3D打印技術(shù)在脛骨高位截骨術(shù)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

余偉杰，劉愛峰，陳繼鑫

(天津中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院，國家中醫(yī)針灸臨床醫(yī)學研究中心，天津 300381)

脛骨高位截骨(high tibial osteotomy，HTO)是治療膝內(nèi)側(cè)骨關(guān)節(jié)炎的一種有效“保膝”方法，通過轉(zhuǎn)移不良下肢力線(hip-knee-ankle angle，HKA)，改善內(nèi)側(cè)間室軟骨磨損情況，延緩膝骨關(guān)節(jié)炎(knee osteoarthritis，KOA)進展[1]，包括內(nèi)側(cè)開放楔形截骨術(shù)和外側(cè)閉合楔形截骨術(shù)。傳統(tǒng)手術(shù)方式往往借助術(shù)者手術(shù)經(jīng)驗、C臂機下反復(fù)透視確定理想截骨方案，容易造成截骨量過多，手術(shù)時間、術(shù)中出血量增加，術(shù)后脛骨平臺骨折、后傾角改變、矯正過度或矯正不足等并發(fā)癥的發(fā)生，影響治療效果[2]。因此，精確的術(shù)前規(guī)劃和精細的術(shù)中操作是獲得滿意手術(shù)效果的必要條件。與此同時，人們對治療方式和手術(shù)效果的要求也不斷增加，越來越強調(diào)個體化、精準化治療。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)為HTO個體化、精準化治療提供了新的可能。

1 資料和方法

1.1 資料來源 由第一作者應(yīng)用計算機檢索PubMed、萬方數(shù)據(jù)庫、知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫中2010至2020年出版的相關(guān)文章，英文檢索詞為“3D printing”、“high tibial osteotomy”、“knee osteotomy”、“patient-specific instrumentation”；中文檢索詞為“3D打印”、“脛骨高位截骨”、“膝骨關(guān)節(jié)炎”、“截骨導板”。

1.2 納入標準 (1)論述HTO原理、并發(fā)癥及臨床應(yīng)用的文章；(2)論述3D打印技術(shù)及其分類的文章；(3)論述3D打印技術(shù)輔助HTO治療膝骨關(guān)節(jié)炎的相關(guān)文章。

1.3 排除標準 (1)重復(fù)性研究；(2)與主題相關(guān)性差的研究。

1.4 質(zhì)量評估 通過上述計算機檢索和人工檢索，共檢索到300余篇參考文獻，按納入標準進行人工篩選，排除與主題相關(guān)性差及重復(fù)、陳舊的文獻，最終納入38篇文獻。納入研究的文獻包括6篇中文，32篇英文。其中包含有綜述、META分析、臨床試驗、動物試驗等。文獻檢索流程見圖1。

圖1 文獻檢索流程圖

1.5 數(shù)據(jù)提取 本研究信息記錄側(cè)重于3D打印技術(shù)輔助HTO治療膝骨關(guān)節(jié)炎的應(yīng)用進展。

2 3D打印的原理及其分類

3D打印技術(shù)起源于20世紀80年代，也稱為增材制造技術(shù)(additive manufacturing，AM)或快速成型技術(shù)(rapid prototyping，RP)，是一種基于“加法制造”原理，以計算機生成的三維圖像為基礎(chǔ)，將陶瓷、液體、粉末、金屬、塑料以及活細胞等材料通過分層加工、逐層堆疊實現(xiàn)數(shù)字模型轉(zhuǎn)換為實體3D模型的數(shù)字化成型技術(shù)[3]。醫(yī)學3D打印通過MRI、CT、超聲等手段采集圖像數(shù)據(jù)后，先以醫(yī)學數(shù)字成像和通信(digital imaging and communication in medicine，DICOM)格式保存，再導入到Mimics、Osirix或Meshlab等數(shù)據(jù)加工軟件中，根據(jù)目標區(qū)域的閾值范圍對骨、軟骨、肌肉等組織數(shù)據(jù)信息進行相應(yīng)的分割截取，整個過程也稱為“閾值分割”。分割完成后，將體素數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為3D網(wǎng)格數(shù)據(jù)，生成“表面網(wǎng)格”，從而形成平滑的曲面。最后，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標準鑲嵌語言(standard tessellation language，STL)格式后導入到3D打印機中進行3D打印[4]。

