3D打印技術應用于關節置換術的現狀及問題對策探討
魔猴君 行業資訊 2067天前
關節置換術為臨床中常用的治療關節功能障礙方式之一，可恢復關節形態、功能。隨著對關節解剖及關節生物力學的深入研究，傳統關節假體材料的選擇、設計、性能及遠期療效得到明顯改善，患者術后效果較好，不良反應發生風險明顯下降。目前臨床中關節置換手術計劃制訂多是基于傳統影像學資料，難以全面、準確地反映病變關節信息，尤其是截骨角度的把握，多依賴手術者的熟練度及個人經驗，另外，假體型號也存在與患者實際解剖結構不匹配的問題，影響患者后續關節功能恢復。3D打印技術具有精確、個性化的特點，其利用計算機輔助設計，在醫療領域尤其是人工關節假體的制造方面的應用不斷拓展。因此，如何能夠使3D打印技術更好地應用于關節置換術，在提高治療效果的同時，減少不良反應發生，造福人類，成為臨床面臨的新挑戰。本文對此進行探討。
3D打印技術研究現狀
3D打印技術可通過制作出適配性高、組織相容性較好的內植入物，應用于硬組織缺損修復。國內外已有報道，早期已將3D打印技術應用于口腔頜面部手術中，目前臨床中已逐漸將3D打印技術應用于關節置換領域，提高手術效果。3D打印技術的實現，需要多學科尖端技術合作，其中影像技術是模型構建的基礎。近年來，隨著影像學技術的不斷發展，高分辨率CT、MRI，不僅可以快速采集、傳輸圖像，同時可將數據轉變為三維圖像，為臨床診療提供便利，同時也為3D打印技術奠定基礎。
在醫學領域中，如何制備生物相容性高的骨性支架一直是研究熱點課題之一，而3D打印技術通過篩選原料，制備與機體具有較高生物相容性的材料，以作為細胞生長載體，降低排斥反應，從而發揮生物學作用。在關節置換領域中，利用3D打印技術制造出骨組織工程支架，有利于細胞遷移、增殖與分化，為骨組織修復提供良好的環境。Inzana等利用3D打印技術制作出網狀骨組織工程支架，應用于小鼠股骨缺損模型中，發現能夠獲得較理想的機械性能、生物相容性及可降解性，同時具有引導成骨作用。但臨床應用過程中，因3D打印技術受限于材料及打印設備，其各種模型、內植物還未能達到完美，僅在臨床應用中處于探索及起步階段，今后也面臨著各種力學及生物學方面的難題，但是3D打印技術展現出的魅力是巨大的，尤其是在骨科臨床應用中，已日漸廣泛。
3D打印技術在關節置換術中的應用
1、術前規劃
目前，臨床醫師在術前多憑借患者臨床癥狀及影像學資料評估病情及了解關節周圍組織情況。但臨床發現，多數患者病史較長，伴有不同程度關節軟骨變性、壞死，存在解剖畸形；另外重度髖臼發育不良患者在脫位股骨頭伴有病理性假臼，在術中難以區分真臼、假臼，進而增大手術難度。3D打印技術通過整合術前X線、CT及MRI等影像學資料，采用建模軟件處理及加工，構建出病變部位的三維數字模型，使用特定的打印材料，打印出與實體器官相同的模型，多角度觀察待置換關節，全面評估病情，制訂手術計劃，避免術中損傷重要組織，有效解決精準度要求高、相對復雜的骨科手術在術中可能遇到的難題。Xu等基于患者的CT掃描制作出骨盆實物模型，應用于髖臼假體放置的手術演練，對理解骨盆結構、評估髖臼擴孔程度及確定髖臼型號具有重要意義。Won等將21例嚴重髖關節畸形患者影像學檢查資料與快速成型技術結合，制備出骨盆模型，進行模擬手術，入組患者均完成人工全髖關節置換術，末次隨訪行影像學檢查，發現假體周圍無任何磨損或骨溶解。Wong等發現在骨盆腫瘤患者中，利用3D打印技術進行術前評估及生物力學測試，結果顯示術中可有效避免不必要的截骨及神經血管的損傷。
人工假體及內植物的個體化制造個性化、精準化、微創化是現代骨科發展的一個重要方向，目的是修復骨結構、維持生物穩定性、恢復運動功能。目前臨床中使用的內植物、人工假體是依據大樣本解剖數據進行的均一化設計，但每個患者的病情程度及病變范圍都有不同，導致假體的大小、型號通常不能完全匹配，給術中假體的選擇造成一定困難。因而依據患者個體具體情況定制內植物或人工假體，可提高治療效果及預后。目前骨科大量研究集中于髖關節、膝關節、骨盆的個性化，但多數為研究階段，僅有少數開始應用于臨床。
3D打印技術在關節置換術應用的問題
科學技術的進步總是伴隨著相應的弊端，3D打印技術也是如此，但隨著技術的不斷發展，3D打印技術也會逐漸完善，應用于臨床骨科疾病治療中，不僅可提高治療效果，同時對改善患者預后具有一定促進意義。但是這些應用同樣存在問題，主要集中于以下幾方面。
材料研發 骨科內植物主要用于治療各種骨折、骨缺損及關節功能障礙等，其中應用最為廣泛的內植物多為金屬材質，而金屬本身具有不可吸收、長期存留、應力遮擋、生物電離反應等問題，尋找一種與人體骨組織理化性質相近的材料來制造內植物就成為當下研究重點之一。羥基磷灰石、碳酸鈣等無機非金屬材質為制備組織工程骨的良好材料，但是傳統制備技術無法制作出機械強度、生物力學以及微觀結構都能達到理想要求的組織工程骨，導致組織工程骨的臨床效果得到大幅度降低。3D打印技術為組織工程骨支架的制造提供了更好的方法，利用羥基磷灰石及碳酸鈣等為原料，打印出組織工程骨支架。
