成型技术，以不同材料粉末为原料的选择性激光烧结，以纸、塑料薄膜等为原料的分层实体制造技术，以陶瓷粉末、金属粉末为原料的3-D打印技术和与传统树脂自硬砂工艺相结合的无模铸型制造技术。3-D打印技术作为一项前沿制造技术，已逐步应用于航天、军工、医疗、教育、建筑及电影制作等多个领域，并且随着该技术的发展，其应用领域还将不断扩展。
2 3-D打印技术在关节外科领域中的临床应用
随着影像学和数字化医学的快速发展，3-D打印技术可为患者“量身定制”高精度的手术方案和植入体，从而提高关节外科复杂高难度手术的成功率，使手术更精确、更安全。
对于髋关节严重畸形患者，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性以及畸形的矫正程度等都是术者面临的难题。相对于CT或MRI采集的二维影像或计算机模拟三维图像，3-D打印的实体模型给医生提供的信息更全面，术者甚至可利用该模型进行手术模拟，从而提高手术成功率。Won等[3]利用该技术为21例髋关节严重畸形患者成功制定手术方案并施行人工全髋关节置换术，术后影像学检查表明假体组件均按计划精确植入，而且明显缩短了手术时间。此外，Sciberras等[4]首次将该技术应用于1例复杂髋关节翻修术，该患者在人工全髋关节置换术后发生假体松动并伴髋臼内陷。若采用常规方法，很难对骨缺损类型和假体位置作出精准判断。术者根据患者骨盆CT扫描图像重建骨盆三维模型，采用3-D打印技术制备了一个骨盆模型，并在该模型上进行病情评估和手术练习，最终手术获得成功。临床实践表明，3-D打印技术可有效确定植入物的类型、大小和位置，有利于术者制定最佳手术方案，指导术者开展个体化关节外科手术，使手术更精准，减少了手术时间和术中使用工具数量[5]。
除了指导术者进行精准手术方案的制定外，3-D打印技术还能应用于手术辅助工具和个体化假体制备。Raaijmaakers等[6]应用3-D打印技术制备了一个用于股骨头表面置换的导针定位装置，该装置呈超半球型，与股骨头、股骨颈前表面紧密匹配，在该导向器引导下，可将假体柄精确安装在股骨颈解剖轴上，使以往复杂的定位过程变得简单、假体安装更精确。目前，标准尺寸的骨科植入物能满足大部分患者需求，但少数患者因解剖结构特殊或疾病的特异性往往需要定制个体化植入物。3-D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。王臻等[7]利用股骨髁影像数据资料，应用Surfacer9.0图像处理软件首先设计出膝关节假体三维模型，然后在LPS600快速成型机上制备树脂模型，经硅胶翻模、制作蜡模、成壳、浇铸等过程，最终获得个体化钛合金膝关节假体，成功为1例14岁右股骨下段骨肉瘤术后复发患儿施行保肢手术。He等[8]利用3-D打印技术制备了半膝关节和人工骨模具，分别通过快速铸造和粉末烧结成型技术制备出个体化钛铝合金半膝关节和多孔生物陶瓷人工骨，并将组装后的复合半膝关节假体植入患者体内，术后随访表明该复合半膝关节假体与周围组织、骨骼匹配良好，并且具有足够的机械强度。Benum等[9]应用该技术制备了个体化股骨假体和股骨髓腔导向器，使手术更精准，成功为2例石骨症患者施行人工全髋关节置换术。与标准尺寸的骨科植入物相比，3-D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。
3 3-D打印技术在关节外科领域中的基础研究
3-D打印技术在关节外科临床应用方面体现了强大优势，同时也广泛应用于基础研究。众所周知，组织工程技术在关节外科修复重建领域展示了良好的应用前景，3-D打印技术也被广泛应用于组织工程骨和软骨研究领域。