目前，根據(jù)打印方式可分為：(1)光聚合固化打印。通過特定波長的光照射，逐層固化光敏樹脂材料，包括紫外激光照射的光固化成型技術(shù)(stereolithography appearance，SLA)、數(shù)字光處理技術(shù)(digital light processing，DLP)和連續(xù)光固化技術(shù)(continuous direct light processing，CDLP)等，具有精度高、速度快的特點，廣泛應(yīng)用于牙科、醫(yī)療器械、解剖模型等領(lǐng)域。(2)粉末熔化技術(shù)。依靠局部加熱來燒結(jié)或熔融粉末材料(金屬合金、聚合物、陶瓷、塑料等)，實現(xiàn)層疊打印，包括選擇性激光燒結(jié)(selective laser sintering，SLS)、直接金屬激光燒結(jié)(direct metal laser sintering，DMLS)、選擇性激光熔融(selective laser melting，SLM)和電子束熔融(electron beam melting，EBM)等，具有較好的生物相容性，可用于假體、內(nèi)植物和導航模板制作等領(lǐng)域。(3)噴墨打印。利用噴墨精準地噴射到基板上，實現(xiàn)逐層打印，是3D生物打印的主要方式，較多用于組織工程支架的制作，包括多噴頭成型(multijet modeling，MJM)、蠟沉積成型(wax deposition modeling，WDM)、激光誘導正向轉(zhuǎn)移(laser-induced forward transfer，LIFT)和粘合劑噴墨(binder jetting，BJ)等。(4)擠壓打印。將打印材料從噴頭擠壓堆積成型，包括熔融沉積成型(fused deposition modeling，F(xiàn)DM)和直寫成型技術(shù)(direct ink writing，DIW)。其中FDM技術(shù)較多應(yīng)用于藥物研制、模型制作；DIW是3D生物打印細胞懸浮液、細胞水凝膠和細胞外基質(zhì)溶液的最常用技術(shù)[5]，由于其具有數(shù)字精度，且能根據(jù)需要定制個性化模型，廣泛應(yīng)用于醫(yī)學教育、術(shù)前規(guī)劃、醫(yī)學假體或矯形術(shù)、術(shù)中個體化器械、內(nèi)植物制作、生物組織工程等領(lǐng)域[6]，近年來隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，手術(shù)技術(shù)的不斷進步，使得該技術(shù)在HTO中的應(yīng)用得到飛躍發(fā)展。

3 3D打印技術(shù)在脛骨高位截骨術(shù)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

近些年HTO的應(yīng)用給早期內(nèi)翻畸形KOA患者提供了“保膝”治療選擇，避免了過早進行全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)(total knee arthroplasty，TKA)。術(shù)前的個性化方案及術(shù)中的精準截骨是HTO手術(shù)取得滿意療效必不可少的因素。3D打印技術(shù)可以實現(xiàn)個性化手術(shù)方案及術(shù)中應(yīng)用個體化截骨導板(patient-specific instrumentation，PSI)做到精準截骨，也能為HTO翻修提供新的選擇，在實現(xiàn)HTO的個體化、精準化治療中具有重要作用。

