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1、3D3D打印在骨科中应用打印在骨科中应用1 3D打印定义打印定义3D打印(three-dimensional printing)技术是目前骨科领域的研究热点，特别是2014年度国内外均相继报道了系列临床成功应用的典型案例，掀起了一阵“3D骨科热”，引起了临床医生、相关研究人员及企业的极大兴趣与技术追踪。3D打印技术即快速成型(rapid prototyping，RP)技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础、以数字技术材料打印机为载体、采用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。22023/2/193D打印原理打印原理日常生活中使用的普通打印机可以打印电脑设计的平面物
2、品，而所谓的3D打印机与普通打印机工作原理基本相同，只是打印材料不同而已。普通打印机的打印材料是墨水和纸张，而3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”。将打印机与电脑连接后，通过电脑控制可以把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。通俗地说，3D打印机是可以“打印”出真实的3D物体的一种设备，被称之为3D立体打印技术。32023/2/19历史历史3D打印技术出现在20世纪80年代中期，实际上是一种利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型装置。1986年，Charles Hull开发了第一台商业3D印刷机；1993年，麻省理工学院获3D印刷技术专利；2011年8月
3、，南安普敦大学的工程师们开发出世界上第一架3D打印的飞机；2012年1 1月，苏格兰科学家利用人体细胞首次用3D打印机打印出人造肝脏组织。目前，3D打印技术已在工业、建筑、汽车、航空航天、口腔科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。42023/2/19国内外骨科早期采用3D打印技术主要用于等比例骨折实体模型的打印（早期称之为RP技术）。辅助骨折复位、内固定选择、内固定模拟复位、确定螺钉长度及置入角度，实现了真正意义上的治疗方案个体化国内多家单位亦成功开展了3D打印技术在临床的应用，涵盖了创伤骨科、关节外科、脊柱外科、足踝外科、骨病与骨肿瘤等亚专科；手术范围、种类
4、涉及到骨折实体模型打印、复杂骨折辅助复位、内固定及置入物的选择、3D打印导航模板引导钢钉置入、关节置换辅助手术、足畸形矫治、辅助颈椎椎板单开门椎管扩大成形术及病变组织切除后假体植入重建术等。另外，3D打印技术在皮肤、骨、软骨、血管等工程化组织构建和面部、耳、鼻、手等康复体及假肢、支具等，以及实体器官再造（人工肝、肾、心脏等）等领域均有成功的研究成果和临床应用。52023/2/19国内2014年4月，由戴魁戎院士和郝永强教授领衔的团队应用3D打印钛合金假体为1例44岁男性患者成功实施了骨盆软骨肉瘤切除后假体重建手术；2014年5月以来，郭征教授领衔团队在国际上最先成功的将3D打印肩胛骨、锁骨钛合
5、金假体应用于骨肿瘤切除后组织的重建，患者的肢体外形和功能均得到较好恢复；2014年8月刘忠军教授主刀完成世界首例3D打印技术人工定制枢椎作为脊柱外科内置物，重建病变椎体切除后的稳定性。62023/2/193D打印基本流程打印基本流程图像数据获取数据后处理3D打印72023/2/19步骤步骤第 1 步：图像获取，使用最多的是 CT 扫描图像，因为它应用广泛且具有足够的分辨率。第 2 步：图像处理，即从医学影像 PACS 系统（Picture archiving and communication system）提取所需的部分进行后处理，包括计算机辅助设计 CAD（Computer-aided d
6、esign），从而获得需要打印物体的表面信息，得到所需的 DICOM（Digital imaging and communications in medicine）格式的图像。第 3 步：DICOM 转换 STL（Standard Tessellation Language）格式图像。STL 格式是 3D 打印机识别的格式。第 4 步：3D 打印过程。82023/2/19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
