論文導(dǎo)讀：

醫(yī)學(xué)上快速成型技術(shù)（RP）最廣泛的應(yīng)用主要集中在發(fā)展用于診斷、訓(xùn)練和計(jì)劃手術(shù)的模型，以及直接制造用于骨重建的植入物上。三維打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用正取得非凡的成果，例如器官、組織與修復(fù)體的打印。在不久的將來(lái)，許多身體部位可以輪流制造并植入病人體內(nèi)。

本文著重介紹了醫(yī)學(xué)3D打印以及4D打印在骨科領(lǐng)域的應(yīng)用包括骨折、骨不連、畸形骨、軟骨和軟組織重建等方面。隨著醫(yī)療3D打印技術(shù)的普及，人們對(duì)創(chuàng)傷和矯形外科的未來(lái)發(fā)展也有了全新的認(rèn)識(shí)。

      （論文首頁(yè)截圖）

一、 醫(yī)學(xué)快速成型術(shù)專注于外科手術(shù)

       計(jì)算機(jī)成像技術(shù)（CT、USS、MRI）的發(fā)展與進(jìn)步，CAD/CAM在形狀、尺寸和形態(tài)等方面達(dá)到微米級(jí)的精確性，以及一些測(cè)試材料和技術(shù)（RMT）的生物相容性對(duì)組織和器官的重建手術(shù)產(chǎn)生了重大影響。在這些技術(shù)的應(yīng)用中，與生物醫(yī)學(xué)工程相關(guān)的技術(shù)以15%的占比位居第三。

它們可以應(yīng)用于手術(shù)的訓(xùn)練、計(jì)劃、術(shù)中以及制造假體和植入物，可以重建軟組織（動(dòng)脈、肌肉、肌腱等）用于骨組織重建。大約14%的研究涉及到組織工程原型的開(kāi)發(fā)，根據(jù)過(guò)去五年發(fā)表的關(guān)于快速成型技術(shù)在生物工程的應(yīng)用的論文來(lái)看，這一領(lǐng)域的應(yīng)用更為重要。在生物醫(yī)學(xué)工程中，最適用的專業(yè)是放射學(xué)、醫(yī)學(xué)影像學(xué)、解剖學(xué)、外科學(xué)、骨科和牙科學(xué)，約占50%。

二、骨軟骨重建

       軟骨損傷的治療是治療關(guān)節(jié)炎癥中至關(guān)重要的。關(guān)節(jié)鏡等微創(chuàng)技術(shù)在這一領(lǐng)域起到很大作用。關(guān)節(jié)鏡下自體軟骨移植是一種簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的方法，只需一次手術(shù)就可實(shí)現(xiàn)透明軟骨的再生。因此，該方法具有成本低、針對(duì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可解決軟骨局部灶性病變的問(wèn)題，它允許軟骨下骨與透明軟骨的完全移植。傳統(tǒng)上，外科醫(yī)生必須使用刺激骨髓的方法，只能得到纖維軟骨組織的形成，遠(yuǎn)低于正常的透明軟骨的力學(xué)性能。

近年來(lái)，移植技術(shù)的革命性發(fā)展為軟骨細(xì)胞重建受損的透明軟骨開(kāi)辟了一條新的途徑，然而這項(xiàng)研究目前仍處于實(shí)驗(yàn)階段，它的長(zhǎng)期有效性需要得到進(jìn)一步驗(yàn)證。關(guān)于選擇的細(xì)胞類型，是骨髓基質(zhì)細(xì)胞還是軟骨細(xì)胞仍存在爭(zhēng)議。骨軟骨重建的重點(diǎn)在于提供促進(jìn)細(xì)胞遷移和分化的微環(huán)境。許多研究人員采用細(xì)胞、生長(zhǎng)因子和支架的組合。

例如，大多數(shù)半月板損傷需要縫合或切除撕裂的半月板，無(wú)血管區(qū)半月板修復(fù)的長(zhǎng)期臨床研究很少。3D打印的用于人造半月板的多孔聚碳酸酯-聚氨酯（PCU）和超高分子量聚乙烯（UHMWPE）共混物很有前景。

