3D打印技術(shù)的基礎(chǔ)為增材制造技術(shù)，1984年Hull第一次利用計算機建模結(jié)合增材制造技術(shù)成功制造出實體，標(biāo)志著3D打印技術(shù)的誕生。

目前關(guān)節(jié)外科中主要應(yīng)用的3D打印技術(shù)有以下幾種：①立體光刻成型技術(shù)，光固化材料在激光的聚焦下，完成一個平面單位的凝固成型，然后垂直移動一個水平單位繼續(xù)固定建模設(shè)定的相應(yīng)層面，在骨科臨床應(yīng)用較為常見，多用于骨科手術(shù)模型的打印，同時也能應(yīng)用在陶瓷類實體的制作，使用明膠類材料打印可應(yīng)用于角膜基質(zhì)組織修復(fù)；②電子束熔融技術(shù)，通過高能量電子束聚焦將金屬粉末熔融成型，計算機輔助設(shè)計模型為根，經(jīng)過點線面逐層熔融，最終獲得成品.

研究表明電子束熔融技術(shù)打印Ti6Al4V膝關(guān)節(jié)置換置入物具有良好生物相容性與骨結(jié)合能力；③選擇性激光燒結(jié)技術(shù)，使用激光燒結(jié)已預(yù)熱的材料，點線面逐次成型，最后根據(jù)建模通過燒結(jié)去除多余材料；通過選擇性激光燒結(jié)技術(shù)打印多孔鈦置入物具有良好的機械性能和生物相容性，結(jié)合CS/HA涂層，置入物表現(xiàn)出良好的骨誘導(dǎo)性，從而具有穩(wěn)定的成骨作用。筆者主要就3D打印技術(shù)在關(guān)節(jié)外科的應(yīng)用進(jìn)展作一綜述，報道如下。

采用3D打印技術(shù)制備個性化支具

簡單骨折固定處理中，石膏仍是目前臨床主要選擇，但是使用石膏類支具也可能出現(xiàn)多種問題：

①透氣性差，易導(dǎo)致皮膚損傷，情況嚴(yán)重時接觸部位皮膚感染后出現(xiàn)壞死；

②對操作者手法有一定要求，不熟練者制作的石膏支具可能不符合患者患肢固定需求

③石膏支具較為笨重，增加支具清潔及患者功能鍛煉的難度，長期固定還可能增加關(guān)節(jié)僵硬和肌肉萎縮發(fā)生風(fēng)險。

臨床研究表明，通過3D打印技術(shù)定制患者個性化支具不僅與患肢吻合度高，同時設(shè)計的支具擁有均勻分布的透氣孔，便于包覆部位的透氣及拆卸換藥。此外，個性化支具選用生物可降解材料聚乳酸，在支具抗沖擊、防斷裂強度方面也有一定保障。

曾燾等報道60例Colles骨折，試驗組采用3D打印支具進(jìn)行固定，對照組采用小夾板固定，結(jié)果表明骨折復(fù)位后6~8周試驗組PRWE評分優(yōu)于對照組，試驗組掌傾角、橈骨短縮等解剖學(xué)參數(shù)優(yōu)于對照組（P<0.05），肯定了3D打印的個性化支具在前臂骨折固定及康復(fù)治療方面的效果。最新的3D打印技術(shù)可以將支具制作時間縮短至1d以內(nèi)。

采用3D打印技術(shù)為臨床教學(xué)以及醫(yī)患溝通提供直觀模型

以往解剖學(xué)教學(xué)過程中多采用真實人體骨骼制作的標(biāo)本，存在骨骼標(biāo)本獲取難度大、多次使用后標(biāo)本部分精細(xì)結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)磨損從而影響教學(xué)展示等問題。

采用3D打印技術(shù)能量產(chǎn)各類骨骼模型，避免了標(biāo)本只能取自尸體的困境，能反復(fù)制作，解決了醫(yī)學(xué)倫理、生命健康、標(biāo)本保存等問題。