7、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。92023/2/19一、初级阶段：打印骨骼模型，辅助手术一、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
8、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。102023/2/193D打印模型流程示意图112023/2/19利用3D打印技术制作的全仿真骨折模型122023/2/19中级阶段：植入物及假体制作，个性化治疗中级阶段：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
9、效果时，则需要个性化定制假体及内植入物。132023/2/19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。142023/2/193D打印技术应用于颈椎间盘突出治疗152023/2/19高级阶段：生物打印，人工器官与人工骨骼高级阶段：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
10、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。162023/2/19实例应用（一）实例应用（一）桡骨头粉碎性骨折患者摔伤右肘关节肿痛、活动受限1小时。查体：右肘部见皮肤挫擦伤痕，局部肿胀明显，压痛，扪及骨擦感，肘关节旋转功能障碍，腕指活动良好，指端血运皮肤感觉可急诊予以右肘部X线片检查，确认患者为右桡骨小头粉碎性骨折，属于复杂的骨折类型。面对这例难度系数较大的手术，如何保证患者患肢功能，缩短手术时间，取得
11、良好治疗效果、降低手术风险？经病例讨论决定，借助3D打印技术来做此复杂的骨折手术，予以桡骨小头置换术。172023/2/19患者入院后予以患肢行薄层CT扫描获取病变部位的二维数据,采用计算机辅助技术行桡骨小头骨折的三维重建解剖学模型,快速成型制作出与实体11大小的肘关节模型，并打印出11大小的肘关节模型，依此对桡骨小头骨折做出明确的诊断、分型，制定手术方案。182023/2/191：1模型术前设计模型术前设计192023/2/19计算机辅助模拟截骨计算机辅助模拟截骨202023/2/19计算机辅助设计桡骨小头假体计算机辅助设计桡骨小头假体212023/2/19计算机辅助模拟置换后的效果计算机辅
12、助模拟置换后的效果222023/2/19术前予以关节面测量，根据肘关节假体数据模拟测量截骨长度，关节面的匹配情况，模拟关节术后假体稳定情况以及肘关节的活动效果，模拟手术指导手术治疗在术中所见与虚拟三维重建图像及快速成型肘关节模型及骨折类型非常相似，术前的模拟手术使手术时间明显缩短,减少了术中失血。232023/2/19术前模型截骨长度测量术前模型截骨长度测量242023/2/19术前模型模拟截骨术前模型模拟截骨252023/2/19术前模型截骨后效果术前模型截骨后效果262023/2/19术前模型截骨后测量术前模型截骨后测量272023/2/19术前桡骨小头模拟置换效果术前桡骨小头模拟置换效果
13、282023/2/19术中截下的骨头术中截下的骨头292023/2/19术中置换完成图片术中置换完成图片302023/2/19术后透视术后透视312023/2/19实例（二）骨盆骨折实例（二）骨盆骨折运用3D打印1:1骨盆骨折模型能全面、直观、精确地显示骨盆骨折部位、以及髋臼的立体形态和各部位解剖结构的空间关系，对于骨盆骨折的诊断、分型及治疗均有很强的临床指导作用，可用于制定手术方案、术前模拟手术，它使骨盆骨折手术更精确、更可靠、更方便。322023/2/19患者摔伤致右髋部、左侧胸部等全身多处疼痛1小时。查体：左侧前胸部见挫伤伤痕，局部稍肿胀，压痛，胸廓挤压征（+），腰肌紧张，腰3.4棘突压
