三維圖像快速的轉化為實物模型，可應用于術前診斷、模擬手術、術中導航、定制植入物，從而優(yōu)化術前設計，提高手術精確度，降低術后并發(fā)癥。現就3D數字打印技術在創(chuàng)傷骨科中臨床應用現狀、解剖模型打印、手術器械設計以及內植入定制進行綜述。

　　一、3D數字打印技術在創(chuàng)傷骨科的臨床應用現狀

　　3D打印技術出現于20世紀90年代中期，是利用光固化和紙層疊等技術的快速成型裝置，借助于計算機輔助設計，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，把"打印材料"通過連續(xù)的物理層疊加來生成三維實體的技術[1]?？梢愿鶕嬎銠C設計的模型，實現對三維實體的控制，再通過3D打印創(chuàng)建復雜的三維實體。目前有3種逐層疊加材料的方法：(1)熔融沉積成型法(fused deposition modeling, FDM)，這種工藝是通過將絲狀材料如熱塑性塑料、蠟或金屬的熔絲從加熱的噴嘴擠出，按照零件每一層的預定軌跡，以固定的速率進行熔體沉積。(2)選擇性激光燒結(selective laser sintering，SLS)，是采用紅外激光器作能源，使用的造型材料多為粉末材料，如尼龍、金屬鈦或不銹鋼，加工時首先將粉末預熱到稍低于其熔點的溫度，將粉末鋪平，激光束在計算機控制下根據分層截面信息進行有選擇地燒結，一層完成后再進行下一層燒結，全部燒結完后去掉多余的粉末。(3)光固化(stereolithography，SLA)，指通過光能源掃描光固化樹脂，在液體表面固化特定的區(qū)域，固化后底板下降，在其頂部繼續(xù)進行選擇性固化，進行一層一層的疊加來形成實物。近期出現的FDM技術的3D打印較為經濟和快速，通過打印患者骨折部位模型，有助于骨科醫(yī)生了解骨折部位的解剖結構，但因其缺乏通用性、可靠性和材料的限制，導致使用受到限制[2]。相比之下，SLS和SLA打印機能夠產生更準確和可靠的模型，它們能夠更好地控制層與層之間的每個微小步驟，而且它們打印的材料能承受標準的滅菌程序，但FDM打印機使用的材料的熔點通常較低。SLS打印機能夠使用高性能材料制造出更準確和可靠的模型，如鈦、不銹鋼或金屬合金，這些模型通過稍微的加工處理，并且滅菌后可直接用于患者體內，可作為個體定制的內植物[3]。SLA打印機使用光固化樹脂材料能生產高精度模型，這些模型非常適用于進行術前模擬和規(guī)劃，而不是進行體內植入。盡管SLS和SLA打印機在創(chuàng)傷骨科的應用是一個發(fā)展趨勢，但是在使用這些復雜的設備需要具有一定的技術知識和培訓。

　　隨著醫(yī)學影像學的發(fā)展，多排螺旋CT和MRI在臨床診斷和治療中起到重要作用，但影像學資料始終只能在平面上展示，缺乏立體感。通過3D打印技術，術前采集患者三維CT平掃數據，經過mimics、CAD等計算機軟件處理后，將三維數字化模型數據傳入3D打印機。打印機通過讀取文件中的橫截面信息，用液體狀、粉狀或片狀的材料利用激光束或熱熔噴嘴等方式，在平面方向X－Y方向黏結成截面形狀，然后在Z坐標方向將各層截面進行逐層疊加，黏合起來從而制造出一個三維實體[4]。3D打印可以在很大程度上提高制作的效率和精密程度，術前打印出1∶1三維實體，有助于術前準確了解硬組織的細微解剖結構及病變與周圍結構的關系，提示截骨線、骨塊移動的位置信息等，起到指導手術的作用[5]。

