摘 要

3D打印技術(shù)應(yīng)用于足踝外科領(lǐng)域具有快速、個體化、直觀、可操作性強等優(yōu)點。應(yīng)用3D打印技術(shù)制作的足踝矯形器能實現(xiàn)個體化治療，并縮短制作時間；術(shù)前制備骨骼3D打印模型和導向模型可減少手術(shù)難度和術(shù)中透視次數(shù)，增強手術(shù)精確性；術(shù)前應(yīng)用3D打印技術(shù)制備個體化骨片和假體，可實現(xiàn)較好的匹配。該文就3D打印技術(shù)在足踝外科的應(yīng)用價值作一綜述。

足踝部具有骨骼及關(guān)節(jié)數(shù)量多、形態(tài)復雜、體積小等特點，故該部位的創(chuàng)傷診治一直是骨科領(lǐng)域的難點之一。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，3D打印技術(shù)應(yīng)運而生。借助于3D打印技術(shù)快速、個體化的優(yōu)勢，一些足踝部位研究難點得以突破。本文就3D打印技術(shù)在足踝外科領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀作一綜述。

1.3D打印技術(shù)概述

廣義的3D打印技術(shù)又稱快速成型技術(shù)，是一種以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，在計算機控制下以逐層打印的方式構(gòu)造物體的技術(shù)。利用此技術(shù)可構(gòu)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(shù)已經(jīng)過30年的發(fā)展。進入21世紀后，由于計算機技術(shù)的迅速升級，3D打印機的效率、性能取得了長足的進步，其產(chǎn)量、銷量飛速上漲，價格逐年降低，甚至出現(xiàn)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(shù)也在不斷涌現(xiàn)，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(shù)的發(fā)展使3D打印機的應(yīng)用越來越廣泛，各行業(yè)都開始挖掘3D打印機在本領(lǐng)域的應(yīng)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(shè)計,即先建立3D模型，再將3D模型進行分區(qū)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(qū)或切片數(shù)據(jù)并打印，然后將這些分區(qū)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(yī)學領(lǐng)域，現(xiàn)代影像學技術(shù)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(tài)學參數(shù)。隨著臨床上這些檢查在的逐步常規(guī)化，3D打印在醫(yī)學領(lǐng)域也開始有了應(yīng)用的空間。

目前應(yīng)用在醫(yī)學方面的3D打印技術(shù)主要有選擇性激光燒結(jié)、熔融沉積造型、多噴嘴成型技術(shù)和立體印刷術(shù)等四種。選擇性激光燒結(jié)技術(shù)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(jié)，形成3D模型。該技術(shù)制造出的模型有幾何精度高的優(yōu)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(shù)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(jié)構(gòu)可分別用不同顏色、類型的材料制成以示區(qū)分。所制模型幾何精度及表面質(zhì)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(xiàn)的3D打印技術(shù)，立體印刷術(shù)在醫(yī)學領(lǐng)域仍較為常用。它的原理是讓需要成型的液態(tài)光敏樹脂在激光作用下選擇性地發(fā)生聚合反應(yīng)，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(zhì)量高、細節(jié)等級高等優(yōu)點，其細節(jié)等級和表面質(zhì)量超越熔融沉積造型技術(shù)，但也有耗時長的缺點。多噴嘴成型技術(shù)被稱為狹義的3D打印技術(shù)，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(shù)制成成品時間可壓縮至4h內(nèi)，且仍有縮短的空間。

3.3D打印技術(shù)在足踝外科中的應(yīng)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(guān)節(jié)炎、骨折損傷部位和糾正足踝部畸形。批量生產(chǎn)的矯形器型號有限，無法提供個體化的服務(wù)以實現(xiàn)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(yīng)用逆向工程和快速成形技術(shù)，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(xiàn)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(jié)技術(shù)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(xiàn)良好。Mavroidis等通過激光掃描收集患者個體化數(shù)據(jù)，利用3D打印技術(shù)制作模型，得到的成品與傳統(tǒng)的聚丙烯矯形器伸展性、彈性、抗彎、抗壓等均相近。Creylman等應(yīng)用激光燒結(jié)技術(shù)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(jié)果步行實驗顯示這些足踝矯形器表現(xiàn)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(yīng)用3D打印制作的足踝矯形器在各種測試和實驗中均表現(xiàn)良好，投入臨床應(yīng)用前景可期。

