骨科手术中的三维打印定制植入物

摘要

本协议概述了骨科手术中设计和实施定制3D打印植入物的临床和技术流程，旨在为复杂骨质流失或畸形患者提供个性化手术解决方案，尤其是标准植入物不足。

摘要

本方案的目标是概述定制三维（3D）植入物在骨科手术中的临床和技术流程，特别是在复杂骨质流失或畸形情况下，标准植入物不足以应对。虽然3D打印在医疗领域广泛应用，但其在骨科中的作用对于缺乏传统手术解决方案的患者尤其具有变革性。本文详细介绍了从患者初步评估和决策到植入物设计、制造及手术植入的逐步过程。关键考虑因素包括患者选择、明确期望，以及与生物医学工程师协作设计，以确保植入物的最佳贴合度和功能性。该方案强调了高分辨率CT成像、精密计算机辅助设计（CAD）以及先进制造技术（如金属植入物粉末床熔融）的关键作用。还讨论了后处理步骤，包括热处理、电放电加工和表面处理，以突出植入物生产中的质量保证。尽管早期效果有希望且有望改善治疗，但由于初期成本高昂、缺乏长期结局数据以及每个病例的个体化特性，3D打印植入物的使用仍然有限。尽管如此，其应用在定制化、手术规划和功能恢复方面具有显著优势，凸显了持续研究和完善的必要性。该方案为考虑将3D打印定制植入物融入骨科实践的临床医生提供了指导，旨在拓展复杂重建需求的治疗可能性。

引言

三维（3D）打印技术革新了骨科手术，使得创建针对患者的器械、定制植入物以及用于手术规划的术前解剖模型成为可能。该技术实现快速原型制作和定制，最终通过改进术前规划和个性化手术解决方案，使用定制植入物和器械提升手术效果。这些应用涵盖多个医学领域，而不仅仅是骨科^1,2。例如，在心胸外科中，3D打印用于打印肺动脉模型用于外科培训，而在制药行业，这项技术被用于制造具有特定性质、满足患者需求的药物。生成3D打印解剖模型有助于理解复杂医疗状况、提升诊断准确性和定向手术模拟^。此外，器官打印技术——也称为生物打印——的潜力难以估量，将重新定义现代医学。

在骨科手术中，3D打印技术极大提升了多种患者护理能力。例如，3D打印使外科医生能够为截肢患者定制假肢。这种个性化化增强了这些装置的功能，可能减少并发症并延长^{恢复时间。}此外，3D打印的解剖模型有助于外科医生进行术前规划，从而更好地可视化和模拟复杂手术，从而改善患者治疗效果。然而，骨科领域最大的进步之一是定制3D打印^植入物的应用。一项最近发表的关于骨科手术中3D打印的综述发现，在修复膝关节置换术中定制植入物具有^临床益处。虽然不常见，但有些骨科病理遗憾的是，标准植入物和器械的手术治疗选择有限。这些病例通常涉及大骨或软^{组织流失1,2}。这些病例中常用的传统手术方法存在高并发症风险、高失败率，即使成功，患者仍常常会对患者终身功能造成影响 ^1,2,4。3D打印彻底改变了外科医生处理此类病例的能力，并提供了此前无法获得的手术选项。本文重点介绍了3D打印定制植入物在骨科手术中设计和临床应用的关键步骤，并讨论了一些案例示例。

方案

所有受保护的健康信息均被排除在下面讨论的图片和数据中。无论如何，患者被告知了该研究及其临床影像的使用情况。已获得知情同意。该研究遵循了该机构的伦理政策。

1. 患者接触

1. 确定患者的病理状况是否适合定制3D打印植入物。
2. 确保患者符合使用定制植入物的相关标准。
   1. 为满足适当标准，确保没有现成的商业化标准植入物能够充分治疗患者的病理状况，并以低手术风险提供最佳功能效果
3. 全面的医疗优化。
   1. 确保所有医疗合并症均稳定并得到适当管理。例如，糖尿病患者必须有低A1c，心脏病患者必须进行适当的心脏检测，以确保手术安全。
4. 为患者/家属详细咨询定制3D植入物，包括其优缺点。
5. 对患者的手术末端进行计算机断层扫描（CT），并配备相应参数。
   1. 将文件存储为医学中的数字影像与通信（DICOM）文件。关键扫描参数包括像素大小不超过0.5毫米，切片间距不超过1.25毫米。根据所用扫描仪，kVp可调整在100到140之间。
   2. 捕捉所有相关解剖结构，如骨骼变形及扫描视野内周围手术区域，包括整个受影响及对侧前足、中足和后足，直至胫骨中部。