同時3D打印制作的模型具有較高的精細(xì)度，并能還原出人體器官各個解剖結(jié)構(gòu)真實位置和顏色，有利于解剖知識的教學(xué)。Hasenstein等使用3D打印技術(shù)制作足踝關(guān)節(jié)模型進(jìn)行實踐教學(xué)，學(xué)生在設(shè)計、制作模型以及觀察分析模型的過程中理解充分，取得了良好的教學(xué)效果。臨床上依據(jù)患者CT影像資料進(jìn)行三維建模，再通過3D打印技術(shù)制作局部骨骼及關(guān)節(jié)模型，可以更加直觀地表現(xiàn)出患肢關(guān)節(jié)的解剖情況，如臨床醫(yī)師進(jìn)行全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)學(xué)習(xí)時，髖臼假體如何定位放置是學(xué)習(xí)重點，初學(xué)者可以在1∶1的3D打印實物模型進(jìn)行練習(xí)，降低了初學(xué)者通過手術(shù)進(jìn)行強化學(xué)習(xí)而出現(xiàn)誤差的相關(guān)風(fēng)險

。在低年資醫(yī)師學(xué)習(xí)過程中，如何培養(yǎng)其判斷關(guān)節(jié)病變嚴(yán)重程度、解剖結(jié)構(gòu)改變情況的能力一直是一個難題，通過影像學(xué)檢查診斷病灶具體改變時，臨床醫(yī)師不僅要熟練掌握閱片技巧，同時也要進(jìn)行平面影像學(xué)到立體結(jié)構(gòu)的思維轉(zhuǎn)換。

與影像學(xué)資料相比，3D打印實物模型可以直觀地展現(xiàn)患者關(guān)節(jié)病變嚴(yán)重程度、解剖結(jié)構(gòu)改變情況，加深臨床醫(yī)師對各類關(guān)節(jié)疾病臨床表現(xiàn)與解剖學(xué)改變的認(rèn)識。只要保存了建模數(shù)據(jù)就能多次制備3D打印模型，臨床醫(yī)師可以在實物模型上反復(fù)進(jìn)行手術(shù)模擬以提高手術(shù)熟練度，縮短學(xué)習(xí)曲線。此外，患者能夠通過3D打印實物模型直觀了解病灶病理改變及手術(shù)具體步驟，降低臨床醫(yī)師對病情解釋溝通的難度。

Yang等報道采用3D打印模型的患者治療與溝通評分高于未采用3D打印模型的患者，提示3D打印模型是提升醫(yī)患溝通質(zhì)量的有效工具。

采用3D打印技術(shù)制備個性化導(dǎo)板

人工膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中需采用特定裝置測量脛骨內(nèi)側(cè)平臺后傾角、股骨外翻角等參數(shù)，術(shù)前X線片、CT等影像學(xué)檢查是當(dāng)前臨床決定術(shù)中定位截骨的主要依據(jù)，3D打印技術(shù)制作的實物模型也能作為個性化導(dǎo)航模板，幫助術(shù)者決定假體安放、截骨、置釘固定等步驟。

研究結(jié)果表明，膝關(guān)節(jié)翻修患者特別是早期翻修患者再手術(shù)原因多為截骨不當(dāng)導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)假體不穩(wěn)。McClelland等將接受全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)的患者隨機分為導(dǎo)板輔助組與對照組，結(jié)果表明導(dǎo)板輔助組患者術(shù)后生物力學(xué)改變小于對照組。