3.2足部骨骼模型的制備

足踝部骨骼多、形態(tài)復雜，對該部位進行手術(shù)需術(shù)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(jīng)驗和完善的術(shù)前設(shè)計。即使具備上述條件，患者個體化差異仍可導致手術(shù)難度增大和操作時間增加。在術(shù)前制備足踝部骨骼3D打印模型，可提供逼真的模擬手術(shù)環(huán)境，幫助術(shù)者對手術(shù)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(shù)前預復位、術(shù)中鋼板螺釘置入及內(nèi)固定模擬，并可對鋼板進行預塑型，從而進一步調(diào)整手術(shù)方案，確定更合理、個體化的內(nèi)固定物置放位置和角度，以期實現(xiàn)更佳的手術(shù)效果，并縮短術(shù)中操作時間。

Kacl等將30例跟骨關(guān)節(jié)內(nèi)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(fā)現(xiàn)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(shù)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(shù)設(shè)計方面更為實用。Giovinco等介紹了采用3D打印技術(shù)輔助治療Charcot足，即采用普通的3D打印機制作數(shù)個廉價的患足骨骼模型，術(shù)者通過模擬手術(shù)有效降低了Charcot足晚期手術(shù)難度，提高了手術(shù)效率，從而減少手術(shù)風險，提高手術(shù)成功率。Bagaria等采用3D打印技術(shù)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(jù)此設(shè)計的手術(shù)獲得成功，患者術(shù)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(cè)關(guān)節(jié)內(nèi)跟骨骨折手術(shù)，即先掃描了雙側(cè)跟骨的CT圖像，再應(yīng)用鏡像技術(shù)，將健側(cè)跟骨打印成與患側(cè)跟骨相同大小的模型，術(shù)前利用該模型及影像學資料設(shè)計鋼板位置、釘?shù)赖龋箖?nèi)固定物既能穩(wěn)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(shù)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(jù)進行復位、植骨及固定，最終手術(shù)獲得成功。章瑩等研究計算機快速成型技術(shù)輔助個體化治療三踝骨折的效果，并與常規(guī)手術(shù)進行比較，發(fā)現(xiàn)雖然兩者手術(shù)切開暴露時間并無差異，但前者復位與固定時間較短，手術(shù)療效優(yōu)良率也較高。金丹等應(yīng)過逆向工程方法及三維重建技術(shù)制備了用于下脛腓聯(lián)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(lián)合分離內(nèi)固定臨床初步應(yīng)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(nèi)固定物置放位置及角度確定、截骨矯形術(shù)設(shè)計等，因其能減少手術(shù)難度、增加手術(shù)準確性、減少術(shù)中X線透視使用次數(shù)，在臨床上具有較為樂觀的應(yīng)用前景。

3.3植入物的個性化設(shè)計

足踝部損傷常會造成骨骼缺損，此時需進行適當?shù)闹补且灾厮芷浣Y(jié)構(gòu)完整性。但由于足踝部骨骼結(jié)構(gòu)復雜，骨骼缺損呈不規(guī)則狀，因此對植入物塑形常在術(shù)中耗費大量時間。利用足踝部骨骼3D打印模型，可在術(shù)前即應(yīng)用3D打印技術(shù)制備個體化骨片和假體，不但較傳統(tǒng)方式節(jié)省手術(shù)時間，還能實現(xiàn)更好的匹配。由于技術(shù)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(shù)主要用于預處理鋼板，經(jīng)3D打印技術(shù)處理的鋼板較傳統(tǒng)鋼板更能個體化地適應(yīng)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(yīng)用在3D打印中，成功制造出了符合要求的骨片。Leukers等應(yīng)用3D打印技術(shù)打印羥基磷灰石支架并在其上培養(yǎng)干細胞，使這些支架成為類似人體骨骼的結(jié)構(gòu)。3D打印技術(shù)可構(gòu)造出任意形狀的物體，因此其在足踝外科中的應(yīng)用價值值得進一步研究。

4.總結(jié)及展望

應(yīng)用3D打印技術(shù)制作的足踝矯形器不僅能實現(xiàn)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(shù)，3D打印模型和導向模板不僅能減少手術(shù)難度、減少術(shù)中透視次數(shù)，更能增強手術(shù)精確性。此外，3D打印技術(shù)也可應(yīng)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(shù)的進步，3D打印技術(shù)在直接打印植入物方面有巨大的發(fā)展空間。然而，目前3D 打印技術(shù)仍存在一定的不足。首先，雖然隨著技術(shù)的進步，3D打印模型的成本逐年穩(wěn)步下降，但仍相對稍高;其次，3D打印耗時仍過長，較難應(yīng)用于急診手術(shù);最后，3D打印技術(shù)的應(yīng)用仍處于試驗階段，其應(yīng)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(shù)能不斷改進及繼續(xù)發(fā)展，其在足踝外科的應(yīng)用前景將十分廣闊。

參考文獻(略)