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【分享】3D打印技術在骨科關節中的應用進展研究

2020-07-24 1177

3D打印技術在骨科關節中的應用進展研究

 

來源:本文刊登于《中國醫療器械信息》雜志2020年第9期

作者:荀翀 王強 李長洲 劉曉峰*

單位:大連醫科大學附屬第一醫院 (遼寧 大連 116011)

內容提要:隨著我國科學技術與科學技術的全面發展,3D打印技術逐漸成熟并廣泛應用于臨床。目前該項技術主要用于建筑領域、汽車領域、醫療領域、航空領域等。醫療領域中3D打印技術主要用于實體模型的制作,已經廣泛應用于骨科臨床治療方面,且得到許多臨床工作的認可。文章綜述3D打印技術對解剖學教育、術前溝通、臨床治療等諸多領域的應用情況,同時闡述了該項技術在不同組織工程領域的進展,分析其優點與不足之處,展望該項技術的應用前景。

關 鍵 詞:3D打印技術 骨科關節 實體模型

 

       隨著3D打印技術在醫療領域的廣泛應用,針對該項技術的相關研究也逐漸增多。通過該項技術所制作出的實體關節模型在骨科疾病的臨床治療中具有重要意義,同時該項技術對于骨科關節解剖學教育與術前溝通也具有積極作用,因此需通過深入研究以推動該項技術普及,以進一步促進醫學骨科領域發展。

 

1.3D打印技術定義與成型類型

 

      3D打印技術本質上屬于一種增材制作技術與快速成型技術,其將分層打印技術與3D數字技術的方式充分結合后,以分層為基礎適當添加不同類型的可黏合材料制作成3D實體模型。目前應用廣泛的3D打印技術主要分為噴墨打印、立體光刻成型、熔融沉積成型、選擇性激光燒結技術等。

 

1.1 立體光刻成型技術

 

       作為目前研究較多且較為深入的一種3D打印技術類型,其主要工作原理為:在計算機輔助下通過紫外激光束掃描光固化樹脂液面形成三維產品。這項技術所采用的加工材料為液態光敏樹脂,通過紫外激光對材料進行固化處理,最終形成固體樹脂。立體光刻成型技術優點在于表面質量比較好,而且具有較高尺度精度,但也存在一定局限性,包括光敏樹脂打印時異常變化(皺縮或者膨脹)與生物降解性不足。

 

1.2 選擇性激光燒結技術

 

       該項技術主要通過激光束所特有的高溫使粉末類采集熔融、冷卻及固化處理。通過計算機的輔助能夠對激光束軌跡進行控制,使其按照提前設置的能量密度與速度進行掃描,通過固化處理已形成3D模型實體。該項技術優點在于對于支撐結構無明顯需求,且材料使用率較高,不足之處則在于通過該項技術制作的產品表面精細度不高,在熔融過程中會產生異味。

 

1.3 熔融沉積成型技術

 

       該項技術與立體光刻成型技術具有一定相似性,其主要原料為絲狀熱熔性材料,但在實際操作中需先將材料加熱至半流體狀態后方可繼續打印。處于熔融狀態的材料在計算機輔助下可于3D模型層面的噴頭噴出,待冷卻后可達到凝固狀態,在多次重復上述操作后即可制作3D模型。該項技術優點在于能夠制作較為復雜的材料或者產品,且具備較高精確度,同時操作相對簡單,不足之處在于制作過程中會導致溫度過高,可能存在一定安全隱患。

 

1.4 噴墨打印技術

 

       該項技術又可被稱為3D生物打印技術,其重點在于“生物墨汁”的選擇,通常情況下以活細胞或者生物材料為主,實際操作中主要通過3D數字技術將三維模型進行構建,使打印機能夠根據所疊加的圖層文件打印出具有完整性的3D實體模型,通過人工培育后生成具有生物活性特點的組織。該項技術優點在于分辨率較高,可充分利用支架材料與細胞制備成組織模型,兼容性較好,但目前對于活細胞來源與生存能力的研究不夠深入,導致實際應用過程中可能存在一定問題。