三、骨折術(shù)前模型打印與患者手術(shù)指南

      3D打印可以從高分辨率的圖像數(shù)據(jù)中制造出精確的人體解剖模型，從計(jì)算機(jī)斷層掃描或磁共振成像中獲得數(shù)字圖像，數(shù)據(jù)可以導(dǎo)出為通用的醫(yī)學(xué)文件格式DICOM。經(jīng)過(guò)分割和渲染后，數(shù)據(jù)可以轉(zhuǎn)換成立體光刻格式（STL）并打印成三維虛擬模型如骨畸形、畸形愈合、骨腫瘤或關(guān)節(jié)內(nèi)復(fù)雜骨折。這種技術(shù)主要用于術(shù)前的手術(shù)計(jì)劃和向醫(yī)生病人解釋復(fù)雜的手術(shù)（圖一）。

注:圖一 用于肘關(guān)節(jié)手術(shù)虛擬術(shù)前計(jì)劃的1比1尺寸打印三維解剖模板（Bratislava大學(xué)附屬醫(yī)院創(chuàng)傷外科）

在骨科腫瘤學(xué)中，3D打印的模型可以用不同的顏色制作，可以清晰的區(qū)分不同的組織（血管、健康組織），這種模式廣泛應(yīng)用于醫(yī)院教學(xué)中。使用一些術(shù)前規(guī)劃軟件，現(xiàn)在可以用鈦或其它軟性和剛性的聚合物打印出定制的骨合成材料（如螺釘、鋼板）。Markus Buehler教授的文章中指出，打印的人造骨要想強(qiáng)壯并且有彈性，就需要膠原蛋白的軟性和羥基磷灰石的剛性。

麻省理工的研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了一套系統(tǒng)，用具有相似骨結(jié)構(gòu)的兩種合成聚合物材料包括一些天然和合成的珍珠層打印出了3D合成骨骼。實(shí)驗(yàn)證明，用此方法3D打印的骨骼顯示出更高的抗骨折能力，比正常骨骼高出22倍。

四、 定制骨科植入物、器械和塑料/金屬植入物原型

在3D打印的概念中，許多制造技術(shù)都是通過(guò)添加（金屬絲沉積、激光燒結(jié)、電子束熔化等）不同的制造材料（塑料如ABS尼龍、金屬等）來(lái)構(gòu)建的，尤其是在骨科和頜面外科領(lǐng)域，傳統(tǒng)的金屬材料（不銹鋼、鈷鉻合金或鈦合金）已經(jīng)開(kāi)始投入使用。而一些增材制造技術(shù)，如熔化電子束（EBM）和選擇性激光熔化（SLM）正在用于高質(zhì)量的定制化植入物中。

增材制造比傳統(tǒng)的生產(chǎn)技術(shù)（如鍛造或鑄造零件的加工）更加具有靈活性，我們可以創(chuàng)造出許多無(wú)法用傳統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的幾何設(shè)計(jì)，如髖關(guān)節(jié)杯或全膝關(guān)節(jié)假體，其目標(biāo)是開(kāi)發(fā)高度復(fù)雜、高度定制或所需數(shù)量少且其它生產(chǎn)技術(shù)具有開(kāi)發(fā)難度的產(chǎn)品，也包括制造鉆孔和切割導(dǎo)板以及用于固定骨折的其它金屬和高分子植入物。此外，定制植入物可以讓診所和醫(yī)院減少產(chǎn)品的儲(chǔ)存數(shù)量，但是目前的制造水平不允許完全定制化。

因此，3D打印的主要目標(biāo)之一是允許植入物制造商提供這些定制植入物，在不損失質(zhì)量的前提下保持合理的單位成本，降低造價(jià)。未來(lái)的植入設(shè)計(jì)正在向多孔或多孔/固體結(jié)構(gòu)發(fā)展（圖二），最大的限制因素是生物相容性。