2. 植入物设计

1. 将患者影像（如CT扫描）及相关信息（如侧向、适应症等）一并转交给定制植入物制造商。请直接将图像作为DICOM文件上传到植入物制造商的在线门户，以便提交CT扫描。
2. 通过分段将患者从2D CT切片转换为术前解剖的3D模型，通过基于网格的建模软件（如Materialize Mimics）将骨骼解剖与周围软组织分离。
   1. 将DICOM扫描导入软件。
   2. 用 标准骨骼 窗口生成骨骼遮罩。
   3. 使用区域生长算法选择骨骼解剖结构，并将每块骨头分离到单独的掩体中。
   4. 使用 编辑遮罩 功能手动移除遮罩中所有非骨质区域。
   5. 利用 分割掩码 功能，分离所有未被区域生长算法自动分离的骨骼。
   6. 用 计算零件 函数将遮罩转换成零件。
   7. 用 导出 函数将每个骨骼导出为.stl文件中的单个部件。
3. 将每个骨头的.stl文件导入基于网格的建模软件。

3. 在基于网格的建模软件中设置初始植入物定位和设计。

1. 镜像对侧解剖以匹配受影响侧。
2. 根据对侧与受影响跟骨的对齐，使用网格对镜对侧解剖结构进行对齐。
3. 想象健康的距骨与不健康的关节空间对齐。
4. 使用专有算法（restor3d）理想化/平滑健康的距骨，创建初始植入体。
5. 调整受影响胫骨和腓骨的位置，以反映关节高度的变化，植入体由对侧距骨构成。
6. 与外科医生和工程师进行植入设计电话会议，审查分段三维解剖结构。
   1. 讨论原生畸形及对侧解剖的排列。
   2. 讨论额骨植入物及需要根据患者做的具体调整。
   3. 讨论植入物尺寸（95%100%，105%体积）。
   4. 如有需要，讨论软组织附着部位。
7. 使用专用软件（例如 Materialise 3-matic、SolidWorks）完成植入物设计计算机辅助设计（CAD）文件。
   1. 使用重嵌功能重新套入假体，以优化三角形大小和网格平滑度。
   2. 使用 局部平滑 或 高斯平滑 选项，使任何非解剖学突出物（如骨状突起）平滑。
   3. 填补骨腔以增强植入物的材料强度。
   4. 使用局部平滑工具确保开骨植入物的关节面与周围关节面相匹配。
8. 利用有限元分析或解析计算分析植入物的机械性能（如强度、表面积）。将预测性能与临床适应症预期的生理负荷及3D打印钴铬合金材料的已发表基准进行比较。
   1. 确认植入物的横截面积高于材料强度的最低值。