 

2.3D打印技術于骨科關節中的實際應用

 

2.1 骨科關節解剖學教育

 

      社會各界對于解剖學教育仍然存在一定爭議性,其主要爭議點為人文問題與道德問題,即圍繞人類尸體所進行的解剖學知識教育;此外,該項教育仍然面臨尸體不足的情況,當學生長期處于福爾馬林環境中可能會對其健康狀況造成影響。針對上述問題,部分學者提出3D打印技術并迅速得到廣泛認可,通過該項技術可制作出解剖學教育所需的人類尸體樣品,由于制作品本身的高分辨率,能夠在很大程度上還原各種人體器官解剖結構。相較于傳統教育而言,3D打印技術具有明顯優勢,通過更加符合倫理的3D打印解剖模型進行教育,不僅能夠達到解剖學知識教育的目的,還可使醫學資源得到優化,有助于廣大醫學生骨科關節知識方面的學習。

 

2.2 骨科關節醫生與患者術前溝通

 

       對于骨科術前溝通而言,3D打印所特有的定制型能夠使術前溝通更加順暢,有助于醫患關系的和諧。以關節置換為例子,通過3D打印技術能夠制作出與患者向匹配的關節支架假體,可有效避免不同型號的選擇工作。對于患者而言,通過所打印出的3D模型能夠更加直觀理解臨床治療,實現和醫生有效溝通,進而減少醫患糾紛的發生。

 

2.3 骨科關節授權臨床治療方案

 

       對于骨科手術而言,3D打印技術具有重要意義,不僅能夠使術中植入物更加個體化與精確化,還可有效縮短手術操作時間,使術中出血量減少,進一步提高整體安全性。根據相關研究顯示,在術前可通過三維重建技術構建出相應的定位模板,在術中可精確定位假體植入方向,能夠在很大程度上確保假體植入的正確性。此外,骨科醫師普遍認同關節模型預演,可通過術前演練3D打印關節模型的方式降低術中關節受損程度,不僅能夠降低感染及各種并發癥發生率,還可有效提高患者滿意度。

 

3.3D打印技術在骨科關節領域中的應用

 

       通過3D打印技術能夠使組織工程支架材料得到有效復合,使其生物活性得到維持,有助于骨關節受損的臨床修復再生,可在很大的程度上降低感染及疼痛等術后不良反應。在部分骨關節損傷治療中,假體置換為最終治療方案,但在實際操作中較為復雜關節置換容易導致術后效果不佳,同時容易引發假體失用、假體松動、假體脫落等多種問題,因此對于該方面問題的研究已經得到廣泛關注。在許志慶等的研究中顯示,對于雙膝骨關節炎治療過程中通過3D關節模型的應用,再以CAD三維模型對手術過程進行設計與模擬,通過所制作的個性化導引模板與假體確保手術精確性,經術后影像學檢查顯示效果明顯,無假體松動或脫落情況。結果顯示,3D關節假體在骨科關節手術中的應用,有助于患肢解剖復位率提高,使功能恢復時間有效縮短。另外,根據相關研究顯示,3D打印技術對于骨關節軟骨修復也具有明顯作用,3D打印技術在骨科關節疾病治療中的應用前景大有可期。

 

4.小結

 

       作為一種新型技術,3D打印技術在醫學領域的實際應用中效果明顯,尤其在骨科關節臨床實踐過程中可有效解決醫學領域中諸多問題,對于解剖學教育、醫患溝通、臨床治療方案、關節置換效果等均具有顯著效果,足以說明該項技術對于醫學發展具有促進作用。雖然目前3D打印技術仍然存在一定問題,例如倫理道德方面、打印機本身的局限性、打印過程無菌性等,但該項技術仍然屬于未來組織工程技術重點研究方向。隨著3D打印技術在骨科關節領域中的廣泛應用,應當對該方面進行深入研究,使該項技術能夠真正惠及民眾。

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