什么是3D打印技术
3D打印又称增材制造(AdditiveManufacturing，AM)，是融合了计算机辅助设计、材料加工与成形技术、以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。相对于传统的、对原材料去除-切削、组装的加工模式不同，是一种"自下而上"通过材料累加的制造方法，从无到有。这使得过去受到传统制造方式的约束，而无法实现的复杂结构件制造变为可能。
随着医学影像学的发展，多排螺旋CT和MRI在临床诊断和治疗中起到重要作用，但影像学资料始终只能在平面上展示，缺乏立体感。通过3D打印技术，术前采集患者三维CT平扫数据，经过Mimics、CAD等计算机软件处理后，将三维数字化模型数据传入3D打印机。打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的材料利用激光束或热熔喷嘴等方式，在平面方向X－Y方向黏结成截面形状，然后在Z坐标方向将各层截面进行逐层叠加，黏合起来从而制造出一个三维实体[3]。
一
教学培训和术前规划
1、教学培训
3D打印出的模型可以用于教学培训，让医师对复杂的解剖结构进行学习和操作训练，复杂骨折模型可以给予保存来建立资料档案或病例库，具有良好的教育目的，有利于年轻医生进行解剖结构的学习以及手术模拟操作。
三维模型更容易进行骨折的病情讲解，可以帮助患者及家属理解病情状况，有利于医生和患者进行沟通，减少医疗纠纷。（见图一）
图一
、术前规划
传统进行术前诊断时，通过借助如X线片、CT及MRI图像影像学表现，来判断骨折的类型、移位方向等信息，虽然三维CT能够形成立体的图像，但还是在平面上展示，无法形成直观的立体结构，需要医生利用平面影像利用空间想象能力去推断真实的情况。
而3D打印技术的出现，使骨科医师对术前诊断方式发生重大改变。通过3D打印技术快速准确的制造真实的立体模型，可以准确了解真实解剖结构，在术前进行准确的诊断和分型，通过模型进行模拟骨折复位和内固定的选择，提前进行内固定的预弯和螺钉长度和入钉角度的设计等，并且可以进行不同治疗方案的反复模拟，来选择最合适的手术方案，有效的节省实际手术时间，减少术中出血，提高手术的安全性。（见图二）
图二
二
3D数字打印技术应用于创伤骨科的辅助器械设计
1、手术导航模板的设计
传统方法是在术中进行X线定位需反复确认，导致手术时间延长和射线暴露增加等缺点。
应用3D打印技术获得患者的骨折模型，使用计算机逆向工程设计出手术导航模板，可以与患者骨骼进行匹配定位，确定进针点和方向，可以提高植入物的准确性和安全性，具有手术时间短、术中出血少、骨折和脱位恢复更好等优点[4-5]。（见图三）
图三
、外固定支架的设计与制作
传统的外固定支架操作较复杂，且需要反复进行X线检查，对骨折复位的旋转移位或侧方移位难以把控，主要依赖于医生的经验，且反复的X线透视，会增加手术时间和射线暴露。
利用计算机进行虚拟复位后，设计外固定支架的进针点和结构，通过3D打印技术制造出外固定支架或模型，手术时在预先设计好的进针点打入螺钉，通过螺钉与外固定支架上的预留引导孔进行连接，间接的进行骨折复位，这种方法操作简单，能更好的进行精准复位，降低了对医生的经验要求，操作时间短，可避免大量X射线辐射，且具有个化治疗的优势。（见图四）
图四
在创伤骨科中，使用外固定支具固定骨折区的治疗或术后康复是最基本的。传统的外固定方法是使用小夹板、石膏、泡沫支具等，具有固定不牢靠、笨重、贴合性差、容易出现压疮等缺点，不利于长时间固定。
临床现已有医者通过扫描患者骨折区的模型，包括皮肤及软组织，使用计算机根据模型的外轮廓设计制作出符合患者个体的多孔外固定支具，通过3D打印技术进行打印，具有固定牢靠、贴合性好、轻便、通风、易于清洗等优势。（见图五）
图五
三
3D数字打印技术应用于创伤骨科的内置物定制
1、内固定物的定制
3D打印能够使用可植入材料打印内固定物用于骨折的内固定。对于一些病情严重或解剖结构较复杂区域的骨折，骨骼畸形的患者，可能会出现内固定产品与骨折部位无法有效的贴合，需要术中对内固定器械进行反复塑型，且患者存在个体差异，然而接骨板的型号是相对固定的，因而可能导致接骨板不合用，手术时间延长且频繁塑形增加内固定物断裂失效风险。
3D打印利用计算机辅助设计，根据患者自身的解剖特点打印出个性化内固定，使得内固定形状与患者骨骼更精准、更贴合，从而避免了在术中需要进一步对内固定进行反复折弯塑型等[6-7]。
钛合金、钛钢、钴铬钼合金、镁合金、磷酸钙医用无机材料、医用有机材料（自身干细胞、软骨组织及相似高分子化合物、可溶解塑料、降温融化墨水）等均是常用传统的医用3D打印材料。随着骨科植入物制造领域的新工艺、新材料、新的设计理念不断出现，PEEK材料已成为是当今医疗植入领域应用的一颗新星。
据报道，全球领先的特种化学品公司赢创工业集团推出了全球首款用于医疗植入物3D打印的植入级聚醚醚酮（PEEK）长丝，未来将广泛用于临床植入物的3D打印[8]。（见图六）
图六
、3D打印用于修复缺损
骨缺损可以是先天性或后天性的，创伤、感染、肿瘤或失败的关节置换术均可导致骨缺损，以往骨缺损治疗存在巨大困难和挑战。
3D打印技术的引入，可以克服大多数的骨移植和骨组织工程的局限性，现早已有3D打印技术用于生产鼻假体、人工耳廓、人工骨盆修复等临床报道。数字化骨科-3D打印技术在骨缺损的发展未来是非常有前途的[9]。（见图七）
图七
四
3D数字打印技术在创伤骨科应用的现状和局限性
在创伤骨科中有一部分需要急诊手术，术前无法在短时间内完成CT/MRI三维扫描进行打印，从而限制了3D打印在急诊患者手术中的应用。
3D打印导航模板定位时需要与骨性结构完美贴合，这就导致术中软组织剥离过多，影响骨愈合。国内由于受到经济成本的限制，以及导航模板的设计和打印时间较长，目前应用相对不多。
3D打印材料多种多样，但是对于需要植入体内的材料要求较高，仍需要进一步的开发出适应骨科所需的材料，其材料性能及行业准入制度还存有疑问。
我国被用于临床的3D打印内植物尚缺乏完善的法律法规，多数应用处于初级、试验性的临床阶段，需要完善相关法律法规。复杂的技术和材料问题甚至需要多学科多领域的合作，因此，3D打印技术目前仅在我国发达地区或大型医疗中心开展，尚难以普及。
虽然目前3D打印技术在创伤骨科中临床应用仍处于起步阶段，但3D打印技术通过全新的方式去解决目前创伤骨科手术的微创化、精准化、个体化难题，改变现有的手术模式，将具有很大的潜力，不久可能会打印出具有生物活性的组织，未来可以实现整个器官的打印，用于修复创伤所带来的缺损。综上所述，随着3D打印技术的普及和进一步的开发，将大力促进创伤骨科的发展[10]。
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数字化骨科作为骨科学研究的的前沿科学，内容涵盖3D打印技术、有限元分析、骨科机器人、计算机辅助设计与制造、导航、大数据分析及远程医疗等多个领域，下期小曼将带您了解数字化骨科在有限元分析方面的相关应用。
敬请