4. 3D印刷工艺

1. 将最终的植入设计CAD文件导出为设计软件的STL文件，或其他兼容的增材制造输入格式。
2. 切片
   1. 将STL文件导入3D打印机的原生软件。
   2. 根据植入物关键的解剖面向区域定义打印方向，将关节面远离打印板。
   3. 根据需要为悬垂特征生成支撑结构。
   4. 在打印机软件中开始切割过程，并转换为G代码指令。
3. 植入物的3D打印
   1. 使用选择性激光熔化（SLM）或同等粉末床融合技术，使用Ti-6Al-4V超低间隙（ELI）粉末制造植入物。
      注意：典型医用级粉末颗粒粒径分布为15-45微米，在惰性氩气氛围下处理，氧_{气浓度保持}在1.2 ppm≤。
   2. 应用打印机制造商优化的扫描参数（如3D系统），包括激光类型、功率、舱口间距和层厚。文献中报告的示例数值包括层厚30-60微米，舱口间距100-120微米，激光功率150-300瓦，方向在z轴（适用时）定义。
      1. 利用热源（如光纤激光或电子束）在惰性氩气氛围（≤ 1.2 ppm O₂）中选择性融合金属粉末（颗粒尺寸15-45微米），在构建板上逐层形成植入物。
   3. 控制相关参数，包括束能密度、粉末层厚度和构建板环境，以确保尺寸精度和机械完整性。
4. 后期处理
   1. 通过热等静压（HIP）优化植入物性能，消除残余孔隙、减轻应力并改善微观结构。文献中报告的典型条件包括：在惰性大气中，温度为1000巴，温度为~920°C，持续120分钟。
      注意：根据植入物材料和设计，可能会采用退火等替代热处理方法。
   2. 使用电放电加工（EDM）将植入物从打印平台上移除。利用受控火花侵蚀切割建筑薄底层，参数选择以最大限度减少热损伤并保持尺寸精度。
   3. 用手动工具拆除用于打印的支撑（如电磨、手工抛光机）。
   4. 进行表面处理以去除残留的粉末、固定装置，并调整粗糙度。喷砂处理所有多孔表面和手工抛光关节面。
      1. 按照SAE AMS 2488D II型进行阳极氧化，以提升耐腐蚀性和生物相容性。
5. 使用高度计和校准卡尺对成品植入物进行尺寸检查。当需要更高精度时，使用坐标测量机（CMM）与CAD模型进行确认测量结果。
   1. 通过目视和显微镜检查表面光洁度和孔隙度，以确保多孔结构和加工特征的准确性。确认表面粗糙度值（Ra）符合骨整合和仪器接口的设计规范。
   2. 通过对在同一打印板上打印的狗骨样品进行批次释放测试，验证机械性能。测试样品会经过拉伸测试，以确认机械强度是否符合Ti-6Al-4V ELI（或其他植入合金）已发布的基准。记录测试样品的尺寸测量以验证打印准确性。

5. 手术

1. 术前检查
   1. 参见患者会诊（步骤1）
   2. 进行术前咨询，评估手术的风险与益处。
   3. 获得手术的知情同意。
   4. 如有需要，请麻醉团队进行术前评估。
2. 手术过程（全距骨置换术）
   1. 将患者置于全身麻醉下，放置在手术台上，并固定在手术台上。
   2. 在所有突出骨骼区域施加适当的缓冲。
   3. 在手术末端绑上止血带。
   4. 然后，对手术末端进行无菌准备并包覆。
   5. 根据医院政策进行手术暂停，确认合适的患者、侧向位置和手术。
   6. 按照医院方案施用术前抗生素。
   7. 采用前方进入法，利用长伸肌与胫前肌腱之间的间隔，进入踝关节。
   8. 侧向收回神经血管束，并在整个过程中保护好它。
   9. 纵向识别并打开踝关节囊。
   10. 利用锯片、骨节和隆格切除本地缺孔/受损的碎骨。特别注意保护胫骨远端、桡骨和脚跟骨的关节面。
   11. 距骨取出后，使用尺度器确定合适的额骨植入物尺寸。
   12. 确定合适尺寸后，将合适尺寸的3D打印植入物植入脚踝。通过术中透视和临床评估确认正确放置位置。
   13. 然后，分层冲洗并闭合伤口。
   14. 涂上无菌敷料，并将患者放入厚厚的夹板中。
3. 术后方案
   1. 术后2-3周拆线。
   2. 根据具体情况，术后8-12周开始负重训练。
      注意：最初的承重是在靴子里，过渡到普通鞋需要几周时间。物理治疗为可选，但建议用于步态训练和提升灵活性。