注：圖二 3D打印多孔鈦合金（髖臼部分），具有骨內(nèi)生長(zhǎng)潛能

五、打印骨結(jié)構(gòu)-骨移植

考慮到骨移植需要一種在某種程度上既柔韌又堅(jiān)固，包含膠原蛋白成分，并且有利于礦化和血管化的結(jié)構(gòu)，還必須保持孔隙率和缺損處的移植匹配率。傳統(tǒng)的人工骨的制備方法，如溶劑澆鑄/鹽浸法、相分離法和發(fā)泡法等，存在許多局限性，如形狀限制、不一致性和不靈活、孔隙率和孔隙連通性缺乏控制等。

Reichert等人成功地利用3D打印制造出了能夠介導(dǎo)大骨缺損重建的骨移植材料，使用醫(yī)用級(jí)PCL-TCP，這些支架與BMP-7或干細(xì)胞（骨髓）相結(jié)合，與自體骨移植相比，是一種很有前景的骨愈合等效物。

Bio-impression 3D是骨移植打印的進(jìn)階技術(shù)。Xilloc公司與Next21 3Dprinting公司合作進(jìn)行的異體骨髓移植甚至創(chuàng)造出了骨替代物羥基磷灰石和磷酸鈣。此項(xiàng)技術(shù)并不是打印完整的骨骼，而是可以植入人體的人工骨基質(zhì)的一小部分，然后自行緩慢生長(zhǎng)（圖三）。

注：圖三 人工合成羥基磷灰石（HA）3D打印支架，具有骨替代的控制孔隙率（生物醫(yī)藥工程與測(cè)量系，機(jī)械工程學(xué)院，科希策理工學(xué)院）

另一種技術(shù)稱為CT 21-Bone。首先定義好骨骼確切的尺寸形狀，然后使用3D打印油墨以所需的形式打印3D骨骼，包括骨傳導(dǎo)和血管的區(qū)域。CT骨不用熱進(jìn)行骨移植，這使得人造骨與自體骨骼能更快的融合，愈合時(shí)間得到了提高。

目前的局限性不僅是生物相容性和生物降解性的問(wèn)題，也是干細(xì)胞和生長(zhǎng)因子的相容性受到熱處理和化學(xué)處理的限制的問(wèn)題。

六、假體周圍感染

髖關(guān)節(jié)或膝關(guān)節(jié)感染是一種較常見(jiàn)的并發(fā)癥，可能會(huì)降低關(guān)節(jié)置換的成功率。假體表面的細(xì)菌侵入鄰近的骨骼（假體周圍感染）并軟化，最終形成瘺管?？焖俪尚图夹g(shù)可以幫助解決植入物相關(guān)的感染問(wèn)題。打印墊片時(shí)使用特殊的具有抗生素涂層的專用墊片，以完美填充骨缺損，大大改善新骨發(fā)育的生物學(xué)條件。

七、脊柱融合

脊柱融合是一種常見(jiàn)的外科手術(shù)，通過(guò)消除兩個(gè)或兩個(gè)以上椎骨之間的運(yùn)動(dòng)來(lái)持久連接這部分椎骨。椎間融合器可以與骨移植聯(lián)合使用，是由骨誘導(dǎo)和骨傳導(dǎo)材料以及干細(xì)胞和生長(zhǎng)因子共同支持的鈦合金3D打印產(chǎn)品。3D打印的鈦籠孔隙率高達(dá)80%，基本上為骨細(xì)胞和血管結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)提供了理想的“支架”（圖4）。

這種植入物的設(shè)計(jì)和制造模擬了小梁骨的結(jié)構(gòu)，并為病患量身打造，不會(huì)破壞周圍骨骼的結(jié)構(gòu)完整性。進(jìn)一步的發(fā)展將是用充滿細(xì)胞的水凝膠制造固體生物可降解材料。

注:圖四 單個(gè)多孔脊柱籠架的3D打印原型（CEIT生物醫(yī)學(xué)工程）

八、臨床應(yīng)用的挑戰(zhàn)、問(wèn)題及未來(lái)趨勢(shì)