　　二、3D數字打印技術應用于創(chuàng)傷骨科的解剖模型打印

　　1．術前規(guī)劃：

　　傳統(tǒng)進行術前診斷和治療時，通過借助骨折部位的影像學表現，如X線片、CT及MRI圖像，來推測骨折的類型、移位方向等信息，雖然三維CT能夠形成立體的圖像，但還是在平面上展示，無法形成直觀的立體結構，需要醫(yī)生的空間想象能力去揣測真實的情況。而3D打印技術的出現，使骨科醫(yī)師對術前進行推斷和預測的方式發(fā)生重大改變。通過3D打印技術快速準確的制造真實的立體模型，可以讓外科醫(yī)生準確熟悉真實的解剖結構[6]，從而減少實際的手術時間及手術創(chuàng)傷，使患者獲益。Zeng等[7]對骨盆骨折的患者，通過3D打印技術打印出患者骨盆模型，對模型進行模擬復位，對內固定鋼板預彎、螺釘數據測量等，可以明顯的縮短了實際手術時間，由于術前已經進行手術模擬，采用腹直肌旁微創(chuàng)切口進行骨折復位和內固定植入，具有手術創(chuàng)傷小、切口小、出血少、術后疼痛輕、術中暴露好、骨折復位好、可早期下地功能鍛煉等優(yōu)點。一項前瞻性研究，對十例髖臼骨折的患者進行CT三維掃描，在計算機中得到三維模型，通過虛擬手術進行骨折復位和內固定預彎，術后CT檢查提示術前模擬與實際手術的復位和內固定的預彎相符，預彎的內固定在手術時無需進一步彎曲或調整，從而提高了醫(yī)生的術前規(guī)劃能力和實際手術效果[8]。

　　通過3D打印技術打印出骨折部位的立體模型，能使骨科醫(yī)生在術前進行準確的診斷和分型，通過模型進行模擬骨折復位和內固定的選擇，提前進行內固定的預彎和螺釘長度和入釘角度的設計等，并且可以進行不同治療方案的反復模擬，來選擇最合適的手術方案[9,10]，能有效的節(jié)省實際手術時間，術中出血等，提高手術的安全性。

　　2．教學和培訓：

　　3D打印出的模型也可以用于教學和培訓住院醫(yī)師。目前已被用于打印比真實尺寸大4倍的馬蹄內翻足模型進行教學[11]。打印的模型不僅可以讓住院醫(yī)師對復雜的解剖結構進行學習和操作訓練，也可以幫助患者及家屬理解病情狀況，有利于醫(yī)生和患者進行溝通。Hurson等[12]利用3D打印技術打印了20例髖臼骨折的模型，對比年輕醫(yī)生用傳統(tǒng)的影像學資料和打印的模型對骨折進行分型診斷，發(fā)現對于年輕醫(yī)生來說，三維模型更容易進行骨折的準確分型。3D打印模型也被用來作為一種工具，來輔助患者及家屬了解病情，這可能對病人的滿意度有積極的影響，而且這些模型可以給予保存來建立一個資料或病例庫，有良好的教育目的[13]。在臨床上遇到比較典型的或復雜的骨折類型，可以進行打印保存，有利于年輕醫(yī)生進行解剖結構的學習以及手術模擬操作。由于3D打印模型是由單一材料打印的，存在一定的局限性，無法充分模擬軟組織。然而，近年來使用多材料的3D打印能夠模擬皮膚、骨、軟組織等，可以克服這方面的局限[14]。

　　三、3D數字打印技術應用于創(chuàng)傷骨科的輔助器械設計

　　1．導航模板的設計：

　　應用3D打印技術獲得患者的骨折模型，運用計算機進行模擬骨折復位，并計算螺釘進針點及方向，根據進針點和方向，使用計算機逆向工程設計出導航模板，可以與患者骨骼進行匹配定位，確定進針點和方向，可以提高植入物的準確性和安全性，傳統(tǒng)方法是在術中進行X線定位需反復確認，導致手術時間延長和射線暴露增加等缺點[15,16]。Wu等[17]通過對比胸腰椎骨折脫位患者分別采用傳統(tǒng)透視下椎弓根螺釘內固定術和3D打印模棒及椎弓根螺釘導航模板輔助內固定手術，術后試驗組椎體矢狀曲度恢復率優(yōu)于對照組，試驗組螺釘一次性植釘準確數、最終植釘準確數及矢狀面螺釘植入角均優(yōu)于對照組，認為在胸腰椎骨折脫位手術中，應用3D打印個體化矢狀曲度模棒及椎弓根螺釘導航模板輔助手術，具有手術時間短、術中出血少、骨折和脫位恢復更好等優(yōu)點。在股骨近端或遠端骨折中，運用3D打印技術打印患者骨折模型，進行模擬復位后設計出帶釘道的模板，用于術中導航接骨板、螺釘的植入，術中證明導航模板與相對應的股骨遠端骨性結構貼合緊密，嵌合度良好，接骨板及螺釘位置準確率較高[18,19]。一些復雜的關節(jié)周圍骨折要求解剖復位，術中主要依賴手術醫(yī)生的手術技巧和多年經驗，手術創(chuàng)傷較大、手術時間長、復位困難等，而且螺釘植入方向和長度也較難掌控。Huang等[20]對復雜的脛骨平臺骨折的患者，使用3D打印打印出骨折模型和內植物模型，在3D打印模型上按照數字化設計內固定方案進行模擬手術，發(fā)現3D打印模型模擬手術的手術效果與內固定數字化設計方案的手術效果一致，二者螺釘長度無明顯差異，認為3D打印打印技術結合數字化設計能有效的提高復雜脛骨平臺骨折內固定植入效果。鎖骨中段明顯移位的骨折進行切開復位內固定是標準手術方法，但是對于明顯移位的粉碎性鎖骨中斷骨折，很難達到解剖復位，Kim等[21]描述一種應用3D打印技術協助治療粉碎性鎖骨骨折，通過三維CT掃描患者健側的鎖骨模型，使用鏡像技術來模擬患側1∶1鎖骨模型，用該模型進行內固定和螺釘的選擇，通過小切口完成手術，取得良好的效果。

