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(jì)算機(jī)建模結(jié)合增材制造技術(shù)成功制造出實(shí)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(gè)平面單位的凝固成型，然后垂直移動(dòng)一個(gè)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(jiàn)，多用于骨科手術(shù)模型的打印，同時(shí)也能應(yīng)用在陶瓷類(lèi)實(shí)體的制作，使用明膠類(lèi)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(guò)高能量電子束聚焦將金屬粉末熔融成型，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型為根，經(jīng)過(guò)點(diǎn)線(xiàn)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(diǎn)線(xiàn)面逐次成型，最后根據(jù)建模通過(guò)燒結(jié)去除多余材料；通過(guò)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(jī)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(bào)道如下。

采用3D打印技術(shù)制備個(gè)性化支具

簡(jiǎn)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(lèi)支具也可能出現(xiàn)多種問(wèn)題：

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

②對(duì)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(zhǎng)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(xiǎn)。

臨床研究表明，通過(guò)3D打印技術(shù)定制患者個(gè)性化支具不僅與患肢吻合度高，同時(shí)設(shè)計(jì)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(gè)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(qiáng)度方面也有一定保障。

曾燾等報(bào)道60例Colles骨折，試驗(yàn)組采用3D打印支具進(jìn)行固定，對(duì)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(yàn)組PRWE評(píng)分優(yōu)于對(duì)照組，試驗(yàn)組掌傾角、橈骨短縮等解剖學(xué)參數(shù)優(yōu)于對(duì)照組（P<0.05），肯定了3D打印的個(gè)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(shí)間縮短至1d以?xún)?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(guān)模型

以往解剖學(xué)教學(xué)過(guò)程中多采用真實(shí)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(wèn)題。

采用3D打印技術(shù)能量產(chǎn)各類(lèi)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(wèn)題。

同時(shí)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(gè)解剖結(jié)構(gòu)真實(shí)位置和顏色，有利于解剖知識(shí)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(shí)踐教學(xué)，學(xué)生在設(shè)計(jì)、制作模型以及觀(guān)察分析模型的過(guò)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(guò)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(guān)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(shí)，髖臼假體如何定位放置是學(xué)習(xí)重點(diǎn)，初學(xué)者可以在1∶1的3D打印實(shí)物模型進(jìn)行練習(xí)，降低了初學(xué)者通過(guò)手術(shù)進(jìn)行強(qiáng)化學(xué)習(xí)而出現(xiàn)誤差的相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)

。在低年資醫(yī)師學(xué)習(xí)過(guò)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(gè)難題，通過(guò)影像學(xué)檢查診斷病灶具體改變時(shí)，臨床醫(yī)師不僅要熟練掌握閱片技巧，同時(shí)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(shí)物模型可以直觀(guān)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(duì)各類(lèi)關(guān)節(jié)疾病臨床表現(xiàn)與解剖學(xué)改變的認(rèn)識(shí)。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(shí)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(xiàn)。此外，患者能夠通過(guò)3D打印實(shí)物模型直觀(guān)了解病灶病理改變及手術(shù)具體步驟，降低臨床醫(yī)師對(duì)病情解釋溝通的難度。

Yang等報(bào)道采用3D打印模型的患者治療與溝通評(píng)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(gè)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(cè)量脛骨內(nèi)側(cè)平臺(tái)后傾角、股骨外翻角等參數(shù)，術(shù)前X線(xiàn)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(shí)物模型也能作為個(gè)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(jī)分為導(dǎo)板輔助組與對(duì)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(duì)照組。

通過(guò)3D打印技術(shù)可將計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)實(shí)體化，術(shù)者可以根據(jù)患者病灶特點(diǎn)改變傳統(tǒng)手術(shù)預(yù)設(shè)截骨和解剖角度設(shè)計(jì)，同時(shí)在實(shí)物模型上進(jìn)行演練，提高了截骨匹配度，減少了手術(shù)時(shí)間、術(shù)中出血量，降低了感染風(fēng)險(xiǎn)，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(yàn)組以及未應(yīng)用導(dǎo)板的對(duì)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(shí)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(píng)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(duì)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(kāi)髓位置，了解Harris窩、橫韌帶、股骨小粗隆等解剖標(biāo)志，截骨擴(kuò)髓不順利會(huì)導(dǎo)致手術(shù)出血量大、手術(shù)時(shí)間延長(zhǎng)、術(shù)后早期翻修等一系列并發(fā)癥。

通過(guò)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(jì)髖臼磨銼、股骨擴(kuò)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(píng)估與預(yù)手術(shù)的意義越大。

采用3D打印技術(shù)制備個(gè)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(shí)假體凹槽設(shè)計(jì)也會(huì)影響骨重建。

假體如果無(wú)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(yùn)動(dòng)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(dòng)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(gè)體化的發(fā)展成為熱門(mén)研究。3D打印人工假體的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在兩個(gè)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(dòng)物體內(nèi)研究中得到證實(shí)。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(fǎng)，評(píng)估并發(fā)癥、疼痛評(píng)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(gè)月髖關(guān)節(jié)功能Harris評(píng)分與SF-36評(píng)分明顯更高，疼痛VAS評(píng)分明顯更低，而且短期療效評(píng)價(jià)中3D打印假體的穩(wěn)定性和骨向內(nèi)生長(zhǎng)情況更優(yōu)。

對(duì)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(zhǎng)骨中段等特殊骨組織重建則需要定制個(gè)性化假體以盡量避免骨組織生物力學(xué)的改變。Zou等報(bào)道了1例軟骨肉瘤手術(shù)后假體松動(dòng)，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(wú)法進(jìn)行翻修手術(shù)的問(wèn)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(shì)。

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(guó)ExacTech推出了InteG-p臼杯。2015年中國(guó)愛(ài)康宜誠(chéng)公司量產(chǎn)式3D打印髖臼產(chǎn)品獲國(guó)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(lèi)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(zhǎng)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(jī)材料（如天然高分子材料）以及具有一定生物相容性的無(wú)機(jī)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(diǎn)，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(lèi)材料滿(mǎn)足可塑性、高生物相容性、可降解性與體內(nèi)可吸收性，同時(shí)制作的支架需要具有一定的機(jī)械強(qiáng)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(diǎn)，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(zhǎng)特點(diǎn)，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(jī)器，對(duì)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(qiáng)度不足，長(zhǎng)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(lèi)研究多處于試驗(yàn)研究階段，難以進(jìn)行有效的臨床應(yīng)用，而且無(wú)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(guò)臨床醫(yī)學(xué)、生物工程、機(jī)械設(shè)計(jì)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(shí)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(wèn)題將會(huì)逐步得到解決，為關(guān)節(jié)外科治療手段不斷更新助力。