结果

通常，由于样本量小且3D打印在医学领域的使用时间较短，3D打印在骨科手术中的长期代表性结果有限。目前有一些代表性数据可供参考。

以下是三个接受3D打印植入物治疗的患者例子，这些患者在面对大骨缺损或破坏性关节病变时，选择有限。所有植入物均采用上述方案设计。

病人1

一名43岁男性，患有慢性左脚踝疼痛病史。患者1在十多年前曾接受非手术治疗的额骨颈骨折。 图1 和 图2 显示的X光片和CT扫描显示，距骨缺血坏死伴有显著硬化和碎裂。邻近关节表面保存良好，但距骨表现出明显的碎裂和硬化，符合晚期距骨无血管坏死的表现。患者在一家外诊机构接受治疗，并接受了关节连接术，融合了髂骨下关节和踝关节。患者报告说，要能穿某些鞋子工作，需要完全活动范围，且患者不能进行踝关节融合。在与患者讨论选项时，我们讨论了一个选择，即定制3D打印的全距骨。这是一种相对较新的手术选择，没有长期数据;不过，这种选择可以保留他的关节和活动范围。我们详细讨论了该手术的风险以及长期数据的缺乏。然而，患者表示融合手术不是一个选项。经过广泛讨论，患者决定进行定制的3D打印全距骨置换手术。在这名患者的案例中，我们选择使用钛合金作为植入材料。这种材料具有与原生骨骼相似的生物力学特性，并且具有最佳的耐磨性能，以降低对周围软骨的损伤风险。

距骨设计与患者的对侧距骨相呼应，对侧距骨正常且无疾病。术后6周复诊时拍摄的影像见 图3。患者报告术后行走良好，无疼痛，功能水平有所改善。患者报告术后活动范围有所增加，背屈约10度，足底屈曲35度。

病人2

一名20岁女性，因已知第一跖骨巨细胞瘤继发左足疼痛和肿胀就诊。患者最初接受了切除术和骨移植——这是一种刮除肿瘤并用骨质替代的手术。X光和CT扫描成像（见图4和图5）显示，第一跖骨中心存在扩展性溶解性病变，与活检证实的巨细胞肿瘤相符。由于持续的活动症状和穿鞋加重，患者希望进行整个跖骨的手术切除。她过去尝试过一些侵入性较小、局部的手术，但都无效。跖骨的外科切除是一项大型手术，挑战在于重建切除区域。

在与患者会面时，我们讨论了她的选择，包括用3D打印的骨头替换整个跖骨，或者使用从她腿部采集的骨头，即腓骨自体移植。我们讨论了腓骨移植的风险，包括移植部位的发病率以及不合并的高风险。另一个选择是部分截肢，但她对此并不感兴趣。经过多次就诊与患者及其家属的深入讨论，她决定进行3D打印定制植入。定制的蹠骨笼可以保持患者的长度和解剖结构，提供比自体移植更坚固的机械结构，并且不携带自由腓骨摘取所带来的供区病症。通过与工程师进行设计电话会议创建的作前设计如 图6所示。该手术由骨科肿瘤团队共同进行，以确保切除过程得到适当。手术当天植入物的照片见 图7。与患者1一样，所选植入材料为钛合金，其生物力学特性类似于皮层骨。

术后，她被维持无负重状态共计12周。她12周时开始穿护具承重，4个月时逐渐脱离护具。术后3个月拍摄的X光影像（见图8）显示无硬件失效证据，植入物部分骨质整合。在她六个月的探访时，她已经完全戒掉了护靴，开始了低冲击活动。6个月复诊时的CT扫描显示，她的植入物与骨骼接触良好且稳定性良好，骨骼部分与植入物融合（见图9）。她手术已经一年多了，现在穿着普通鞋子走路也无痛。

病人3

一名34岁女性因距骨坏死及随后额骨顶塌陷导致的7年慢性右踝疼痛就诊。她的术前X光片见 图10。她还证明胫骨骨板和颅骨体存在骨坏死，胫骨镫骨和髭骨下关节有明显骨关节病。这被认为是过去长期住院期间长期使用高剂量类固醇的继发原因。