　　2．外固定支架的設計：

　　利用外固定支架治療長骨骨折具有一定優(yōu)勢，對骨折區(qū)軟組織損傷小、抗旋轉剪切力等，能為骨折愈合提供良好的力學環(huán)境[22]。但傳統(tǒng)的外固定支架操作較復雜，且需要反復進行X線檢查，對骨折復位的旋轉移位或側方移位難以把控，主要依賴于醫(yī)生的經驗，且反復的X線透視，會增加手術時間和射線暴露。Qiao等[23,24]通過對脛骨骨折的患者進行三維CT掃描，在計算機中重建患者骨折模型，利用計算機進行虛擬復位后，設計外固定支架的進針點和結構，通過3D打印技術打印出外固定支架模型，手術時在預先設計好的進針點打入螺釘，通過螺釘與外固定支架上的預留引導孔進行連接，間接的進行骨折復位，這種方法操作簡單，能更好的進行精準復位，對醫(yī)生的經驗要求不高，操作時間短，可避免大量X射線輻射，且具有個化治療的優(yōu)勢。

　　在創(chuàng)傷骨科中，使用外固定支具固定骨折區(qū)的治療或術后康復是最基本的。傳統(tǒng)的外固定方法是使用小夾板、石膏、泡沫支具等，具有固定不牢靠、笨重、貼合性差、壓瘡等缺點，不利于長時間固定。有一些學者通過掃描患者骨折區(qū)的模型，包括皮膚及軟組織，使用計算機根據模型的外輪廓設計出符合患者個體的多孔外固定支具，通過3D打印技術進行打印，可具有固定牢靠、貼合性好、輕便、通風、易于清洗等優(yōu)勢。

　　四、3D數字打印技術應用于創(chuàng)傷骨科的內置物定制

　　1．定制內固定：

　　3D打印能夠使用可植入材料打印內固定用于骨折固定。對于一些先天性骨發(fā)育不良的患者，解剖結構較復雜區(qū)域的骨折，可能導致現有的內固定器械與患者骨折部位無法有效的貼合，需要術中對內固定器械進行反復塑型，而且患者的個體差異是多變的，然而接骨板的型號是相對固定的，因而可能導致接骨板達不到很好的固定作用。3D打印利用計算機輔助設計，根據患者自身的解剖特點打印出個性化內固定，使得內固定形狀與患者骨骼更精準、更貼合，從而避免了在術中需要進一步對內固定進行折彎塑型等[25]。Shuang等[26]通過比較傳統(tǒng)鋼板和3D打印鋼板在治療肱骨髁間骨折中，手術時間和關節(jié)功能方面進行對比，發(fā)現3D打印組在關節(jié)功能恢復方面稍優(yōu)于傳統(tǒng)組，但3D打印組在手術時間上明顯短于傳統(tǒng)組，認為定制的3D打印接骨板是安全有效的，并且能明顯縮短手術時間。