14、痛、叩击痛，腰椎活动受限；骨盆挤压征（+），分离试验（+），左膝见长约4cm及3cm挫裂伤口，深达皮下，污染，伤口渗血，未见肌肉及髌韧带断裂，左手腕、左髋部、左大腿及左膝见挫擦伤痕，局部肿胀，压痛，双下肢肌力5级，感觉正常急诊予以胸部、骨盆X线片、骨盆CT检查，诊断：骨盆骨折：右耻骨上支骨折、右髋臼骨折诊断：骨盆骨折：右耻骨上支骨折、右髋臼骨折讨论决定借助3D打印技术来治疗复杂的骨盆骨折患者，予以骨盆骨折内固定手术332023/2/19术前三维重建骨盆模型术前三维重建骨盆模型342023/2/19352023/2/19术前术前1：1骨盆骨折模拟复位骨盆骨折模拟复位362023/2/19术前根据
15、制定的手术方案预弯钢板术前根据制定的手术方案预弯钢板372023/2/19术前模拟手术内固定效果术前模拟手术内固定效果382023/2/19术中骨盆骨折手术内固定术中骨盆骨折手术内固定392023/2/19实例（三）颈椎肿瘤实例（三）颈椎肿瘤2016年10月17日，北京大学第三医院（以下简称北医三院）骨科主任刘忠军教授收治了一位4节颈椎被恶性肿瘤侵犯的重症患者。刘教授团队给患者实施了全世界首例4节颈椎切除手术，并给患者安装上全世界首个大跨度3D打印人工颈椎。402023/2/19常规应用钛网常规应用钛网+内固定内固定412023/2/193D打印效果打印效果422023/2/19用来替换4节颈
16、椎的3D打印内植物（是不是跟想象中的完全不一样，做成这样是有原因的，后文会告诉你）。该内植物通过两端的接头直接固定在第一节和第六节椎骨上。它的力学强度和与上下椎骨的接触面积，都明显大于传统的钛网。一段时间后，这个具备人体生理曲度的海绵状微孔钛合金3D打印内植物会被新生的骨组织充满（见下图），并被各种软组织包被。432023/2/19动物实验中的3D打印微孔内植物切片显微图，可以看到微孔中已经长满了骨组织442023/2/19Impossible Objects公司：3D打印的PEEK碳纤维复合材料股骨柄植入物452023/2/19清华长庚医院：完成世界首例高位骶骨整块切除并3D打印假体重建术4
17、62023/2/19北京大学第三医院：国内首个获得CFDA批准的金属3D打印椎体植入物手术472023/2/193D打印局限打印局限材料的限制：材料的限制：虽然目前可以实现塑料、某些金属或者陶瓷打印，但打印的材料都是比较昂贵和稀缺的，尚无法支持各种材料、特别是生物材料的打印；材料的力学性能也是目前研究的热点和要点。加快加快3D生物打印研究与开发：生物打印研究与开发：除了研制适合3D打印的生物材料和“墨水”外，还要研究细胞和生长因子与材料复合的最佳浓度；打印时如何达到无菌、无热源、保持细胞生物活性因子的活力、维持组织结构完整性等要求。辅以材料的微米、纳米技术；可根据需要设定特定的孔隙率、交联；显
18、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，有助于缩短患者的恢复期，有利于节省患者的医疗成本。482023/2/193D打印局限打印局限个性化定制治疗与规模化制造、群体治疗相兼顾研究：个性化定制治疗与规模化制造、群体治疗相兼顾研究：目前3D打印只是适合一些小规模制造，尤其为高端的定制化产品；3D打印尚无法应用于大量生产，这与临床的通用化治疗显然不相适宜，如何兼顾二者进行研究应该是一个方向。知识产权的保护：知识产权的保护：采用3D打印技术几乎可以复制所有的医疗器械，如何保护知识产权、避免产权纠纷，也是我们面临的问题之一，有待政府部门制定相应的政策法
19、规或指导原则。标准的制定：标准的制定：作为一种新型产品、作为一项临床新技术，无论个体化定制或规模化制造，都需要严格的技术标准和产品质量控制，这方面国际上均是空白。492023/2/193D打印技术在骨科的应用前景打印技术在骨科的应用前景3D打印技术在骨科的产业方向主要有2个，一个是快速成型，一个是快速制造。快速成型:目前的3D打印技术，主要应用在快速成型方面，如制作模型、制作导板、制作匹配的骨替代物等都属于快速成型。然而快速制造实现了生产线式的制做，3D打印有望在人工假体、手术器械、骨移植物等实现快速制造。同时具有生物活性人工替代骨组织的制造方面也将发生巨大的进步。502023/2/19随着电脑技术及材料技术的不断进步，3D打印技术应用的价格变的越来越低，并且媒体的推广也不断为人们所认识，越来越多的人接受3D打印技术。在骨科领域中具有生命特征的活性人造骨骼的3D打印发展主要依赖于生物材料、干细胞、组织培养等多学科的科技突破，将替代坏死、缺损的骨组织部分的具有生物活性人工骨组织直接打印出来，这项技术突破已经不是遥不可及的了。512023/2/19522023/2/19