总体来说，由于右脚踝的慢性疼痛，她的日常活动受到了显著限制。她尝试了保守治疗，包括长期物理治疗、活动调整以及由初级保健医生开具的止痛药。鉴于她持续的症状，我们讨论了她的手术选项。根据她的影像，我们讨论过，鉴于她的额骨塌陷和额骨下关节炎，单独进行脚踝融合术可能不是好选择。我们讨论了最佳的手术解决方案是胫局部管（TTC）关节连接术。然而，她面临的挑战是由于额骨塌陷导致的显著关节高度下降，以及切除不健康的额骨骨后仍会留下的大骨质空洞。结构移植可使用股骨头异体移植;然而，文献中报道了高比例的嫁接植物沉降和失败率。此外，由于异体移植物形状难以合适且不完全合适，确保恢复她的身高也具有挑战性。另一个选择是3D打印定制的笼子。金属笼能够保持高度和解剖结构而不存在移植物下沉的风险，并且是一种机械结构坚固的结构。经过广泛讨论，她决定采用3D打印定制笼结构进行TTC关节接合手术。同样，笼子由钛合金制成，钛合金具有类似骨骼的生物力学特性。选择这种环境是为了模拟笼内骨骼生长的自然生物力学环境。术后3个月拍摄的影像见 图11。植入物恢复了她的踝关节高度，植入物与骨头交界处骨骼整合良好。

她被保持无负重状态12周。她开始穿靴子走路，4个月时转为表演。到6个月时，患者行走时已无疼痛，1年随访时踝关节无功能障碍。她不再受脚踝限制，活动量比手术前多了许多。

图1：患者1的术前X光片。（A，B）患者1左踝的术前榫眼（A）和侧（B）X光片。X光显示有显著的额骨无血管坏死，伴有硬化和碎裂。请点击此处查看该图的放大版本。

图2：患者1的术前CT。 （A-C）患者1的左踝术前轴向（A）、矢状面（B）和冠状动脉（C）CT影像。CT影像显示有显著的额骨无血管坏死，伴有硬皮和碎裂。请点击此处查看该图的放大版本。 

图3：患者1的术后X光。（A，B）患者1左踝术后AP（A）和榫眼（B）X光，摄于术后6周。6周时拍摄的X光显示距骨植入物的正确排列和位置。请点击此处查看该图的放大版本。

图4：患者2的术前X光片。（A，B）患者2右脚的术前负重前X光片（A）和侧（B）X光片。X光显示第一跖骨有一个大面积的骨性扩张性病变。请点击此处查看该图的放大版本。

图5：患者2的术前CT。（A-C）患者2右足的术前轴向（A）、矢状面（B）和冠状（C）CT切口。患者的CT扫描显示了病灶。请点击此处查看该图的放大版本。

图6：植入物在3D打印前的设计图。 这些是植入物设计阶段的例子，工程师利用患者的CT扫描成像绘制植入物的示意图。植入物通过螺钉固定在跖骨头上，植入物内。植入物通过龙骨固定在楔形内侧。 请点击此处查看该图的放大版本。

图7：三种植入体尺寸的临床图像。 该箱有三种尺寸，每种体积差异约5%。这样做是为了考虑术中CT扫描与实际患者解剖结构之间的任何差异。 请点击此处查看该图的放大版本。

图8：患者2的术后X光片。（A，B）患者2的术后负重AP（A）和侧面（B）X光片。术后三个月拍摄的X光显示植入物位置正确，植入物与原生骨之间排列良好且骨骼贴合良好。请点击此处查看该图的放大版本。

图9：患者2的术后CT。（A，B）术后CT扫描矢状面（A）和轴向（B）影像显示，骨与植入物界面的硬件稳定且骨贴合良好，骨形成及植入物与原生骨的整合。这次CT扫描是在术后6个月时进行的。请点击此处查看该图的放大版本。

图10：患者3的术前X光片。（A，B）患者3右踝的术前AP（A）和外侧（B）X片。患者有显著的额骨塌陷以及踝关节和额下关节炎。请点击此处查看该图的放大版本。

图11：患者3的术后X光片。（A，B）患者3右踝的术后AP（A）和外侧（B）X光。患者6个月随访时拍摄的X光片显示，该装置已就位，融合部位的骨质定位良好。她的踝关节高度恢复。请点击此处查看该图的放大版本。

讨论

定制3D打印植入物在骨科手术中并不常见;然而，它们在挑战案件中的实用性在上述案例中得到了体现。对于这些患者来说，没有3D打印，手术解决方案非常有限，即使是最好的选择也带来了高风险和功能性后果。在设计定制植入物的过程中，有许多重要步骤需要考虑。首先是该手术盒是否适合定制种植。这需要对所有替代方案及其利弊进行深思熟虑。让患者和家属参与这些讨论非常重要。定制3D植入物较新，文献有限，因此必须向患者普及其实验性质。