3.1 術(shù)前規(guī)劃 骨科醫(yī)生通常依據(jù)X線、CT、MRI等影像信息和手術(shù)經(jīng)驗進行手術(shù)方案的制定，但由于解剖部位的復(fù)雜性，圖像數(shù)據(jù)缺乏三維立體感，容易造成術(shù)中截骨量過多、脛骨平臺后傾角改變、矯正不足或過度等情況的發(fā)生[2]。通過3D打印技術(shù)創(chuàng)建個性化截骨或自身解剖模型實現(xiàn)術(shù)前規(guī)劃，是目前3D打印技術(shù)在HTO手術(shù)方案制定中最主要的應(yīng)用方式。利用此模型，一方面可以模擬患者術(shù)后HKA情況，確定截骨位置、大小、角度等，制定出精確、個性化截骨方案，為之后的術(shù)中精準截骨奠定基礎(chǔ)；另一方面可以將術(shù)后實際效果與術(shù)前規(guī)劃的理想力線進行比較，評估手術(shù)效果；同時，術(shù)者還能在3D模型上進行模擬截骨，提高術(shù)中操作的熟練度和準確性。除此之外，基于截骨模型可向患者解釋病情，交代手術(shù)過程及術(shù)中存在的風險。

雙下肢負重位全長像是HTO術(shù)前測量髖膝踝角(hip knee ankle angle，HKA)的必要影像檢查，對于截骨位置的選擇至關(guān)重要。由于患者體位的改變，容易造成測量的HKA在術(shù)前和術(shù)中出現(xiàn)誤差，影響手術(shù)效果。Victor等[7]利用CT圖像創(chuàng)建患側(cè)和健側(cè)的脛骨、股骨模型，高精度地定位髖、膝、踝中心，模擬鋼板、螺釘放置位置、切割位置和方向，要求術(shù)后HKA與理想目標的誤差在冠狀面上小于1°，矢狀面上小于2°。Jones等[8]通過3D打印技術(shù)生成髖、膝、踝模型，在空間坐標系中進行畸形分析，確定脛骨近端內(nèi)側(cè)角(medial proximal tibial angle，MPTA)和脛骨近端后側(cè)角(posterior proximal tibial angle，PPTA)的矯正角度，在術(shù)前進行模擬截骨，以期在冠狀面和矢狀面上取得滿意的截骨角度。Perez-Mananes等[9]將內(nèi)側(cè)膝骨關(guān)節(jié)炎患者分成兩組，一組以熱塑性丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(acrylonitrile butadiene styrene，ABS)為原料，應(yīng)用FDM打印技術(shù)制作脛骨模型和PSI，在術(shù)前對克氏針置入的位置和方向、楔形截骨的位置、尺寸進行模擬，同時使用此模型來確認PSI的匹配度；另一組采用傳統(tǒng)術(shù)前規(guī)劃，發(fā)現(xiàn)前者在楔形截骨位置的準確性、手術(shù)時間、透視時間等方面較傳統(tǒng)術(shù)前規(guī)劃組有顯著優(yōu)勢，具有可重復(fù)性，值得臨床推廣應(yīng)用。Kwun等[10]以ABSplus-P430為原料，利用FDM打印技術(shù)制作截骨模型，在豬脛骨上進行了HTO手術(shù)，發(fā)現(xiàn)截骨角度和脛骨平臺后傾角(posterior tibial slope，PTS)在截骨前后與理想效果無明顯差異。Kim等[11]在Kwun等研究的基礎(chǔ)上開展臨床試驗，根據(jù)CT三維圖像模擬截骨平面和撐開的截骨間隙，以生物相容性材料ABS-M30i為原料，應(yīng)用FDM打印技術(shù)制作3D模型，對20例內(nèi)翻畸形KOA患者進行術(shù)前規(guī)劃，結(jié)果顯示術(shù)后患者HKA、機械股脛角(mechanical femorotibial angle，mFTA)得到有效改善，同時保留了PTS，避免了前交叉韌帶出現(xiàn)伸展受限和負荷增加，認為3D打印技術(shù)可以在保持PTS不變的情況下實現(xiàn)更精確的下肢矯正。陳金國等[12]將47例患者分為兩組，一組術(shù)前在2D視圖下測量出截骨位置、角度和截骨量，應(yīng)用FDM打印技術(shù)制作截骨模塊，術(shù)中行外側(cè)閉合楔形HTO聯(lián)合關(guān)節(jié)鏡清理，術(shù)后隨訪HSS評分較術(shù)前顯著提高；另一組采取傳統(tǒng)力線桿定位，發(fā)現(xiàn)前者手術(shù)時間、術(shù)中出血量、C臂透視次數(shù)均少于傳統(tǒng)組。Lin等[13]通過3D打印技術(shù)制作脛骨樣本，在體外對楔形截骨的內(nèi)側(cè)寬度、牽張高度和牽張角度進行生物力學分析，認為臨床應(yīng)用三角公式截骨時需要進行一定的校正，將理論基礎(chǔ)和臨床實踐有效結(jié)合。