目前3D打印材料不斷增多，其中醫用原料包括膠原、殼聚糖等，聚乳糖、聚醚醚酮等高分子原料，羥基磷灰石等具有生物活性原料，鈦合金等金屬原料。雖然應用原料多樣，但是醫學對于3D打印材料的要求較高，可選擇的材料微乎其微，因此，醫學打印材料的發展是影響3D打印技術在醫學領域發展的主要因素。目前臨床骨科領域所使用的金屬材料雖然耐磨性較好，但3D打印機無法進行冷卻處理，而高分子材料仍然處于試驗階段，尚未應用于臨床。
配套應用軟件的開發 臨床影像學技術的不斷發展，掃描圖像的清晰度提高，利用影像學數據生成CAD/CAM文件，直接應用于3D打印。若要完成3D打印，需要具有配套的應用軟件，但發現3D打印設備并未與這些軟件無縫對接，造成3D打印成品與實際不符，從而出現模型模擬的情況與實際手術操作不相符。張鷹等發現3D打印技術能夠有效縮短膝關節置換手術時間，對手術具有較好指導意義，但是結果發現采用3D打印技術輔助制訂手術計劃時，發現有2例患者模型與實際情況不符，需術中重新選擇型號。
制作周期長
3D打印技術被稱為快速成形技術，但是在臨床應用過程中需先獲取患者CT、MRI等影像學資料，再經過數據處理，圖像重建，最終獲得3D打印產品，這個周期往往需要2～3d，因此需延長關節置換手術患者住院時間。
成本問題
3D打印產品價格較高，與技術壟斷、人工假體及植入物對打印材料及制作環境要求較高等原因密切相關。另外依據所使用的技術及材料的不同，也會導致價格相差較大，因而限制了3D打印技術在醫學領域中的應用范圍。因而，如何降低3D打印技術成本，成為研究重點之一。臨床應用受法律法規的制約 目前國外已有將3D打印產品應用于臨床的報道，但是例數較少，而我國3D打印技術仍主要集中于實驗研究中，因臨床應用風險較高，尚未應用于臨床中，同時相關的法律法規尚不完善，不易推廣使用。
新的隱患臨床發現，部分術者為了能夠發揮模型的作用，將消毒后的模型帶入手術室，指導術中操作，但是3D打印產品為高分子材料，無法進行高溫消毒，可能增加術中發生感染風險。
解決策略
任何一種新型技術在其發展過程中都面臨機遇與挑戰，3D打印技術雖具有技術先進、應用廣泛的優勢，但3D打印技術的材料研發較為落后，配套軟件開發不足，精度、速度及效率仍然較低，成本較高，模型與實物存在偏差等，使其發展仍受限制。如何解決這些不足，筆者認為需注意以下幾點。
加強多部門合作由于打印機工作原理的限制，導致打印精度與速度之間存在嚴重沖突，且在3D生物打印技術中，牽涉的技術較多，需要多學科、多部門進行合作。加強醫院與廠家的合作，由廠家出設備，醫院出設計圖形，得到3D打印產品供臨床使用；同時加強專業人才培訓，培養懂醫療及3D打印技術的復合型人才；加強各醫院間的交流合作，實現資源共享，舉辦經驗交流及研討會，探討3D打印技術應用中所存在的問題。
完善3D打印機配套軟件及打印材料研發
MimicsInnovationSuite軟件由Materialise公司研發，能夠將2D圖像轉換為3D圖像，并支持對3D圖像精確測量，同時能夠對圖像進行分割。Amira軟件由VSG公司研發，同樣可支持模型分割及表面重建，同時能夠對重建模型進行定量分析。因此，聯合醫療應用軟件制造商與3D打印機制造商具有重要意義，可觸及3D打印機與軟件無縫對接，制造出更精確的實體產品，否則將制約3D打印技術在醫學領域中的應用。因專利技術的保護，使得3D打印產品費用較貴；需注重對打印材料的研發。有研究發現，磷酸三鈣固態時為晶體結構，具有較好的生物相容性，與骨組織結合較好，無排斥反應；另外，其鈣磷比約為1.5，與正常骨組織的鈣磷比1.66較為接近，為一種良好的骨修復材料，但是其在植入體內后可降解，不能保持原有功能，因而3D打印材料研發仍為一個艱巨工程。
建立相關法律法規
規范3D打印技術在關節置換術中的應用，建立3D打印產品相適應的注冊和監管辦法，才能大量投入使用，為患者造福。2014年新頒布的《醫療器械注冊管理辦法》，規定新醫療器械的審評制度，對促進3D打印產品應用于臨床具有重要意義；同時修訂《醫療器械監督管理條例》，將新的3D打印材料納入其中，建立了具有中國特色的、系統的、人性化的醫療器械監管系統。只有完善3D打印醫療產業相關法律法規，才能促進其在醫學中的快速發展。
展望
總之，3D打印技術在關節置換術中具有較大應用前景，可給醫療衛生技術改革提供強勁動力。應用3D打印技術時，需注意實際情況，同時與傳統醫療技術相結合，進行優勢互補，最大效能發揮3D打印技術的應用，惠澤全人類。
來源：中國3D打印網
