3D打印钛合金在骨科的临床应用及进展

3D打印技术（3DP），又名增材制造（AM），是一种通过提取数据重建计算机三维模型逐层堆积打印实物的技术，通过提供有效的结合模式，可以打印出任何材质、以任意形式堆积的物体。这种独特的技术优势，使得3D打印材料可以精确模拟自体骨的结构，用于骨科的精准化和个性化治疗，将骨科带入个体化定制的新时代。目前已经投入临床应用的3D打印骨科植入物的材料主要包括有机物聚醚醚酮（PEEK）和金属钛合金两种。金属钛合金应用历史久、比强度较高、生物相容性好、耐腐蚀性好，目前应用较为广泛。其他金属材料如钽、锌合金、镁合金等，还未获得大范围应用。3D打印钛合金能够精确调控，快速构建出宏观和微观接近天然骨组织的植入物。3D打印被分为三个过程：首先收集3D影像资料，构建数字化三维模型等；其次，将钛合金粉末与细胞因子制成“生物墨水”，最后，应用生物3D打印机，根据骨科相关参数，改善生物打印体的结构和性能，最终制作出符合要求的骨科植入物。目前，临床中常应用于髋关节假体、膝关节假体，人工椎体等。Ricles等总结了美国自2000年来应用的3D打印医疗器械中各个类别所占比例，钛合金约占七成，3D打印钛合金早已成熟并且投入市场使用。本文对3D打印钛合金的生物打印方式、特性及骨科中的临床应用进展综述如下。

1、3D钛合金打印方式

3D打印的主要方式包括选择性激光熔融，立体光刻成型，电子束熔化成型和喷头式粉末成型打印技术等。其中适合打印钛合金的是选择性激光熔融技术（SLM）和电子束熔化成型技术（EBM）。EBM技术通过在高真空气下，应用磁导电子束逐层熔化金属粉末来制造植入物。EBM成型精度略差，但成型效率高，不需要二次热处理，适合骨科植入物的制造。目前，钛合金骨科植入产品多由EBM技术制备而成。SLM技术应用大功率光学激光器，将金属粉末熔合成固体植入物成型。SLM成型精度高，但成型效率较低，需要二次热处理，在骨科精细植入物制作和复杂结构成型方面更具有一定优势。

2、钛合金的特性

钛合金主要成分为Ti6Al4V，由于其良好的性能广泛应用于骨科。骨在结构上主要由外层的皮质骨和内层的松质骨组成，弹性模量分别约为0．5GPa和10～20GPa。致密钛合金的弹性模量约为110GPa，3D打印后钛合金材料弹性模量比普通钛合金降低，更接近骨的生理结构。钛合金生物相容性好，有利于骨长入和骨整合，适合骨科植入物的制备。钛合金不但具有刚性，而且柔韧性突出，具有良好的抗疲劳性，适合作为关节支撑物，可替代其他金属材料。钛合金不溶于强酸、强碱，在500℃仍具有很高的比强度，且对人体无毒害，具有良好的化学稳定性，适合植入人体。钛合金具有良好的耐腐蚀性、抗疲劳性和稳定性，相比较其他的金属材料，其弹性模量与骨更接近，适合应用于骨科。

3、3D打印钛合金在骨科的临床应用现状

3D打印钛合金目前已经广泛应用于骨科临床，如制作人工假体、内固定物、椎间融合器、导向板、人工骨小梁等。

脊柱外科的应用　脊柱手术精细复杂，手术难度大，随着时间推移，手术部位邻近节段退变、椎体活动度变差是椎体手术常见的并发症。选择适合椎体的植入物材料，改善并发症是脊柱外科手术需要解决的问题。钛合金具有良好的力学特性及抗压性，应用3D打印技术个性化制备植入物，适用于脊柱外科手术。北医三院刘忠军团队曾在2014年8月19日宣布将1例12岁尤文肉瘤患者的枢椎切除，并用3D打印的枢椎进行置换，克服了传统钛笼容易下沉和磨损前方食管的缺点。这是全世界首次报道将3D打印技术用于枢椎置换的案例。Lu等对15例本应行前路融合手术的患者实施了3D打印人工椎体植入，通过术后随访得到结论，利用这种精准的治疗方式，可以更大程度地还原解剖结构，预防术后并发症。随着3D打印技术的发展，钛合金结合3D打印技术一体化快速成型，制备个性化椎间融合器也在临床上得到了应用。Siu等利用3D打印钛合金治疗1例骨质疏松性腰椎骨折患者，传统的椎间融合无法匹配这例患者形变的终板，3D打印技术将终板形状作为参考，制备与患者匹配度高的植入物，术后6个月随访显示椎间高度恢复，无椎体变形等并发症。脊柱外科手术中椎弓根螺钉置钉的准确性至关重要，如果置钉不准确，将可能造成邻近组织和器官的损伤。3D打印导板的应用，提高了置钉的成功率，降低了置钉穿孔率和错误率，使手术操作更加精准，并可以减少医生在置钉过程中透视所带来的辐射。3D打印钛合金在人工椎体、椎间融合器、辅助脊柱修复手术的应用，提高了手术的精准化治疗，减少了手术并发症。