3.2 PSI 3D打印患者PSI是滿足HTO手術(shù)精確性的一種方法。PSI通常是以術(shù)前下肢CT數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過3D打印技術(shù)制作出與患者目標骨靶向區(qū)域緊密結(jié)合，進行定位引導截骨的輔助器具[14]。它不僅提高了操作準確性，減少了手術(shù)時間，同時實現(xiàn)了個體化截骨。

Jones等[8]應(yīng)用3D打印技術(shù)，將尼龍材料構(gòu)成的PSI固定在內(nèi)、外踝和腓骨頭處輔助原始定位，減少脛骨近端截骨器占用面積，達到標準微創(chuàng)皮膚切口。Chaouche等[15]通過對100例內(nèi)側(cè)KOA患者進行PSI輔助下的開放楔形HTO，比較了HKA、MPTA、PPTA術(shù)前所需矯正角度與術(shù)后CT測量的實際矯正值的差值，結(jié)果顯示三者差值均在1°以內(nèi)，認為手術(shù)具有較高的精確度，但缺乏三維平面截骨準確性評估。Munier等[16]對10例患者使用3D打印PSI輔助手段，通過脛骨預(yù)鉆孔，PSI引導截骨達到預(yù)鉆孔與板孔相匹配的矯正，術(shù)后3個月截骨部位均愈合，術(shù)后1年HKA、MPTA在冠狀面上與目標值相差均小于2°，僅有1例患者術(shù)后矢狀面PTS與術(shù)前規(guī)劃相差大于2°。Fucentese等[17]以聚酰胺P2200為原料，應(yīng)用SLS打印技術(shù)制作出23例患者脛骨三維模型及PSI，術(shù)后平均HKA矯正精度可達(0.8±1.5)°，平均PTS變化為(1.7±2.2)°，認為PSI輔助下的HTO手術(shù)可以精準矯正HKA，同時保持術(shù)前PTS的角度。但上述PSI在使用TomoFix鎖定鋼板固定楔形開口時，拉力螺釘置入預(yù)鉆孔可能會產(chǎn)生較大誤差[18]。在此基礎(chǔ)上，Yang等[19]通過SLA技術(shù)，將生物相容性樹脂固化為具有鋸切深度的PSI，為雙平面截骨提供導向平面，術(shù)后患者下肢負重線比率(weight bearing line，WBL)與目標值之間的誤差為1.76%，PTS的誤差為1.9%，出血量在20 mL以下，不僅減少手術(shù)時間和輻射，還做到了精準截骨。Jacquet等[20]認為PSI除了提高HTO截骨準確度外，也縮短了臨床醫(yī)生的學習曲線，減輕手術(shù)醫(yī)生焦慮程度，減少了手術(shù)和透視時間，鼓勵臨床醫(yī)生開展此技術(shù)。Jud等[21]模擬PSI在HTO中的錯誤放置位置，分析其對軸向矯正和截骨術(shù)的影響，結(jié)果顯示PSI在可控范圍內(nèi)的移位對軸向矯正沒有影響；在冠狀面，2.5°的旋轉(zhuǎn)移位造成4.2°～4.4°的外翻角度；大于等于5 mm近端平移移位，會增加HTO手術(shù)失敗的風險，且較多發(fā)生在矢狀面；使用帶有額外穩(wěn)定鉤的PSI可以顯著降低螺釘錯誤放置的風險。

