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2023年6月1-3日 | 苏州国际博览中心B1-E1号馆

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3D打印技术在骨科关节中的应用进展研究

2020-07-14

随着3D打印技术在医疗领域的广泛应用,针对该项技术的相关研究也逐渐增多。通过该项技术所制作出的实体关节模型在骨科疾病的临床治疗中具有重要意义,同时该项技术对于骨科关节解剖学教育与术前沟通也具有积极作用,因此需通过深入研究以推动该项技术普及,以进一步促进医学骨科领域发展。

 

1.3D打印技术定义与成型类型

 

      3D打印技术本质上属于一种增材制作技术与快速成型技术,其将分层打印技术与3D数字技术的方式充分结合后,以分层为基础适当添加不同类型的可黏合材料制作成3D实体模型。目前应用广泛的3D打印技术主要分为喷墨打印、立体光刻成型、熔融沉积成型、选择性激光烧结技术等。

 

1.1 立体光刻成型技术

 

       作为目前研究较多且较为深入的一种3D打印技术类型,其主要工作原理为:在计算机辅助下通过紫外激光束扫描光固化树脂液面形成三维产品。这项技术所采用的加工材料为液态光敏树脂,通过紫外激光对材料进行固化处理,最终形成固体树脂。立体光刻成型技术优点在于表面质量比较好,而且具有较高尺度精度,但也存在一定局限性,包括光敏树脂打印时异常变化(皱缩或者膨胀)与生物降解性不足[1,2]。

 

1.2 选择性激光烧结技术

 

       该项技术主要通过激光束所特有的高温使粉末类采集熔融、冷却及固化处理。通过计算机的辅助能够对激光束轨迹进行控制,使其按照提前设置的能量密度与速度进行扫描,通过固化处理已形成3D模型实体[3]。该项技术优点在于对于支撑结构无明显需求,且材料使用率较高,不足之处则在于通过该项技术制作的产品表面精细度不高,在熔融过程中会产生异味。

 

1.3 熔融沉积成型技术

 

       该项技术与立体光刻成型技术具有一定相似性,其主要原料为丝状热熔性材料,但在实际操作中需先将材料加热至半流体状态后方可继续打印。处于熔融状态的材料在计算机辅助下可于3D模型层面的喷头喷出,待冷却后可达到凝固状态,在多次重复上述操作后即可制作3D模型。该项技术优点在于能够制作较为复杂的材料或者产品,且具备较高精确度,同时操作相对简单,不足之处在于制作过程中会导致温度过高,可能存在一定安全隐患。

 

1.4 喷墨打印技术

 

       该项技术又可被称为3D生物打印技术,其重点在于“生物墨汁”的选择,通常情况下以活细胞或者生物材料为主,实际操作中主要通过3D数字技术将三维模型进行构建,使打印机能够根据所叠加的图层文件打印出具有完整性的3D实体模型,通过人工培育后生成具有生物活性特点的组织。该项技术优点在于分辨率较高,可充分利用支架材料与细胞制备成组织模型,兼容性较好,但目前对于活细胞来源与生存能力的研究不够深入,导致实际应用过程中可能存在一定问题。

 

2.3D打印技术于骨科关节中的实际应用

 

2.1 骨科关节解剖学教育

 

      社会各界对于解剖学教育仍然存在一定争议性,其主要争议点为人文问题与道德问题,即围绕人类尸体所进行的解剖学知识教育;此外,该项教育仍然面临尸体不足的情况,当学生长期处于福尔马林环境中可能会对其健康状况造成影响。针对上述问题,部分学者提出3D打印技术并迅速得到广泛认可,通过该项技术可制作出解剖学教育所需的人类尸体样品,由于制作品本身的高分辨率,能够在很大程度上还原各种人体器官解剖结构。相较于传统教育而言,3D打印技术具有明显优势,通过更加符合伦理的3D打印解剖模型进行教育,不仅能够达到解剖学知识教育的目的,还可使医学资源得到优化,有助于广大医学生骨科关节知识方面的学习[5]。

 

2.2 骨科关节医生与患者术前沟通

 

       对于骨科术前沟通而言,3D打印所特有的定制型能够使术前沟通更加顺畅,有助于医患关系的和谐。以关节置换为例子,通过3D打印技术能够制作出与患者向匹配的关节支架假体,可有效避免不同型号的选择工作。对于患者而言,通过所打印出的3D模型能够更加直观理解临床治疗,实现和医生有效沟通,进而减少医患纠纷的发生。

 

2.3 骨科关节授权临床治疗方案

 

       对于骨科手术而言,3D打印技术具有重要意义,不仅能够使术中植入物更加个体化与精确化,还可有效缩短手术操作时间,使术中出血量减少,进一步提高整体安全性。根据相关研究显示,在术前可通过三维重建技术构建出相应的定位模板,在术中可精确定位假体植入方向,能够在很大程度上确保假体植入的正确性[6]。此外,骨科医师普遍认同关节模型预演,可通过术前演练3D打印关节模型的方式降低术中关节受损程度,不仅能够降低感染及各种并发症发生率,还可有效提高患者满意度。

 

3.3D打印技术在骨科关节领域中的应用

 

       通过3D打印技术能够使组织工程支架材料得到有效复合,使其生物活性得到维持,有助于骨关节受损的临床修复再生,可在很大的程度上降低感染及疼痛等术后不良反应。在部分骨关节损伤治疗中,假体置换为最终治疗方案,但在实际操作中较为复杂关节置换容易导致术后效果不佳,同时容易引发假体失用、假体松动、假体脱落等多种问题,因此对于该方面问题的研究已经得到广泛关注。在许志庆等[7]的研究中显示,对于双膝骨关节炎治疗过程中通过3D关节模型的应用,再以CAD三维模型对手术过程进行设计与模拟,通过所制作的个性化导引模板与假体确保手术精确性,经术后影像学检查显示效果明显,无假体松动或脱落情况。结果显示,3D关节假体在骨科关节手术中的应用,有助于患肢解剖复位率提高,使功能恢复时间有效缩短。另外,根据相关研究显示,3D打印技术对于骨关节软骨修复也具有明显作用,3D打印技术在骨科关节疾病治疗中的应用前景大有可期。

 

4.小结

 

       作为一种新型技术,3D打印技术在医学领域的实际应用中效果明显,尤其在骨科关节临床实践过程中可有效解决医学领域中诸多问题,对于解剖学教育、医患沟通、临床治疗方案、关节置换效果等均具有显著效果,足以说明该项技术对于医学发展具有促进作用。虽然目前3D打印技术仍然存在一定问题,例如伦理道德方面、打印机本身的局限性、打印过程无菌性等,但该项技术仍然属于未来组织工程技术重点研究方向[8]。随着3D打印技术在骨科关节领域中的广泛应用,应当对该方面进行深入研究,使该项技术能够真正惠及民众。

 

来源:中国医疗器械信息