创伤外科的应用　创伤外科的患者情况复杂且具有个体性，患者多伴有多部位骨折或骨折损伤重、不易修复等特点。钛合金稳定性高，适合骨折修复，结合3D打印技术可以预先直观地进行判断和术前模拟，有利于术前计划准确实施，从而提高手术精度和效率，缩短手术时间，改善预后。Kim等评估了桡骨远端严重粉碎性骨折患者应用3D打印的锁定钛板与传统的锁定钛板之间的疗效，结果显示3D打印的锁定钛板拥有与传统锁定钛板相似的强度，可以根据骨折形态和骨解剖结构进行设计，肯定了3D打印应用于骨折治疗的研究前景。Shuang等统计了13例肱骨髁间骨折患者，其中6例应用3D打印钛板，7例应用传统钛板，结果显示应用3D打印钛板可以缩短手术时间，减少并发症。3D打印钛合金在创伤外科的应用更利于骨折修复愈合，改善预后。

关节外科的应用　人工关节置换术是治疗严重关节疾病的一种有效方法，关节置换能够明显改善临床症状、恢复功能。钛合金抗压性好、耐磨性高，适用于骨科人工关节的制备。近年来，钛合金结合3D打印技术，个性化制备与关节病变处匹配度合适的植入物越来越受到关注。丁育健等在2019年报道1例髋关节翻修的病例，患者曾经两次因“左侧股骨颈骨折”行切开复位内固定术，并于2006年进行髋关节置换，2019年行翻修术。患者身体条件和多次手术史使得手术难度和风险较高，为了提高手术成功率，该手术团队取得影像学资料重建后利用3D打印技术打印出与患者骨盆一致的模型以及拟进行更换的3D打印钛合金假体，进行了手术预演，保障了手术的顺利进行。李珏宏等利用3D打印钛合金垫块修复复杂髋臼骨缺损，术后随访未见假体松动，疗效可靠。评价关节置换成功与否的重要指标是术后是否改善疼痛等症状，提高生活质量，应用3D打印技术结合钛合金制备植入物，不但具有钛合金的优良特性，而且植入物与患者关节缺损处相容性好，减少了关节磨损等并发症，改善了患者生活质量。Ｗan等将42例需要进行髋臼修复的患者分为两组，其中一组运用3D打印的多孔钛合金材料，手术后分别在3个月、6个月、9个月随访，发现观察组跟对照组相比，SF－36评分明显升高，VAS评分明显降低，说明运用3D打印组有更好的疗效。Zhang等应用3D打印钛合金重建骨小梁来治疗早期股骨头坏死，为了评估髋关节功能，使用了术后Harris评分和疼痛视觉模拟评分（VAS）。在24个月的随访中，术后12个月的术后Harris评分显著增加，VAS评分显著下降，随着股骨头坏死的加重，Harris评分略有下降，VAS评分略有升高。术后改善率分别为ARCOⅡA期100％，ⅡB期70％和ⅡC期0。ⅡA期的髋部保留率为100％，ⅡB期的髋部保留率为100％，ⅡC的髋部保留率为50％。结果表明，3D打印钛合金治疗方法对早期股骨头坏死的效果令人满意，临床症状减轻。