第二个关键步骤是种植体设计。外科医生必须考虑多个因素，包括种植体尺寸、手术方法、植入所需的器械以及手术目标。这包括为有3D打印经验的外科医生提供咨询，同时与工程师合作设计项目，完成植入物的设计。一旦植入物生产开始，修改空间有限;因此，设计阶段至关重要。

尽管3D打印在骨科手术中潜力巨大，但仍面临诸多挑战。一个显著的限制是该技术相关的高成本。种植体的费用根据病例复杂程度，可能在14,000美元到20,000美元之间。然而，随着3D打印技术的不断发展，预计生产成本将^{随时间下降}1.另一个关键限制是缺乏长期结果数据。一项最近发表的回顾性多中心研究评估了3D打印距骨替换物治疗无血管性坏死的^安全性。他们的研究共计15名随访至少一年的患者，认为早期结果有希望且结局良好。Adams等人在3D打印笼子中展示了类似的安全效果，针对大型骨缺损患者^5.在他们的研究中，他们比较了8名接受定制笼手术的患者与7名接受大型同体尸体移植手术的患者。Kadakia等^人评估了22名患者在两年内对全距骨关节置换术的疗效。他们注意到短期随访功能显著改善。有趣的是，日本有几项研究评估全距骨关节置换术后的长期疗效。在这两项研究中，他们进行了超过10年的术后随访，发现患者在全距骨置换或仅做额骨体置换后，患者报告的结局良好 ^7,8。需要注意的是，这些植入物并非定制或3D打印，而是陶瓷制;因此，这些数据无法转化为目前金属定制的完全塔罗斯替换件。无论如何，值得注意的是，这一手术和概念已经存在相当长一段时间，但只是在治疗严重镫骨病变中越来越受欢迎。尽管该手稿主要关注下肢病例，但3D打印在骨科中的应用已扩展至多个亚专科^领域。远端桡骨骨折可能对患者造成严重的功能性后果，矫正该畸形所需的矫正截骨术非常困难，因为需要考虑多个矫正层面。前臂骨折如果愈合不当，也同样需要考虑旋转力。多项近期发表的研究发现，定制3D打印切割导向器和仪器可以帮助解决这些具有挑战性的上肢畸形矫正^案例。

值得注意的是，尽管定制3D打印植入物和仪器取得了令人期待的效果，但最近发表的研究样本量非常小，短期随访为^6、7、8。目前很少有研究证明3D打印植入物的长期效果，因此需要进一步研究以评估其长期耐用性和有效性。这部分原因在于该技术相对较新，且3D打印所指的病理现象并不常见。此外，由于这些植入物高度可定制化，在不同病例中推广结果非常具有挑战性。

无论如何，3D打印的潜在优势从上述示例和现有文献中显而易见。其中最引人注目的优势之一是能够以独特的方式复制人体解剖结构，这在以前是不可能的。定制化使植入物能够精准地针对患者个体定制，直接匹配手术需求。随着CT成像和3D打印技术的不断进步，植入物变得越来越精准、耐用且^{具有成本效益 1,2}.

总体而言，3D打印仍是一项快速发展的技术，为骨科手术提供了日益广泛的可能性。随着技术的成熟，未来的应用可能包括开发更复杂、相互关联的结构。随着我们对单骨和关节植入物的熟练掌握，下一步是探索更复杂、多元分的植入物。虽然目前的植入物主要采用生物相容金属合金，但3D打印的另一个重要进展将包括未来软组织重建的创新，如生物打印以创造软骨¹¹。3D打印是一个令人兴奋且不断发展的技术领域，其在骨科手术中的应用将随着技术的变化不断增长和适应。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
跖骨钛笼植入物	Restor3D	https://www.restor3d.com/	定制植入;钛合金（Ti-6Al-4V）
球形钛笼植入物	Restor3D	https://www.restor3d.com/	定制植入;钛合金（Ti-6Al-4V）
完全置换距骨	Restor3D	https://www.restor3d.com/	定制植入;钛合金（Ti-6Al-4V）