國內(nèi)的一些研究同樣也證實了3D打印截骨導板的臨床優(yōu)勢，劉云濤等[22]術(shù)前分析16例KOA患者脛骨平臺后傾程度，根據(jù)雙平面截骨線確定截骨平面后，以聚乳酸或鈦合金為原料進行3D打印PSI，配合關(guān)節(jié)鏡檢查，術(shù)中未出現(xiàn)“合頁”骨折，術(shù)后HKA、PTS均在理想范圍內(nèi)，認為此技術(shù)可維持術(shù)后PTS不變。高潤子等[23]應(yīng)用FDM技術(shù)將聚乳酸原料制成PSI輔助HTO，術(shù)后14例患者WBL、MPTA、關(guān)節(jié)線相交角(jointlineconvergenceangle，JLCA)得到有效改善，同樣保留了PTS，且未出現(xiàn)低位髕骨。高小康等[24]應(yīng)用3D打印PSI治療，患者術(shù)中創(chuàng)傷較小，可積極配合醫(yī)護人員進行早期膝關(guān)節(jié)屈曲、直腿抬高等功能鍛煉，6～8周后可開始完全負重。陳國仙等[25]在閉合楔形HTO治療中以聚乳酸為原料，應(yīng)用FDM打印技術(shù)制作PSI輔助截骨手術(shù)，術(shù)后優(yōu)良率達到了95%，HKA恢復(fù)良好，認為3D打印技術(shù)解決了術(shù)中透視次數(shù)過多和反復(fù)截骨的問題，取得滿意療效。

分析相關(guān)文獻，3D打印PSI優(yōu)點主要有：(1)基于患者CT數(shù)據(jù)制作的模板，體現(xiàn)了個性化原則；(2)實現(xiàn)下肢精準截骨，對HKA、MPTA、PPTA、WBL、JLCA具有顯著改善，同時保留了術(shù)前PTS；(3)縮短了手術(shù)時間，減少了出血量和透視次數(shù)，避免了反復(fù)截骨；(4)縮短臨床醫(yī)生的學習曲線，方便低年資醫(yī)生開展HTO手術(shù)；(5)降低螺釘錯誤放置的風險，提高手術(shù)成功率。

3.3 術(shù)后翻修 Spahn等[26]通過對46篇關(guān)于HTO的研究進行Meta分析，發(fā)現(xiàn)HTO術(shù)后10年翻修率大約為30%。對于HTO手術(shù)失敗的患者，最終可能需要進行TKA，其增加了患者痛苦和經(jīng)濟負擔，且術(shù)后常見關(guān)節(jié)僵硬、活動受限、功能受損等并發(fā)癥[27]。3D打印技術(shù)為需要進行HTO翻修手術(shù)的患者提供了新的選擇。Jones等[28]對4例患者進行翻修手術(shù)，通過創(chuàng)建虛擬的3D下肢模型，在空間坐標系中模擬反轉(zhuǎn)楔形截骨，利用尼龍材料進行3D打印制作PSI，術(shù)中配合單髁置換(unicompartmental knee arthroplasty，UKA)確認截骨角度并進行矯正，術(shù)后患者MPTA、PPTA、HKA均得到有效改善，且無并發(fā)癥發(fā)生，這是首例截骨術(shù)聯(lián)合單髁置換治療翻修HTO的報道。