被稱為再生醫(yī)學(xué)的學(xué)科已經(jīng)在皮膚工程上取得了成功，軟骨、膀胱、尿管和血管有望成功植入患者體內(nèi)。這些結(jié)構(gòu)需要有能力將氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸送到周圍的組織中，直到它們形成自己的血管來(lái)供給身體所需。

再生醫(yī)學(xué)的Santo Grail設(shè)計(jì)了一些復(fù)雜的器官如腎臟、肝臟和心臟，然而這些器官需要利用自身氧氣供應(yīng)來(lái)確保生存的能力。經(jīng)過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，當(dāng)重新植入器官異性細(xì)胞時(shí)，這些器官已經(jīng)能夠在實(shí)驗(yàn)室中產(chǎn)生原始器官的一些功能。盡管再生醫(yī)學(xué)和快速成型技術(shù)取得了巨大的進(jìn)展，但仍有一些關(guān)鍵性的挑戰(zhàn)尚未解決。

血管形成/由血管內(nèi)皮細(xì)胞組成的功能性血管網(wǎng)絡(luò)的建立是其中之一，另一個(gè)挑戰(zhàn)是細(xì)胞來(lái)源和生長(zhǎng)因子，因?yàn)殚L(zhǎng)期的細(xì)胞存活是不可預(yù)測(cè)的。在快速成型/3D打印系統(tǒng)的可用性和商業(yè)化方面也存在許多限制，經(jīng)批準(zhǔn)用于醫(yī)療用途的生物打印機(jī)和材料的價(jià)格依然很高，因此僅少數(shù)研究團(tuán)隊(duì)和科研機(jī)構(gòu)在應(yīng)用。4D打印是在3D打印的基礎(chǔ)上加入“時(shí)間”變量進(jìn)行細(xì)胞重新編程的過(guò)程。

4D打印的目的是在生物材料支架中精確的嵌入活細(xì)胞和生長(zhǎng)因子，獲得與天然組織結(jié)構(gòu)非常相似的工程化組織結(jié)構(gòu)。

4D打印的應(yīng)用包括：（一） 4D打印血管和組織：支架、人造血管和其它對(duì)血壓、生理壓力或血流有反應(yīng)的替代品，以盡量減少對(duì)周圍組織的失血或損傷，如4D打印小口徑血管，從根本上解決了小口徑血管堵塞問(wèn)題，是小口徑血管制作史上的重大創(chuàng)新和突破；（二）智能繃帶：4D材料對(duì)受損組織有本能反應(yīng)，向燒傷部位供氧，以加快愈合，降低感染風(fēng)險(xiǎn)。它們通過(guò)生成抗生素或其他藥物切斷感染的擴(kuò)散。這些“智能繃帶”可以大大縮短嚴(yán)重?zé)齻颊叩挠蠒r(shí)間。（三）受損自愈：4D打印使新的皮膚在晶格網(wǎng)絡(luò)上生長(zhǎng)，晶格本身對(duì)傷口處的創(chuàng)傷做出反應(yīng)，并將自身改變?yōu)樽钯N合的形態(tài)。

九、總結(jié)

3D以及4D打印的創(chuàng)新技術(shù)的發(fā)展，解決了過(guò)去許多無(wú)法治愈的疾病。因此，將3D打印的創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用到日常生活中，加強(qiáng)研究、提高產(chǎn)品的實(shí)用性是醫(yī)務(wù)人員和制造商的責(zé)任。實(shí)現(xiàn)新型骨支架在低溫下以高分辨率打印，在骨愈合過(guò)程中有足夠的強(qiáng)度，允許血液交換和細(xì)胞內(nèi)流，將給我們?cè)诠怯虾凸翘娲矫鎺?lái)巨大希望。

The end

論文原文：R. Zamborsky, M. Kilian, P. Jacko, M. Bernadic, R. Hudak, Perspectives of 3D printing technology in orthopaedic surgery, Bratislava Medical Journal 120/7 (2019) 498-504

文章來(lái)源：《Bratislava Medical Journal》 2019年，120（7），498-504頁(yè)

