發布日期：2022-10-09 點擊率：50
摘 要
3D打印技術應用于足踝外科領域具有快速、個體化、直觀、可操作性強等優點。應用3D打印技術制作的足踝矯形器能實現個體化治療，并縮短制作時間；術前制備骨骼3D打印模型和導向模型可減少手術難度和術中透視次數，增強手術精確性；術前應用3D打印技術制備個體化骨片和假體，可實現較好的匹配。該文就3D打印技術在足踝外科的應用價值作一綜述。
足踝部具有骨骼及關節數量多、形態復雜、體積小等特點，故該部位的創傷診治一直是骨科領域的難點之一。隨著計算機技術的飛速發展，3D打印技術應運而生。借助于3D打印技術快速、個體化的優勢，一些足踝部位研究難點得以突破。本文就3D打印技術在足踝外科領域的應用現狀作一綜述。
1.3D打印技術概述
廣義的3D打印技術又稱快速成型技術，是一種以數字模型為基礎，在計算機控制下以逐層打印的方式構造物體的技術。利用此技術可構造出任意幾何形狀的物體。自Hull等在1986年制造了第一臺3D打印機以來，此項技術已經過30年的發展。進入21世紀后，由于計算機技術的迅速升級，3D打印機的效率、性能取得了長足的進步，其產量、銷量飛速上漲，價格逐年降低，甚至出現了僅具有基本的家用3D打印機。如今越來越多功能強大的新式3D打印技術也在不斷涌現，這些新型3D打印機可打印更多不同材料、不同需求的物品。3D打印技術的發展使3D打印機的應用越來越廣泛，各行業都開始挖掘3D打印機在本領域的應用價值。
2.3D打印的步驟與方法
3D打印主要分為3個步驟。第一步是在計算機上進行3D設計,即先建立3D模型，再將3D模型進行分區或切片，使之能夠被3D打印機識別;第二步由打印機完成，即讀取3D模型的分區或切片數據并打印，然后將這些分區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體進行再加工，使之更符合實際需求，從而完成整個打印過程。在臨床醫學領域，現代影像學技術如多排螺旋CT及MRI等檢查可以為3D打印提供制作模型的形態學參數。隨著臨床上這些檢查在的逐步常規化，3D打印在醫學領域也開始有了應用的空間。
目前應用在醫學方面的3D打印技術主要有選擇性激光燒結、熔融沉積造型、多噴嘴成型技術和立體印刷術等四種。選擇性激光燒結技術是指用激光束在熱塑性薄片上進行選擇性切割，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，形成3D模型。該技術制造出的模型有幾何精度高的優點，而其劣勢;但是，高昂的成本和粗糙的表面，使之實用性較低。熔融沉積造型技術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，各解剖結構可分別用不同顏色、類型的材料制成以示區分。所制模型幾何精度及表面質量較高，但耗時較長，制成模型耗時可達24小時。作為最早出現的3D打印技術，立體印刷術在醫學領域仍較為常用。它的原理是讓需要成型的液態光敏樹脂在激光作用下選擇性地發生聚合反應，硬化后層疊制成模型。制成的模型具有可消毒、幾何精度高、表面質量高、細節等級高等優點，其細節等級和表面質量超越熔融沉積造型技術，但也有耗時長的缺點。多噴嘴成型技術被稱為狹義的3D打印技術，打印方式類似于一臺普通的噴墨打印機，即將粉末狀的材料逐層噴涂，最終形成模型成品。這種打印方法缺點較多，但其耗時較少且材料成本較低。若采用最新技術制成成品時間可壓縮至4h內，且仍有縮短的空間。
3.3D打印技術在足踝外科中的應用
3.1個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動的裝置，可用于固定關節炎、骨折損傷部位和糾正足踝部畸形。批量生產的矯形器型號有限，無法提供個體化的服務以實現最佳矯形效果。定制的足踝矯形器雖解決了上述問題，但其制作耗時長且對工藝技巧要求高。3D打印的足踝矯形器應用逆向工程和快速成形技術，在大幅降低個體化足踝矯形器制作難度、縮短制作時間的同時，可實現與定制的足踝矯形器相同，甚至更佳的效果。Faustini等利用激光燒結技術制作出的足踝矯形器具有個性化的形狀和功能，且在抗壓力和抗扭力等方面表現良好。Mavroidis等通過激光掃描收集患者個體化數據，利用3D打印技術制作模型，得到的成品與傳統的聚丙烯矯形器伸展性、彈性、抗彎、抗壓等均相近。Creylman等應用激光燒結技術為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，結果步行實驗顯示這些足踝矯形器表現良好，其在跨步距離、跨步時間、起步時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間(僅需1d)卻遠短于定制足踝矯形器。目前應用3D打印制作的足踝矯形器在各種測試和實驗中均表現良好，投入臨床應用前景可期。