　　2．修復缺損：

　　骨缺損可以是先天性或后天性的，創(chuàng)傷、感染、腫瘤或失敗的關節(jié)置換術均可導致骨缺損，然而骨缺損的重建是具有挑戰(zhàn)性的。目前尚沒有一種令人滿意的骨缺損修復技術。骨組織工程(bone tissue engineering)較傳統(tǒng)的骨缺損治療手段屬于理想的處理方案，然而目前的骨組織工程技術較復雜。3D打印技術的引入，可以克服大多數的骨移植和骨組織工程的局限性，到目前為止，在骨缺損的管理方面是非常有前途的[27]。在矯形外科手術中，"虛擬"的鼻子可以試用于患者數字模型的臉上[28]。通過計算機進行設計和處理后，形成完美和精準的形狀，就可以應用3D打印技術打印出模型并安裝到患者體內。目前，已有3D打印技術用于生產種植的鼻假體[29]。對于骨盆惡性腫瘤的患者，手術切除是主要的治療手段，但切除后會導致大量的骨缺損，導致骨盆環(huán)不穩(wěn)等。Sun等[30]通過對骨盆惡性腫瘤的患者行3D打印技術重建骨盆結構，明確手術切除方法、范圍、大小等，對缺損部位設計出適合患者自身半骨盆假體，通過3D打印技術打印出假體，術中切除腫瘤后重建患者骨盆環(huán)結構，在達到穩(wěn)定固定的前提下修復大量的骨缺損。戴尅戎等[31]早在2005年就已經使用計算機輔助3D打印技術設計出人工半骨盆并在臨床中進行應用。

　　近期使用3D打印技術打印一種多孔的支架，可供細胞的浸入、生長、分化等，可用于植入體內，修復缺損。Wang等[32]使用3D打印技術設計一種海綿狀的無機聚合物、生物硅和多聚磷酸鹽作為支架，允許間充質多能干細胞在其中進行分化，在成骨結果方面顯示出令人滿意的結果。類似的研究也顯示出不錯的成果，Ciocca等[29]認為打印定制的支架來填補缺陷，能完美修復因病理性或醫(yī)源性造成的骨缺陷。在創(chuàng)傷骨科中不僅存在骨缺損，還有可能存在軟組織缺損。使用3D打印技術設計出軟組織植入物往往涉支架、細胞和再生醫(yī)學的應用，這一直是重塑和重建手術的追求，但它仍然處于起步階段[33]。打印的生物支架可以允許細胞和分子滲透到它的結構當中，最終形成"復合和耐用"的生物組織[34]。在不久的將來能應用于軟組織缺損的修復，例如肌肉、關節(jié)軟骨、韌帶等。

　　五、3D數字打印技術在創(chuàng)傷骨科臨床應用的國內現狀和局限性

　　在創(chuàng)傷骨科中有一部分需要急診手術，術前無法在短時間內完成CT/MRI三維掃描進行打印，從而限制了3D打印在急診患者手術中的應用。3D打印導航模板定位時需要與骨性結構完美貼合，這就導致術中軟組織剝離過多，而且導航模板的消毒因材料的特性而受到限制，在術中操作時可能會產生粉末而殘留在體內，而對人體產生危害，國內由于受到經濟成本的限制，以及導航模板的設計和打印時間較長，目前應用不多。3D打印材料多種多樣，但是對于需要植入體內的材料要求較高，仍需要進一步的開發(fā)出適應骨科所需的材料?；?D打印的患者定制化截骨導板、骨科植入物等已經獲得歐盟認證(European conformity，CE)與美國食品和藥物管理局(Food and Drug Administration，FDA)批準[35]，而我國被用于臨床的3D打印內植物尚缺乏完善的法律法規(guī)，多數應用處于初級、試驗性的臨床階段，需要完善相關法律法規(guī)。目前FDM型3D打印設備成本稍低，但由于精準度不高，限制了其應用，但精準度較高的SLA型3D打印設備成本較貴，且相關的CAD建模軟件、切片軟件、逆向工程軟件操作復雜，需要經過系統(tǒng)的數字打印技術及相關軟件技術的培訓，才能勝任打印工作，復雜的技術和材料問題甚至需要多學科多領域的合作，因此，3D打印技術目前僅在我國發(fā)達地區(qū)或大型醫(yī)療中心開展，尚難以普及。

　　雖然目前3D打印技術在創(chuàng)傷骨科中臨床應用仍處于起步階段，但3D打印技術通過全新的方式去解決目前創(chuàng)傷骨科手術的微創(chuàng)化、精準化、個體化難題，改變現有的手術模式，將具有很大的潛力，不久可能會打印出具有生物活性的組織，未來可以實現整個器官的打印，用于修復創(chuàng)傷所帶來的缺損。綜上述，隨著3D打印技術的普及和進一步的開發(fā)，將大力促進創(chuàng)傷骨科的發(fā)展。