論文導(dǎo)讀：

醫(yī)學(xué)上快速成型技術(shù)（RP）最廣泛的應(yīng)用主要集中在發(fā)展用于診斷、訓(xùn)練和計(jì)劃手術(shù)的模型，以及直接制造用于骨重建的植入物上。三維打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用正取得非凡的成果，例如器官、組織與修復(fù)體的打印。在不久的將來(lái)，許多身體部位可以輪流制造并植入病人體內(nèi)。

本文著重介紹了醫(yī)學(xué)3D打印以及4D打印在骨科領(lǐng)域的應(yīng)用包括骨折、骨不連、畸形骨、軟骨和軟組織重建等方面。隨著醫(yī)療3D打印技術(shù)的普及，人們對(duì)創(chuàng)傷和矯形外科的未來(lái)發(fā)展也有了全新的認(rèn)識(shí)。

      （論文首頁(yè)截圖）

一、 醫(yī)學(xué)快速成型術(shù)專注于外科手術(shù)

       計(jì)算機(jī)成像技術(shù)（CT、USS、MRI）的發(fā)展與進(jìn)步，CAD/CAM在形狀、尺寸和形態(tài)等方面達(dá)到微米級(jí)的精確性，以及一些測(cè)試材料和技術(shù)（RMT）的生物相容性對(duì)組織和器官的重建手術(shù)產(chǎn)生了重大影響。在這些技術(shù)的應(yīng)用中，與生物醫(yī)學(xué)工程相關(guān)的技術(shù)以15%的占比位居第三。

它們可以應(yīng)用于手術(shù)的訓(xùn)練、計(jì)劃、術(shù)中以及制造假體和植入物，可以重建軟組織（動(dòng)脈、肌肉、肌腱等）用于骨組織重建。大約14%的研究涉及到組織工程原型的開(kāi)發(fā)，根據(jù)過(guò)去五年發(fā)表的關(guān)于快速成型技術(shù)在生物工程的應(yīng)用的論文來(lái)看，這一領(lǐng)域的應(yīng)用更為重要。在生物醫(yī)學(xué)工程中，最適用的專業(yè)是放射學(xué)、醫(yī)學(xué)影像學(xué)、解剖學(xué)、外科學(xué)、骨科和牙科學(xué)，約占50%。

二、骨軟骨重建

       軟骨損傷的治療是治療關(guān)節(jié)炎癥中至關(guān)重要的。關(guān)節(jié)鏡等微創(chuàng)技術(shù)在這一領(lǐng)域起到很大作用。關(guān)節(jié)鏡下自體軟骨移植是一種簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的方法，只需一次手術(shù)就可實(shí)現(xiàn)透明軟骨的再生。因此，該方法具有成本低、針對(duì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可解決軟骨局部灶性病變的問(wèn)題，它允許軟骨下骨與透明軟骨的完全移植。傳統(tǒng)上，外科醫(yī)生必須使用刺激骨髓的方法，只能得到纖維軟骨組織的形成，遠(yuǎn)低于正常的透明軟骨的力學(xué)性能。

近年來(lái)，移植技術(shù)的革命性發(fā)展為軟骨細(xì)胞重建受損的透明軟骨開(kāi)辟了一條新的途徑，然而這項(xiàng)研究目前仍處于實(shí)驗(yàn)階段，它的長(zhǎng)期有效性需要得到進(jìn)一步驗(yàn)證。關(guān)于選擇的細(xì)胞類型，是骨髓基質(zhì)細(xì)胞還是軟骨細(xì)胞仍存在爭(zhēng)議。骨軟骨重建的重點(diǎn)在于提供促進(jìn)細(xì)胞遷移和分化的微環(huán)境。許多研究人員采用細(xì)胞、生長(zhǎng)因子和支架的組合。

例如，大多數(shù)半月板損傷需要縫合或切除撕裂的半月板，無(wú)血管區(qū)半月板修復(fù)的長(zhǎng)期臨床研究很少。3D打印的用于人造半月板的多孔聚碳酸酯-聚氨酯（PCU）和超高分子量聚乙烯（UHMWPE）共混物很有前景。

