3D打印技術應用於足踝外科領域（yù）具有快速、個體化、直觀、可操作性強等優點。應用3D打印技術製作的足踝矯形器（qì）能實現（xiàn）個體化治療，並縮短製作時（shí）間;術前製備骨骼3D打印模型和導向模型可減少手術難（nán）度和術中透視次數，增強手術精確（què）性;術前應用3D打印技術製備個體化骨片和假體，可實現較好的匹配。該文（wén）就3D打印技術在足踝外（wài）科的應（yīng）用價值作一綜述。

 

足踝部具有骨骼及關節數量多、形態複雜、體積（jī）小（xiǎo）等特點，故該部（bù）位的創傷診治一直是骨科領（lǐng）域的難點之一。隨（suí）著計算機技術的（de）飛速發展（zhǎn），3D打印技術應運而生。借助於（yú）3D打印技術快速、個體化的優勢，一些足踝部位研究難（nán）點得以（yǐ）突破。本文就3D打印技術在足踝外科領域的應用現狀作一綜述。

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3D打印技術概述

 

廣義（yì）的3D打印技術又稱快速成型技術，是一種以數字模型為基（jī）礎，在計算機控製下以逐層打印（yìn）的方式構（gòu）造（zào）物體（tǐ）的技（jì）術。利用此技術可構造出任意幾何形（xíng）狀的物體。自Hull等在（zài）1986年製（zhì）造了第一台3D打印機以來，此項技術已經過30年的發展。進入21世（shì）紀（jì）後，由於計算（suàn）機技術的迅速升級（jí），3D打印機的效率、性能取得了長足的進步，其產量、銷量飛速上漲（zhǎng），價格逐（zhú）年降低，甚至出現了僅具有基本的家用3D打印機。如今（jīn）越來（lái）越多功（gōng）能強大的新式3D打印技術也在不斷湧現，這些新型3D打印機可打印更多不同材料、不同需（xū）求的物品。3D打（dǎ）印技術的發展使3D打印機的應用越來越廣（guǎng）泛，各行（háng）業（yè）都開始（shǐ）挖掘3D打印機在本領域的應用價值。

 

 

 

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3D打印的步驟與方（fāng）法

 

3D打印主要分（fèn）為3個步驟。第一（yī）步是在計算機上進行3D設計,即先建立3D模型（xíng），再將3D模型進行（háng）分區或切片（piàn），使之能（néng）夠（gòu）被3D打印機識別（bié）;第二步由打印機完成，即讀取3D模型的分區或切片數據並打印，然後將這些分區或（huò）切（qiē）片利用各種方式粘合（hé）成一整（zhěng）體;第三步將第二步打印出的實體進行再加工，使（shǐ）之更符合實際需求，從而完成整個打印過程。在臨床醫學領域，現代（dài）影像（xiàng）學技術如多排螺旋CT及（jí）MRI等檢查可以為3D打（dǎ）印提供製作模（mó）型的形態（tài）學（xué）參數。隨著臨床上（shàng）這些檢（jiǎn）查在的逐步（bù）常規（guī）化，3D打印在醫學領域也開始有了應用的（de）空間。

 

目前應用在醫學方麵的3D打印技術主（zhǔ）要有選擇性激光燒結、熔融沉積造型、多噴嘴成型技術和立體印（yìn）刷術（shù）等四種。選擇性激光燒（shāo）結技術是指用激光束在熱塑性薄片上進行選擇性切割，由此將CT或MRI的（de）每層圖像製成熱塑性薄片;然（rán）後將這些薄片層疊燒結，形成3D模型。該技術製（zhì）造出（chū）的模型有幾何精度高的優點，而其劣勢;但是，高昂的成本和粗糙的表麵，使之實用性較低。熔融（róng）沉積造型技術指將熔融的材料分（fèn）層塑型、凝（níng）固（gù）。這種方法可使不同的組織采用不同材料製作，各解剖結構可分別用不同顏色、類型的材料製成以示區分。所製模型幾何精度及表麵質量較高（gāo），但耗時較長，製成模型耗時可達24小時。作為最早（zǎo）出現的3D打印（yìn）技術，立體印刷術在醫學領域仍較為常（cháng）用。它的原理是讓需要成型的液態光敏樹脂在激光作用下選擇性地發生聚合反應，硬化後層疊製成模型。製成的模型具有可（kě）消毒、幾何精（jīng）度高、表麵質量高、細節等級高等（děng）優點，其細節等級和表麵質（zhì）量超（chāo）越熔融沉積（jī）造型技術，但也有耗時長的缺點。多噴嘴成型技術被稱為狹義的3D打印技術，打印方式類似於一台普通的噴（pēn）墨打印機（jī），即將粉末狀的材料逐層噴塗，最終形成模（mó）型成品（pǐn）。這種打印方（fāng）法（fǎ）缺點（diǎn）較（jiào）多，但其耗時較少且材料成本較低。若采用最新技術（shù）製成成品時間可壓縮至4h內，且仍（réng）有縮短的空間。

