原型模式应用 全方位了解3D打印技术在骨科医疗中的应用

原标题：全方位了解3D打印技术在骨科医疗中的应用

3D打印是20世纪80年代出现的重要技术，近30年来发展迅速。3D打印技术有异于传统的削材及铸造技术：不仅使产品的物理结构发生变化，还能根据个性化需求定制，实现材料与病变部位的完全匹配，同时可携带细胞及生物活性微球进行骨缺损部位的原位打印。这些特点决定了该技术在生物医学领域有广阔的应用前景。

本文旨在对3D打印技术的原理及其在骨科的应用进行概述，并对其在未来的发展提出展望。目的是加深临床医生对3D打印技术的理解，同时也有利于其临床转化，为患者提供更加优质的医疗服务。

一、什么是3D打印技术

3D打印技术又称为"快速原型技术（rapid prototyping）"或"增材制造技术（additive manufacturing）"。

增材制造技术是一种以数字模型文件为基础，应用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过"分层制造、逐层叠加"的方式来构造物体的技术，它包括SLA、SLS、3DP、FDM等。

为了方便理解和推广，媒体将增材制造技术又称为3D打印技术。增材制造技术最早主要用于设计原型的制造，因此又称为快速原型技术。

30多年来，3D打印一般被用来通过数据软件制造物理模型。而近10年来，随着3D打印技术的发展，3D打印机的成本大大降低，其应用范围也得以拓展，现已应用到教学、医疗和科研等领域。

医学3D打印主要包括以下四个过程：

①打印物图像信息的搜集及数据化；

②图像数据信息的处理和转换；

③利用数据信息进行3D打印；

④打印物的后期处理和性能评估。

（一）打印物图像信息的搜集及数据化

通过X线、CT和MRI对所要打印的部位进行摄影，并将所得到的图像信息数据化，然后以医学影像软件常用的"DICOM"格式导出。

由于医学影像的分辨率远大于3D打印机的分辨率，使得通过医学影像学所获得的数据信息足够满足3D打印机的精度要求[2]。

（二）图像数据信息的处理和转换

打印物的图像数据信息还需要根据最终的打印需要进行相应的数据加工处理。医学领域常用的数据加工软件有Mimics软件（Materialise，比利时）、UG Imagewa软件（EDS，美国）和Geomagic Studio软件（Geomagic，美国）。

（三）利用数据信息进行3D打印

3D打印机可根据"STL"格式的数据化信息重建出打印物。一般FDM技术3D打印机打印精确度可达0.2 mm，而SLA技术可精确到0.025 mm，打印精度更高，目前已经能够量产。

（四）打印物的后期处理和性能评估

有时候需要对打印物进行去支撑、表面光滑、金属部件的淬火及回火等后期处理，必要时可进行部分机械加工，以弥补打印过程的局限性。同时对处理后的打印物根据其用途的不同进行相应的性能评估，如金属相分析、材料表面检测、运动学分析和有限元分析等。

二、3D打印在骨科的应用

（一）常用于骨科3D打印的技术及材料

3D打印技术无需工业模具，产生废料极少，单个制作与批量制作成本相比差距不大，因此在非批量制作中具有明显的成本和效率优势，极大地简化了从设计到产品实物的过程。目前最常见且与骨科直接相关的成型方法包括：

图1 常见骨科3d打印成型方法

目前供3D打印机使用的材料逐渐增多，包括胶原、壳聚糖等天然医用材料，聚乳酸、聚乙醇酸、聚醚醚酮等人工合成高分子材料，羟基磷灰石等生物活性陶瓷材料，钛合金等医用金属材料等。打印材料的选用与其用途密切相关。

图2 3D打印使用原材料

（二）3D打印在骨科的应用

1．术前规划

对于骨折患者，尤其是复杂骨折患者，术前有实体解剖模型用于分析或模拟操作较单纯依靠二维平面的MRI或CT扫描更具指导意义（图2）。

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