骨肿瘤外科的应用　骨肿瘤手术，常常需要制备假体代替部分肢体，应用3D打印钛合金稳定性高，可塑性好，适合植入物制备。术后并发症少，更有利于骨肿瘤术后修复。林云志等在2020年报道了1例术前和术中应用3D打印技术的骨巨细胞瘤病例，术前采集影像学资料，制作了3D打印模型，进行直观的观察，根据手术方案个性化定制了3D打印的植入物，取得了良好的效果。雷青等于2017—2019年利用3D打印导板结合3D打印钛合金骨小梁进行了2例肱骨干肿瘤患者的治疗，术后进行随访，其中1例术后随访效果良好，另1例在术后14个月假体松动，再次行手术加固。随访至术后34个月，假体未再次移位。Ｗang等利用3D打印技术打印假体，应用于11例骨盆肿瘤患者，术后效果良好，未发现假体松动。Feng在2019年报道了1例胫骨成纤维细胞瘤的根治切除并利用3D打印钛合金抢救肢体，术后随访1年，假体未见松动，根据MSTS评分计算，功能恢复86．7％，假体与患者骨之间整合良好。骨肿瘤手术应用3D打印钛合金植入物可以获得更精准的解剖学重建，加快患者康复速度，取得更好的手术效果。

4、3D打印钛合金的技术改良

钛合金结合3D打印技术能够最大程度模拟自体骨结构，其微观孔径大小、孔隙率、孔隙形状都会影响材料的生物相容性。现有文献显示，对于3D打印钛合金最适孔径大小研究结论不完全一致。Peng等研究表明，3D打印钛合金孔隙率在60．95％～81．23％之间，孔径大小在480～685μm之间适合作为骨科植入物，依据此参数制造样品，支柱厚度在263～265μm之间，杨氏量模在2．23～6．36Gpa之间，屈服强度为21．36～122．85Mpa，具有良好的弹性模量和强度。Li等研究了孔径大小分别在300～400μm、400～500μm、500～700μm三组3D打印钛合金的生物相容性，最终证明孔径大小在300～400μm之间的材料，生物相容性明显好于其余两组。Taniguchi等人制作了兔胫骨缺损模型，利用300、600、900μm三组多孔钛合金进行植入，结果显示600μm组的骨长入效果最好。Cheng等制作了（15．0±2．9）％、（37．9±4．0）％、（70．0±3．5）％三种多孔钛合金材料，接种骨髓间充质干细胞，结果显示70％组的细胞生长最为旺盛。这与Tamaddon等的研究结果较为一致。另外有研究显示，表面粗糙的钛合金材料更利于成骨细胞增长。植入物的最适孔径大小有待于继续探索。3D打印钛合金的应用可以继续进行改良，根据患者实际情况添加不同成分进行优化。针对骨科手术感染，3D打印钛合金可以通过表面改性技术结合银、锌、铜等具有抗菌作用的金属。引入方式主要包括以合金方式引入材料，以表面修饰形式引入，方法包括：微弧氧化、电化学改性、磁控溅射、喷涂法、纳米球光刻技术等。针对骨科术后伤口不愈合，可以引入骨诱导成分，加快愈合速度。针对不同患者，引入不同成分，3D打印钛合金的改良技术可以进一步改善愈合，实现患者个性化治疗。

5、总结与展望

3D打印技术具有个性化、精准化定制的巨大优点，结合钛合金的优良特性，根据患者原本的骨骼结构进行定制，制造出与自身骨外形一致、微观结构相近的植入体，利用外形匹配的优点最大程度地恢复生物力学，缩短软组织重新适应的过程，更好的实现骨长入，更快地达到骨愈合。目前3D打印技术的临床应用也有其局限性：（1）精准个性化的3D打印过于依赖影像学资料，要求影像资料的精确度极高，某些影像学数据采集受限的特殊情况下，会影响3D打印材料的实施。（2）采集影像资料并制作3D钛合金打印，需要3D打印机、配套CT、MRI设备、钛合金材料、建模及软件系统，材料费用较高，部分患者难以承受；设备投入和使用需要医生与工程师共同配合，多学科之间相互协调，共同参与；目前受技术所限，制作周期较长，急诊手术难以应用。（3）在制造骨科植入物方面，3D打印钛合金最适力学性、降解度、孔径及空隙大小仍需要进一步研究；（4）3D打印钛合金短期效果满意，但由于应用时间不长，仍然缺乏长期随访结果及对于并发症的处理。

综上所述，3D打印钛合金技术虽然还有诸多问题亟待解决，但这项技术具有独特的优势，与目前提倡的精准医疗的理念相一致，在骨科领域具有巨大的研究价值。相信随着技术的不断深入发展，3D打印钛合金能够克服其目前缺点，产生质的飞跃。

来源：实用骨科杂志2021年9月第27卷第9期

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