通過3D打印技術(shù)可將計算機輔助技術(shù)實體化，術(shù)者可以根據(jù)患者病灶特點改變傳統(tǒng)手術(shù)預(yù)設(shè)截骨和解剖角度設(shè)計，同時在實物模型上進(jìn)行演練，提高了截骨匹配度，減少了手術(shù)時間、術(shù)中出血量，降低了感染風(fēng)險，減少膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)改變從而降低了術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率。Shen等將20例全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)分為應(yīng)用導(dǎo)板的試驗組以及未應(yīng)用導(dǎo)板的對照組，結(jié)果表明使用導(dǎo)板進(jìn)行術(shù)前準(zhǔn)備可明顯縮短手術(shù)時間，減少術(shù)中出血量及術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生，臨床和功能評分明顯提高，提示3D打印截骨導(dǎo)板輔助全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)治療膝關(guān)節(jié)外翻畸形患者的療效更優(yōu)。

對于全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)，術(shù)前應(yīng)初步確定髖臼側(cè)磨銼位置、偏心距、股骨側(cè)Dorr分型、截骨開髓位置，了解Harris窩、橫韌帶、股骨小粗隆等解剖標(biāo)志，截骨擴髓不順利會導(dǎo)致手術(shù)出血量大、手術(shù)時間延長、術(shù)后早期翻修等一系列并發(fā)癥。

通過3D打印技術(shù)制作導(dǎo)航模板能讓術(shù)者了解患者髖關(guān)節(jié)解剖結(jié)構(gòu)，設(shè)計髖臼磨銼、股骨擴髓等手術(shù)步驟，確保髖臼前傾角等生物力學(xué)指標(biāo)正常，減少髖關(guān)節(jié)置換翻修、假體脫位等并發(fā)癥的出現(xiàn)。

Wang等研究表明，在肩關(guān)節(jié)置換術(shù)前3D打印導(dǎo)航模板的預(yù)期有用性與形態(tài)復(fù)雜程度呈正相關(guān)，即需要手術(shù)的肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，需要重建的結(jié)構(gòu)越多，3D打印制作導(dǎo)航模板進(jìn)行評估與預(yù)手術(shù)的意義越大。

采用3D打印技術(shù)制備個性化假體

嚴(yán)重的關(guān)節(jié)疾病如髖關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎、股骨頭缺血性壞死、膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎等采取非手術(shù)治療效果不佳，首選治療方案為人工關(guān)節(jié)置換術(shù)，而手術(shù)器械、假體選擇、術(shù)中截骨等因素可能導(dǎo)致假體應(yīng)力傳導(dǎo)不均勻，進(jìn)而出現(xiàn)生物力學(xué)改變，同時假體凹槽設(shè)計也會影響骨重建。

假體如果無法較好地與患者骨組織匹配，假體與髓腔之間可能留有間隙，患者回歸正常生活后運動量增大可能導(dǎo)致假體與骨組織之間的間隙增大，出現(xiàn)假體松動甚至導(dǎo)致假體脫位而被迫進(jìn)行翻修。骨與假體的匹配度直接影響人工關(guān)節(jié)置換術(shù)的療效，因此人工關(guān)節(jié)個體化的發(fā)展成為熱門研究。3D打印人工假體的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在兩個方面，一是適形匹配，二是骨整合功能。

3D打印金屬骨小梁與自體骨的融合已經(jīng)在動物體內(nèi)研究中得到證實。Sultan等在全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中使用3D打印制作的多孔鈦假體并完成2年隨訪，評估并發(fā)癥、疼痛評分、2年生存率等相關(guān)指標(biāo)，肯定了3D打印多孔鈦假體的臨床應(yīng)用效果。

Wan等在髖臼缺損修復(fù)術(shù)中應(yīng)用3D打印鈦合金小梁杯和墊，與常規(guī)鈦合金小梁杯和墊相比，患者術(shù)后3、6、12個月髖關(guān)節(jié)功能Harris評分與SF-36評分明顯更高，疼痛VAS評分明顯更低，而且短期療效評價中3D打印假體的穩(wěn)定性和骨向內(nèi)生長情況更優(yōu)。