三、骨折術(shù)前模型打印與患者手術(shù)指南

      3D打印可以從高分辨率的圖像數(shù)據(jù)中制造出精確的人體解剖模型，從計(jì)算機(jī)斷層掃描或磁共振成像中獲得數(shù)字圖像，數(shù)據(jù)可以導(dǎo)出為通用的醫(yī)學(xué)文件格式DICOM。經(jīng)過(guò)分割和渲染后，數(shù)據(jù)可以轉(zhuǎn)換成立體光刻格式（STL）并打印成三維虛擬模型如骨畸形、畸形愈合、骨腫瘤或關(guān)節(jié)內(nèi)復(fù)雜骨折。這種技術(shù)主要用于術(shù)前的手術(shù)計(jì)劃和向醫(yī)生病人解釋復(fù)雜的手術(shù)（圖一）。

注:圖一 用于肘關(guān)節(jié)手術(shù)虛擬術(shù)前計(jì)劃的1比1尺寸打印三維解剖模板（Bratislava大學(xué)附屬醫(yī)院創(chuàng)傷外科）

在骨科腫瘤學(xué)中，3D打印的模型可以用不同的顏色制作，可以清晰的區(qū)分不同的組織（血管、健康組織），這種模式廣泛應(yīng)用于醫(yī)院教學(xué)中。使用一些術(shù)前規(guī)劃軟件，現(xiàn)在可以用鈦或其它軟性和剛性的聚合物打印出定制的骨合成材料（如螺釘、鋼板）。Markus Buehler教授的文章中指出，打印的人造骨要想強(qiáng)壯并且有彈性，就需要膠原蛋白的軟性和羥基磷灰石的剛性。

麻省理工的研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了一套系統(tǒng)，用具有相似骨結(jié)構(gòu)的兩種合成聚合物材料包括一些天然和合成的珍珠層打印出了3D合成骨骼。實(shí)驗(yàn)證明，用此方法3D打印的骨骼顯示出更高的抗骨折能力，比正常骨骼高出22倍。

四、 定制骨科植入物、器械和塑料/金屬植入物原型

在3D打印的概念中，許多制造技術(shù)都是通過(guò)添加（金屬絲沉積、激光燒結(jié)、電子束熔化等）不同的制造材料（塑料如ABS尼龍、金屬等）來(lái)構(gòu)建的，尤其是在骨科和頜面外科領(lǐng)域，傳統(tǒng)的金屬材料（不銹鋼、鈷鉻合金或鈦合金）已經(jīng)開(kāi)始投入使用。而一些增材制造技術(shù)，如熔化電子束（EBM）和選擇性激光熔化（SLM）正在用于高質(zhì)量的定制化植入物中。

增材制造比傳統(tǒng)的生產(chǎn)技術(shù)（如鍛造或鑄造零件的加工）更加具有靈活性，我們可以創(chuàng)造出許多無(wú)法用傳統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的幾何設(shè)計(jì)，如髖關(guān)節(jié)杯或全膝關(guān)節(jié)假體，其目標(biāo)是開(kāi)發(fā)高度復(fù)雜、高度定制或所需數(shù)量少且其它生產(chǎn)技術(shù)具有開(kāi)發(fā)難度的產(chǎn)品，也包括制造鉆孔和切割導(dǎo)板以及用于固定骨折的其它金屬和高分子植入物。此外，定制植入物可以讓診所和醫(yī)院減少產(chǎn)品的儲(chǔ)存數(shù)量，但是目前的制造水平不允許完全定制化。

因此，3D打印的主要目標(biāo)之一是允許植入物制造商提供這些定制植入物，在不損失質(zhì)量的前提下保持合理的單位成本，降低造價(jià)。未來(lái)的植入設(shè)計(jì)正在向多孔或多孔/固體結(jié)構(gòu)發(fā)展（圖二），最大的限制因素是生物相容性。