4 思考與展望

3D打印技術(shù)在HTO中可以實現(xiàn)術(shù)前精準規(guī)劃，通過制作解剖或截骨模型制定理想手術(shù)方案；術(shù)中PSI輔助手術(shù)做到精準截骨；術(shù)后配合UKA進行HTO翻修手術(shù)，各方面優(yōu)點已對其進行綜述。但3D打印技術(shù)在HTO的應(yīng)用也存在一定局限性：(1)制備3D模型花費大量時間，尤其是三維成像和數(shù)據(jù)處理方面。(2)3D打印成本較高，主要是與打印材料相關(guān)，解剖或截骨模型的原料包括ABS、ABSplus-P430、ABS-M30i等[9-11]，PSI材料包括醫(yī)用尼龍[8]、聚酰胺P2200[17]、生物相容性樹脂[19]、聚乳酸[22-23，25]、鈦合金[22]等，原料相對單一，不同材料成本不同[29]。(3)3D打印方式較單一。根據(jù)上述研究提供的具體打印方式或根據(jù)3D打印機類型分析其原理，發(fā)現(xiàn)術(shù)前規(guī)劃中解剖模型的制作主要以FDM打印技術(shù)為主[9-12]，PSI制作包括SLS[17]、SLA[19]和FDM[23，25]打印技術(shù)，仍未確定最佳的打印方式。(4)以CT資料為基礎(chǔ)創(chuàng)建的三維模型，增加了患者承受的輻射總劑量。(5)臨床醫(yī)生往往不具備3D打印專業(yè)知識，需與專業(yè)技術(shù)人員相互配合。(6)在創(chuàng)建3D骨模型過程中，3D打印可能會導致骨結(jié)構(gòu)周圍相關(guān)軟組織、動脈、神經(jīng)等信息丟失，尤其是在HTO中。Spahn等[30]研究證實HTO可以修復(fù)部分軟骨損傷，術(shù)后約60%的深層軟骨可以再生；中醫(yī)同樣重視膝關(guān)節(jié)周圍軟組織功能，強調(diào)“骨正筋柔”理念貫穿整個“保膝”治療當中[31]。因此，軟骨及其他周圍軟組織信息的丟失可能會造成術(shù)后療效評估方面不全面，影響治療效果。(7)3D打印實物需要進行消毒、滅菌，不同材質(zhì)的滅菌方案是手術(shù)成功必不可少的一環(huán)，主要包括環(huán)氧乙烷消毒[9]、蒸汽滅菌[8，17，19]、低溫等離子消毒[24-25]等。(8)大部分3D打印模型具有靜態(tài)和無生命特征，無法充分模擬動態(tài)的人體組織[32]。此外，Martelli等[33]對158項3D打印技術(shù)在外科中的應(yīng)用進行系統(tǒng)評價，結(jié)果顯示制作3D解剖模型占71.5%，手術(shù)導航器具和模板占25.3%，兩者是目前3D打印技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域，整體應(yīng)用范圍相對較窄。3D打印技術(shù)在HTO中的應(yīng)用研究還存在選取樣本量較小，缺少長期、大樣本的隨機對照試驗來驗證遠期手術(shù)效果。

隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用材料的更新，越來越多的技術(shù)應(yīng)用于外科領(lǐng)域。3D打印中的低強度超聲可以促進干細胞的增殖和分化，HTO有望聯(lián)合干細胞治療KOA[34]；基于MRI創(chuàng)建的3D模型具有出色的組織特征，可以在改變患者下肢影像檢查方式的同時減少電離輻射[35]；Idaszek等[36]利用微流體打印噴頭制作3D結(jié)構(gòu)的軟骨組織，在體外能夠促進軟骨細胞分化，在體內(nèi)具有促進軟骨修復(fù)的潛能，聯(lián)合HTO為軟骨缺損的KOA治療提供了新的方向；多材料3D打印機的使用可以模擬不同的組織，術(shù)前通過增加截骨周圍軟組織信息，降低術(shù)中損傷神經(jīng)、血管的風險，提高手術(shù)成功率[37]；4D打印技術(shù)在3D打印基礎(chǔ)上加入時間維度，可以模擬人體組織的動態(tài)愈合和再生過程[38]，為將來HTO術(shù)后軟骨修復(fù)過程和機制研究提供模擬模型。盡管目前3D打印技術(shù)仍然存在一定局限性，但其精準化、個體化特點與醫(yī)學發(fā)展方向相吻合，相信未來3D打印技術(shù)可以更好地與HTO及其他“保膝”手術(shù)相結(jié)合，為“保膝”理念的推廣提供幫助。