對于骨腫瘤或翻修手術(shù)導(dǎo)致患者的骨組織嚴(yán)重缺損，主要重建手段為自體骨填充、異體骨填充或置入人工假體，但骨盆、長骨中段等特殊骨組織重建則需要定制個性化假體以盡量避免骨組織生物力學(xué)的改變。Zou等報道了1例軟骨肉瘤手術(shù)后假體松動，采用3D打印鈦合金肩關(guān)節(jié)假體解決了肱骨近端大量骨組織缺損導(dǎo)致無法進(jìn)行翻修手術(shù)的問題。

相比減材工藝，3D打印作為增材制作技術(shù)在制作內(nèi)部孔道、內(nèi)部支撐、表面多孔結(jié)構(gòu)等具有復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)假體方面具有明顯優(yōu)勢。

意大利AdlerOrtho公司于2007年推出FixaTIPORE生物型髖臼，這是第一款量產(chǎn)式3D打印生物臼杯。2008年意大利Lima公司上市了DeltaTT臼杯。2011年美國ExacTech推出了InteG-p臼杯。2015年中國愛康宜誠公司量產(chǎn)式3D打印髖臼產(chǎn)品獲國家食品藥品監(jiān)督管理總局批準(zhǔn)。2015年11月Smith&Nephew公司研發(fā)了REDAfT翻修臼杯，這類假體為3D打印制作的超多孔臼杯，在維持假體穩(wěn)定、促進(jìn)骨生長方面效果理想。

采用3D打印技術(shù)制備生物材料

關(guān)節(jié)軟骨組織再生能力差，而且關(guān)節(jié)腔內(nèi)缺少血管分布，關(guān)節(jié)軟骨組織的供養(yǎng)主要靠滑膜分泌的滑液，因此關(guān)節(jié)軟骨損傷后難以自行修復(fù)。

采用3D打印制作支架材料輔助修復(fù)關(guān)節(jié)軟骨是一種新思路。軟骨缺損修復(fù)支架材料包括有機材料（如天然高分子材料）以及具有一定生物相容性的無機材料（如陶瓷、磷酸三鈣、羥基磷灰石、磷酸鈣骨水泥等）。

天然高分子支架材料是研究的重點，主要有膠原支架材料、透明質(zhì)酸鈉支架材料、殼聚糖支架材料、血纖蛋白支架材料，這類材料滿足可塑性、高生物相容性、可降解性與體內(nèi)可吸收性，同時制作的支架需要具有一定的機械強度，與置入部位組織力學(xué)性能相匹配。

天然高分子支架材料可采用3D打印技術(shù)制作支架，可以繼承多孔結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，采用透明質(zhì)酸鈉等材料制作的支架能夠幫助移植的軟骨組織粘附、增殖，并產(chǎn)生細(xì)胞外基質(zhì)、功能蛋白及多糖。如果支架符合細(xì)胞生長特點，細(xì)胞與滑膜液可以更好地接觸，從而加快軟骨組織修復(fù)。

總結(jié)

3D打印技術(shù)應(yīng)用于關(guān)節(jié)外科需要更高精度的機器，對原材料的要求也更高。在關(guān)節(jié)假體打印領(lǐng)域，因原材料強度不足，長骨承重相關(guān)假體研發(fā)進(jìn)展緩慢，而且當(dāng)前打印器械難以達(dá)到足夠的精細(xì)度以制作復(fù)雜的假體表面及內(nèi)部骨孔隙結(jié)構(gòu)。

在軟骨修復(fù)重建方面，各類研究多處于試驗研究階段，難以進(jìn)行有效的臨床應(yīng)用，而且無論是完全移植自體軟骨、異體軟骨或采用修復(fù)支架材料都不能恢復(fù)到發(fā)病前的正常狀態(tài)。

相信經(jīng)過臨床醫(yī)學(xué)、生物工程、機械設(shè)計等多學(xué)科共同努力下，3D打印技術(shù)將持續(xù)發(fā)展并逐漸成熟，同時伴隨著3D打印假體應(yīng)用于臨床的政策不斷完善，技術(shù)、倫理等相關(guān)問題將會逐步得到解決，為關(guān)節(jié)外科治療手段不斷更新助力。