骨科趣文:关于3D打印那些事儿
2014/12/20 医学生

     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)。

     在1993年,美国麻省理工学院申请了一种新的3D打印技术,名字就叫做“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。

    

     图1 3D打印模型流程示意图(图片来源:长沙晚报)

    

     图2: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。

    

     图3:3D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。

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