注：圖二 3D打印多孔鈦合金（髖臼部分），具有骨內(nèi)生長(zhǎng)潛能

五、打印骨結(jié)構(gòu)-骨移植

考慮到骨移植需要一種在某種程度上既柔韌又堅(jiān)固，包含膠原蛋白成分，并且有利于礦化和血管化的結(jié)構(gòu)，還必須保持孔隙率和缺損處的移植匹配率。傳統(tǒng)的人工骨的制備方法，如溶劑澆鑄/鹽浸法、相分離法和發(fā)泡法等，存在許多局限性，如形狀限制、不一致性和不靈活、孔隙率和孔隙連通性缺乏控制等。

Reichert等人成功地利用3D打印制造出了能夠介導(dǎo)大骨缺損重建的骨移植材料，使用醫(yī)用級(jí)PCL-TCP，這些支架與BMP-7或干細(xì)胞（骨髓）相結(jié)合，與自體骨移植相比，是一種很有前景的骨愈合等效物。

Bio-impression 3D是骨移植打印的進(jìn)階技術(shù)。Xilloc公司與Next21 3Dprinting公司合作進(jìn)行的異體骨髓移植甚至創(chuàng)造出了骨替代物羥基磷灰石和磷酸鈣。此項(xiàng)技術(shù)并不是打印完整的骨骼，而是可以植入人體的人工骨基質(zhì)的一小部分，然后自行緩慢生長(zhǎng)（圖三）。

注：圖三 人工合成羥基磷灰石（HA）3D打印支架，具有骨替代的控制孔隙率（生物醫(yī)藥工程與測(cè)量系，機(jī)械工程學(xué)院，科希策理工學(xué)院）

另一種技術(shù)稱為CT 21-Bone。首先定義好骨骼確切的尺寸形狀，然后使用3D打印油墨以所需的形式打印3D骨骼，包括骨傳導(dǎo)和血管的區(qū)域。CT骨不用熱進(jìn)行骨移植，這使得人造骨與自體骨骼能更快的融合，愈合時(shí)間得到了提高。

目前的局限性不僅是生物相容性和生物降解性的問(wèn)題，也是干細(xì)胞和生長(zhǎng)因子的相容性受到熱處理和化學(xué)處理的限制的問(wèn)題。

六、假體周圍感染

髖關(guān)節(jié)或膝關(guān)節(jié)感染是一種較常見(jiàn)的并發(fā)癥，可能會(huì)降低關(guān)節(jié)置換的成功率。假體表面的細(xì)菌侵入鄰近的骨骼（假體周圍感染）并軟化，最終形成瘺管?？焖俪尚图夹g(shù)可以幫助解決植入物相關(guān)的感染問(wèn)題。打印墊片時(shí)使用特殊的具有抗生素涂層的專用墊片，以完美填充骨缺損，大大改善新骨發(fā)育的生物學(xué)條件。

七、脊柱融合

脊柱融合是一種常見(jiàn)的外科手術(shù)，通過(guò)消除兩個(gè)或兩個(gè)以上椎骨之間的運(yùn)動(dòng)來(lái)持久連接這部分椎骨。椎間融合器可以與骨移植聯(lián)合使用，是由骨誘導(dǎo)和骨傳導(dǎo)材料以及干細(xì)胞和生長(zhǎng)因子共同支持的鈦合金3D打印產(chǎn)品。3D打印的鈦籠孔隙率高達(dá)80%，基本上為骨細(xì)胞和血管結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)提供了理想的“支架”（圖4）。

這種植入物的設(shè)計(jì)和制造模擬了小梁骨的結(jié)構(gòu)，并為病患量身打造，不會(huì)破壞周圍骨骼的結(jié)構(gòu)完整性。進(jìn)一步的發(fā)展將是用充滿細(xì)胞的水凝膠制造固體生物可降解材料。

注:圖四 單個(gè)多孔脊柱籠架的3D打印原型（CEIT生物醫(yī)學(xué)工程）

八、臨床應(yīng)用的挑戰(zhàn)、問(wèn)題及未來(lái)趨勢(shì)