3.2足部骨骼模型的制備
足踝部骨骼多、形態復雜，對該部位進行手術需術者具有扎實的解剖知識、較強的空間想象能力、豐富的臨床經驗和完善的術前設計。即使具備上述條件，患者個體化差異仍可導致手術難度增大和操作時間增加。在術前制備足踝部骨骼3D打印模型，可提供逼真的模擬手術環境，幫助術者對手術部位進行全面觀察和了解。此外，足踝部骨骼3D打印模型還可用于術前預復位、術中鋼板螺釘置入及內固定模擬，并可對鋼板進行預塑型，從而進一步調整手術方案，確定更合理、個體化的內固定物置放位置和角度，以期實現更佳的手術效果，并縮短術中操作時間。
Kacl等將30例跟骨關節內骨折足踝部骨骼3D打印模型與普通2D、3D重建圖像進行對比，發現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，認為與數字化虛擬模型相比，3D打印模型具有更強的可操作性，故在手術設計方面更為實用。Giovinco等介紹了采用3D打印技術輔助治療Charcot足，即采用普通的3D打印機制作數個廉價的患足骨骼模型，術者通過模擬手術有效降低了Charcot足晚期手術難度，提高了手術效率，從而減少手術風險，提高手術成功率。Bagaria等采用3D打印技術制作了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;據此設計的手術獲得成功，患者術后恢復良好，2年后骨折完全愈合。Chung等報道了1例3D打印模型用于單側關節內跟骨骨折手術，即先掃描了雙側跟骨的CT圖像，再應用鏡像技術，將健側跟骨打印成與患側跟骨相同大小的模型，術前利用該模型及影像學資料設計鋼板位置、釘道等，使內固定物既能穩定固定，又能以較小的切口置入，并對鋼板進行預塑型，使其能更好貼合骨面;術中直視下及X線透視下將模型與骨折處進行對比，以此為依據進行復位、植骨及固定，最終手術獲得成功。章瑩等研究計算機快速成型技術輔助個體化治療三踝骨折的效果，并與常規手術進行比較，發現雖然兩者手術切開暴露時間并無差異，但前者復位與固定時間較短，手術療效優良率也較高。金丹等應過逆向工程方法及三維重建技術制備了用于下脛腓聯合分離固定中的導航模板，制備出的導向模板具有較好的匹配性，在下脛腓聯合分離內固定臨床初步應用中顯示了良好的效果。骨骼3D打印模型及導向模板有助于骨折復位、鋼板預彎、內固定物置放位置及角度確定、截骨矯形術設計等，因其能減少手術難度、增加手術準確性、減少術中X線透視使用次數，在臨床上具有較為樂觀的應用前景。
3.3植入物的個性化設計
足踝部損傷常會造成骨骼缺損，此時需進行適當的植骨以重塑其結構完整性。但由于足踝部骨骼結構復雜，骨骼缺損呈不規則狀，因此對植入物塑形常在術中耗費大量時間。利用足踝部骨骼3D打印模型，可在術前即應用3D打印技術制備個體化骨片和假體，不但較傳統方式節省手術時間，還能實現更好的匹配。由于技術限制，使用3D打印機直接打印鈦合金鋼板或螺釘尚處于試驗階段，目前3D打印技術主要用于預處理鋼板，經3D打印技術處理的鋼板較傳統鋼板更能個體化地適應患者骨骼情況，從而達到更佳的療效。Cooke等將可降解的生物材料應用在3D打印中，成功制造出了符合要求的骨片。Leukers等應用3D打印技術打印羥基磷灰石支架并在其上培養干細胞，使這些支架成為類似人體骨骼的結構。3D打印技術可構造出任意形狀的物體，因此其在足踝外科中的應用價值值得進一步研究。
4.總結及展望
應用3D打印技術制作的足踝矯形器不僅能實現個體化治療，還能減少人工成本和時間成本。對復雜的足踝外科手術，3D打印模型和導向模板不僅能減少手術難度、減少術中透視次數，更能增強手術精確性。此外，3D打印技術也可應用于制造個體化植入物，隨著3D打印模型表面處理和幾何精確度等技術的進步，3D打印技術在直接打印植入物方面有巨大的發展空間。然而，目前3D 打印技術仍存在一定的不足。首先，雖然隨著技術的進步，3D打印模型的成本逐年穩步下降，但仍相對稍高;其次，3D打印耗時仍過長，較難應用于急診手術;最后，3D打印技術的應用仍處于試驗階段，其應用范圍需更多的探索，實際療效需臨床研究驗證。若3D打印技術能不斷改進及繼續發展，其在足踝外科的應用前景將十分廣闊。
參考文獻(略)
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