 

 

 

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3D打印技術在足踝外科中的應用

 

3.1個性化足踝矯形器定製

 

足踝矯形器是（shì）一種用（yòng）於控製足（zú）踝部運動的裝（zhuāng）置，可用於固（gù）定關節（jiē）炎、骨折損傷部位和糾正足踝部畸形。批量生產的（de）矯形器（qì）型號有（yǒu）限，無法提供個體化的服務以實現最佳矯（jiǎo）形效（xiào）果。定（dìng）製的足踝矯形器雖解決了上述問題，但其製（zhì）作耗時長且對工藝技巧要求高。3D打印的足踝矯形器應用逆向工程（chéng）和快速成形技術，在大幅降低個體化足踝矯形器製作難度、縮短製（zhì）作時（shí）間的同（tóng）時，可（kě）實現與（yǔ）定（dìng）製的足踝矯形（xíng）器相同，甚至更佳的效果。Faustini等利用激光燒（shāo）結技術製作出的足踝矯形器具（jù）有個性化的形狀和功能，且在抗壓力和抗扭力（lì）等方麵（miàn）表現良好。Mavroidis等通過激光掃描收集患者個體化數據，利用3D打印技術（shù）製作（zuò）模型，得到的成品與傳統的聚丙烯矯形器伸展性、彈性、抗彎、抗（kàng）壓等均相（xiàng）近。Creylman等應用激光燒（shāo）結技術為8例（lì）已使（shǐ）用定製（zhì）足（zú）踝矯形器超過2年的患者量身定製了新的足踝（huái）矯形（xíng）器，結果（guǒ）步行實（shí）驗顯（xiǎn）示這些足踝矯形器表現良好，其在跨步距離、跨步時間、起步時間上均（jun1）取得了（le）與定製足踝矯形器同樣（yàng）好的效果（guǒ），而製作這些足（zú）踝矯形器的時間(僅需1d)卻遠短於（yú）定製足踝矯形器。目前應用3D打印製作的足（zú）踝矯形器在（zài）各種測試和實驗中均表（biǎo）現良好，投入臨床應（yīng）用前景可期。

 

3.2足部骨骼模型的製備

 

足踝部骨（gǔ）骼多（duō）、形態複雜，對該部位進行手術需術者具（jù）有紮實的解剖知識、較強的空間想象能力、豐富的臨床經驗（yàn）和完善的術前設計。即（jí）使具備上述條件，患者個體化差異仍可導致手術（shù）難度增大和（hé）操作時間增加。在術前製備足踝部骨骼3D打印模型（xíng），可提供逼真的模擬（nǐ）手術環境，幫助術者對手術部位進行全麵（miàn）觀察和了解。此外，足踝部骨（gǔ）骼3D打印模型還（hái）可用（yòng）於（yú）術（shù）前預複位、術中鋼（gāng）板螺（luó）釘（dìng）置入及內固定模擬，並可對鋼板進行預塑型，從而進（jìn）一（yī）步調整手術（shù）方案，確定更合理、個體化的內固定物置放位（wèi）置和角度，以期實現更佳的手術效果，並（bìng）縮短術中操（cāo）作時間。

 