被稱為再生醫(yī)學(xué)的學(xué)科已經(jīng)在皮膚工程上取得了成功，軟骨、膀胱、尿管和血管有望成功植入患者體內(nèi)。這些結(jié)構(gòu)需要有能力將氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸送到周圍的組織中，直到它們形成自己的血管來(lái)供給身體所需。

再生醫(yī)學(xué)的Santo Grail設(shè)計(jì)了一些復(fù)雜的器官如腎臟、肝臟和心臟，然而這些器官需要利用自身氧氣供應(yīng)來(lái)確保生存的能力。經(jīng)過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，當(dāng)重新植入器官異性細(xì)胞時(shí)，這些器官已經(jīng)能夠在實(shí)驗(yàn)室中產(chǎn)生原始器官的一些功能。盡管再生醫(yī)學(xué)和快速成型技術(shù)取得了巨大的進(jìn)展，但仍有一些關(guān)鍵性的挑戰(zhàn)尚未解決。

血管形成/由血管內(nèi)皮細(xì)胞組成的功能性血管網(wǎng)絡(luò)的建立是其中之一，另一個(gè)挑戰(zhàn)是細(xì)胞來(lái)源和生長(zhǎng)因子，因?yàn)殚L(zhǎng)期的細(xì)胞存活是不可預(yù)測(cè)的。在快速成型/3D打印系統(tǒng)的可用性和商業(yè)化方面也存在許多限制，經(jīng)批準(zhǔn)用于醫(yī)療用途的生物打印機(jī)和材料的價(jià)格依然很高，因此僅少數(shù)研究團(tuán)隊(duì)和科研機(jī)構(gòu)在應(yīng)用。4D打印是在3D打印的基礎(chǔ)上加入“時(shí)間”變量進(jìn)行細(xì)胞重新編程的過(guò)程。

4D打印的目的是在生物材料支架中精確的嵌入活細(xì)胞和生長(zhǎng)因子，獲得與天然組織結(jié)構(gòu)非常相似的工程化組織結(jié)構(gòu)。

4D打印的應(yīng)用包括：（一） 4D打印血管和組織：支架、人造血管和其它對(duì)血壓、生理壓力或血流有反應(yīng)的替代品，以盡量減少對(duì)周圍組織的失血或損傷，如4D打印小口徑血管，從根本上解決了小口徑血管堵塞問(wèn)題，是小口徑血管制作史上的重大創(chuàng)新和突破；（二）智能繃帶：4D材料對(duì)受損組織有本能反應(yīng)，向燒傷部位供氧，以加快愈合，降低感染風(fēng)險(xiǎn)。它們通過(guò)生成抗生素或其他藥物切斷感染的擴(kuò)散。這些“智能繃帶”可以大大縮短嚴(yán)重?zé)齻颊叩挠蠒r(shí)間。（三）受損自愈：4D打印使新的皮膚在晶格網(wǎng)絡(luò)上生長(zhǎng)，晶格本身對(duì)傷口處的創(chuàng)傷做出反應(yīng)，并將自身改變?yōu)樽钯N合的形態(tài)。

九、總結(jié)

3D以及4D打印的創(chuàng)新技術(shù)的發(fā)展，解決了過(guò)去許多無(wú)法治愈的疾病。因此，將3D打印的創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用到日常生活中，加強(qiáng)研究、提高產(chǎn)品的實(shí)用性是醫(yī)務(wù)人員和制造商的責(zé)任。實(shí)現(xiàn)新型骨支架在低溫下以高分辨率打印，在骨愈合過(guò)程中有足夠的強(qiáng)度，允許血液交換和細(xì)胞內(nèi)流，將給我們?cè)诠怯虾凸翘娲矫鎺?lái)巨大希望。

The end

論文原文：R. Zamborsky, M. Kilian, P. Jacko, M. Bernadic, R. Hudak, Perspectives of 3D printing technology in orthopaedic surgery, Bratislava Medical Journal 120/7 (2019) 498-504

文章來(lái)源：《Bratislava Medical Journal》 2019年，120（7），498-504頁(yè)