采用3-D打印技术制备的组织工程支架材料不仅具有与缺损组织相匹配的解剖外形，同时也具有满足细胞黏附、增殖的内部三维多孔结构[10-12]。Lee等[13]应用激光扫描技术获得6月龄兔肱骨近端解剖形态数据并进行三维重建，然后选用聚己内酯和羟基磷灰石混合材料，应用3-D打印技术制备与肱骨近端解剖结构完全一致的骨软骨支架，并在支架的关节面灌注TGF-β3和Ⅰ型胶原，植入兔体内修复肱骨近端缺损。结果显示，术后4个月该支架已再生形成完整的肱骨近端关节面，且再生的软骨与软骨下骨整合良好，力学性能与天然软骨无明显差异。Woodfield等[14]应用聚乙二醇对苯二甲酸酯/聚对苯二甲酸丁二醇酯纤维，采用3-D打印技术制备关节软骨支架，该支架的孔隙形状和孔径均能按计算机设计精确生成，其平衡模量和动态刚度与天然关节软骨非常接近；将该支架接种牛关节软骨细胞后植入裸鼠皮下，动态培养7 d后即有明显的软骨样组织形成。理想的组织工程支架不仅要具备与缺损组织相匹配的解剖外形和满足细胞接种的内部多孔结构，还应具有足够的机械强度。随着新材料的快速发展，3-D打印技术可实现通过改良支架结构特征增强其机械性能。Liu[15]采用包含羟基磷灰石颗粒的水性硅溶胶作为生物陶瓷浆原料，应用3-D打印技术制备具有三维多层中空壳结构的生物陶瓷支架，体外实验表明该支架在满足细胞接种的同时也具有良好的机械强度。Quadrani等[16]和Seitz等[17]也分别应用3-D打印技术构建了具有良好机械强度的生物陶瓷骨组织工程支架。
随着3-D打印技术在组织工程领域的应用，活细胞也作为打印材料的一部分，在制备组织工程支架的同时被一同打印出来。Mironov等[18]首次提出“生物制造”概念，强调细胞是产生和显示生命的基本元素，只有材料和细胞同时打印才能制备出令人满意的组织工程器官。Fedorovich等[19]应用气动分配系统制作加载了两种荧光标记的BMSCs三维水凝胶支架，结果证实细胞活性不受打印机喷嘴直径和打印过程的影响，他们认为该技术可制备包含不同类型细胞的组织工程移植物。Xu等[20]利用静电纺丝和喷墨打印相结合的方法制作组织工程软骨，首先应用静电纺丝技术制备聚己内酯纤维薄膜，然后应用喷墨打印方法将含有兔弹性软骨细胞纤维蛋白和胶原蛋白的水凝胶打印在薄膜表面，循环交替打印5次，最终获得厚1 mm的“三明治”式组织工程软骨。体外培养1周，支架中超过80%的软骨细胞仍保留增殖活性，同时有Ⅱ型胶原蛋白和黏多糖生成。相对于单纯纤维蛋白胶原水凝胶，该技术制备的组织工程软骨机械性能有明显增强，提示利用喷墨打印方法可制备同时具有良好生物学性能和机械属性的组织工程软骨。随着3-D打印技术在组织工程领域的应用，预计在不久的将来，采用该技术可同时打印支架材料、种子细胞和生物因子，制造出更完美的组织工程器官。
4 存在的问题和展望
3-D打印技术在关节外科得到了广泛应用，同时也展示出传统工艺无法比拟的优势，但目前尚存在一些问题需要改进。在个体化假体制造方面，能够满足临床应用的材料仅限于金属、陶瓷和塑料，而胶原蛋白、硫酸软骨素、透明质酸和羟基磷灰石等具有良好生物相容性和安全性的生物材料，尚处于实验室研究阶段。在组织工程骨或软骨支架研究方面，将活细胞和支架材料一同打印是3-D打印技术在关节外科基础研究领域应用的进步性标志，但如何实现细胞在支架内按照预制组织结构进行精准分布、如何构建营养通道血管[21]、如何提高打印组织的机械性能等，都是未来研究方向。随着组织工程学、数字化医学、新材料和新工艺的不断发展，3-D打印技术在关节外科领域将会有更广泛的应用，我们期望能够打印出包含多种细胞成分、血管和神经等多种组织的人工器官--“生物型人工关节”，植入体内后能再生形成自体关节。