Kacl等將30例跟骨關節內骨折足（zú）踝部（bù）骨骼3D打印模型與普通2D、3D重（chóng）建圖像進行對比，發現3D打（dǎ）印模型與普通2D、3D重建圖像在跟骨骨折診斷方（fāng）麵並無明顯差異，認為與數（shù）字化虛擬模型相比，3D打印模型具有更強的可操作性，故在手術設計方麵（miàn）更為實用。Giovinco等介紹了采用3D打印技術輔（fǔ）助治療Charcot足，即采用普通的3D打印機製作數個廉價的患足骨骼模型，術者通過模擬手術有效降低了Charcot足晚期手術難度，提高了手術效率，從而（ér）減少手術風險，提高手術成功率。Bagaria等采用3D打印技術製作了1例16歲男性患者跟骨骨折(Sanders IIB型)模（mó）型，模型（xíng）清晰地（dì）展示了骨折情況（kuàng）;據此設計（jì）的手術獲得成功，患（huàn）者術（shù）後恢複（fù）良好，2年後骨折完全愈合。Chung等報（bào）道了1例3D打印模型用於單側（cè）關節內跟骨骨折手術，即先掃描了雙側跟骨（gǔ）的CT圖像，再應用鏡像技術，將健側跟骨打印成與患側跟骨相同大小的模型，術前利用該模型及影像學資料設計鋼板位置、釘道等，使內固定物既能穩定固（gù）定，又能以較小的切（qiē）口置入，並對（duì）鋼板進行預塑型，使其能更好貼合骨麵;術中直視（shì）下及X線透視下將模型與骨折處進行對比，以此（cǐ）為依據進行複位（wèi）、植骨及固定，最終手術獲得成功。章瑩等研究計算機快速成型技術輔助個體化治療三踝骨折的效果，並與常規手術進（jìn）行比較，發現雖然兩者手術切開暴露時間並無差異，但前者複位與固定時間較短，手術療效優良率也較高。金丹等應過逆向工程方法及三（sān）維（wéi）重建技術製備了用於下脛腓聯合分離固定中的導航模板，製備出的導向（xiàng）模板具有較好的匹配性，在下脛（jìng）腓聯合（hé）分離（lí）內固定臨床初步應用中顯示了良好的效果。骨骼3D打印（yìn）模型及導向（xiàng）模板有助於（yú）骨折複位、鋼板（bǎn）預彎、內固定物（wù）置放位置（zhì）及角度確定、截骨矯形（xíng）術設計等，因其能減少手術難（nán）度、增加手術準確性、減少術中（zhōng）X線透（tòu）視（shì）使用（yòng）次數，在臨床上具有較為樂觀的應（yīng）用（yòng）前景。

 

3.3植入物的個性化設計

 

足踝部損傷常會造成骨骼缺損，此（cǐ）時需進行適（shì）當的植（zhí）骨以重塑其結構完整性。但由於足踝部骨骼結構複雜，骨骼缺損呈不規則狀，因此對植入物（wù）塑形常在術中（zhōng）耗費大量（liàng）時間。利用足踝部（bù）骨骼（gé）3D打印模型，可在術前即應用（yòng）3D打印技術製（zhì）備個體化骨片和假體，不但較傳統方式節省手術時間（jiān），還能實現更好的匹配。由於技術（shù）限製（zhì），使用3D打印機直接打印鈦（tài）合金鋼板或螺釘（dìng）尚（shàng）處於試驗階段（duàn），目前（qián）3D打印技（jì）術主要用於預處理鋼板，經3D打印技術處理的鋼板（bǎn）較傳統鋼板更能個體化地適應患者骨骼情況，從而達到更佳的療效。Cooke等將可降解的（de）生物材料應用在3D打印中，成功製造出了符（fú）合要（yào）求的骨片。Leukers等應用3D打印（yìn）技術打印羥基磷灰石支架並在其上培養幹細胞，使這些支架成為類似人體骨骼的結構。3D打印技術可構造出任意（yì）形狀（zhuàng）的物體，因此其在足踝外科中的應用價值值得進一步研究。

 

 

 

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總結（jié）及展望

 

應用3D打印技術製作的（de）足踝（huái）矯形器不僅能實現個體化治療，還能減（jiǎn）少人（rén）工成本和時間成本。對複雜的足踝外科手術，3D打印模型和導向模板不僅（jǐn）能減少手術難度、減少術中透視次數，更能（néng）增強（qiáng）手術精確性。此外，3D打印技術（shù）也（yě）可應用於製造個體化植入物，隨著3D打印（yìn）模（mó）型表麵處理和幾何精確度等技（jì）術的進步，3D打（dǎ）印技術在直接打印（yìn）植入物方麵有巨大（dà）的（de）發展空間。然而，目前3D 打印技術仍存在（zài）一定的（de）不（bú）足。首先，雖然隨著技術的進步，3D打印模型（xíng）的成本逐年（nián）穩步（bù）下降，但仍相對稍高;其次，3D打印耗時仍過長，較難應用於急診手術;最後，3D打印技術的應用仍（réng）處於試驗階段（duàn），其應用範圍（wéi）需更多的探索，實際療效需臨床研究驗證。若3D打印技術（shù）能不（bú）斷改進及繼續發展，其在足踝外科的應用前景將十分廣闊。