3D打印技術應用（yòng）於足踝（huái）外科領域具有快速（sù）、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能實現（xiàn）個體化治療，並縮短製作時間;術前製備骨骼3D打印模型（xíng）和導向模型可減少手術難度（dù）和術中透（tòu）視次數，增強（qiáng）手術（shù）精確性;術前應用3D打印技（jì）術製備個體化骨片和（hé）假（jiǎ）體，可實現較好的匹配。該文就3D打印技術在足踝（huái）外科的應用價值作一綜述。

 

足踝部具有骨骼及關節數量多、形態複雜、體積小等特點，故該部位的創傷診治一直是骨科領域（yù）的難點之（zhī）一。隨著（zhe）計算機技術（shù）的飛速發展，3D打印技術應運而生。借助於3D打印技術快（kuài）速、個體（tǐ）化的優勢，一些足踝部位研究（jiū）難（nán）點得以突破。本文就3D打印技（jì）術在（zài）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（gài）述

 

廣義的3D打印技術又（yòu）稱（chēng）快速成型技術，是一種以（yǐ）數字模型（xíng）為基礎，在計算機控製下（xià）以逐層打（dǎ）印的方（fāng）式構（gòu）造物體的（de）技術。利用此技（jì）術可構造出（chū）任意幾何形狀的物體。自Hull等在1986年製造了（le）第一台3D打印（yìn）機以來，此項技術已經（jīng）過30年的（de）發展。進入21世（shì）紀後，由於計算（suàn）機（jī）技術（shù）的迅速升級，3D打印機的效（xiào）率、性能取得了長足的進（jìn）步，其產量、銷量飛速上漲，價格逐年降低，甚至出現了僅具有基本的家用3D打（dǎ）印機。如今越（yuè）來越多功能強大的新式（shì）3D打印技術（shù）也在不斷湧現，這些新（xīn）型3D打印（yìn）機可（kě）打印更多不同材料、不同需求的物品（pǐn）。3D打（dǎ）印技術的（de）發展使（shǐ）3D打印機（jī）的應用越來越（yuè）廣泛，各行業都開始（shǐ）挖掘3D打印機在本領域的應用價值。

 

 

 

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3D打印的步驟與方法

 

3D打印主要分為3個步驟。第一步是在計算機上進（jìn）行3D設計,即（jí）先（xiān）建立3D模型，再將3D模型進（jìn）行分區或切片，使之（zhī）能夠被3D打（dǎ）印機識別;第二步由打（dǎ）印機完成，即讀取3D模型（xíng）的分區或（huò）切（qiē）片數據並打印，然後將這（zhè）些（xiē）分區或切片利用（yòng）各種方式粘合（hé）成一（yī）整體;第三步將第二步打印出的實體進行（háng）再（zài）加工，使之更符合實（shí）際需（xū）求，從而完成整個打印過程。在（zài）臨床醫學領域，現代影像學技術如多排螺旋CT及MRI等檢（jiǎn）查可（kě）以為3D打印（yìn）提供製作（zuò）模型的形態學參數。隨著臨床上（shàng）這些檢查在的逐步常規化，3D打印在醫學領（lǐng）域也（yě）開始有了應用的空間。

 

目前（qián）應用在醫學方麵的3D打印技（jì）術主要（yào）有選擇性激光燒結、熔融沉積造型、多噴嘴成型技術和立體（tǐ）印刷術等四種。選擇性激光（guāng）燒（shāo）結技術是（shì）指（zhǐ）用激光束在熱塑性薄片上進行選擇（zé）性（xìng）切割，由此將（jiāng）CT或MRI的每層圖像製成熱塑性（xìng）薄片;然後將這些薄片（piàn）層疊燒結（jié），形（xíng）成3D模（mó）型。該技術製（zhì）造出的模（mó）型有幾（jǐ）何精度高的（de）優點，而其劣勢;但是，高昂（áng）的成本和粗糙的（de）表麵，使之實用性較低。熔融沉（chén）積造型技術指將熔融的材料分層塑型、凝固（gù）。這種方法可使不同的組織采（cǎi）用不同材料製作，各解剖結構（gòu）可分別（bié）用不同顏色、類型的材料製成以示區分。所製模型幾（jǐ）何精度及表麵質量（liàng）較高，但（dàn）耗時較長，製（zhì）成模型耗時可達24小時。作為最早出現的3D打（dǎ）印技術（shù），立體印刷術在醫學領域仍（réng）較為常用。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（dì）發生聚（jù）合反應，硬化後（hòu）層疊（dié）製成模型。製（zhì）成的（de）模型具有可消毒、幾何精度高、表麵質量高、細節等級（jí）高等優點，其（qí）細節等級和表麵質量超越熔融沉積造型技術，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（yú）一台（tái）普通（tōng）的（de）噴墨打印機，即將粉（fěn）末狀的材（cái）料逐層噴塗，最終形成模型成品。這種打印方法缺點較多，但其耗時較少且材料成本較低。若采用最新技術製成成品時間可（kě）壓縮（suō）至4h內，且仍有縮短的空間。

 

 

 

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3D打印技術在足踝外（wài）科中的應用

 

3.1個性（xìng）化足踝（huái）矯（jiǎo）形（xíng）器定製

 

足踝矯（jiǎo）形器是（shì）一種用於控製足踝（huái）部運動的（de）裝置，可（kě）用於固定關節炎、骨折損傷（shāng）部位和糾正足踝部畸形。批量生產的矯形器型號有限，無法提供個體（tǐ）化的服務以實現最佳矯形效果。定製的足踝矯形器雖解決了（le）上述問題，但其製作耗時長且對工藝技巧要求高。3D打印的足（zú）踝矯形器（qì）應用逆向工程和快速成（chéng）形技術，在大幅降低個體化足踝矯形器製作難度、縮短製作時間的同時，可實現與定製（zhì）的（de）足踝矯形器相（xiàng）同，甚至更佳的效果。Faustini等利用激光（guāng）燒結技術製作出（chū）的足（zú）踝矯形器具有個性化的形狀和功能，且在抗（kàng）壓力和抗扭力等方麵表現良（liáng）好。Mavroidis等（děng）通過激光掃描收集患者個體化數據，利用3D打印技術製作模（mó）型（xíng），得到的成品與傳統的聚丙烯矯形器伸展性（xìng）、彈（dàn）性、抗彎、抗壓等均相近。Creylman等應用激光燒結技術為8例已使用定製足踝矯形器超過2年的患者量（liàng）身定製了新的足踝矯形（xíng）器，結果步行實驗顯示這些足踝矯形器表現良好，其在跨步距（jù）離、跨步時間、起步時間上均取得了與（yǔ）定製足踝矯形器同樣好的（de）效果，而製作這些足踝矯形器的（de）時間(僅需（xū）1d)卻遠短於定製足踝矯（jiǎo）形器。目前應用3D打印製（zhì）作的足（zú）踝矯形（xíng）器在各種測試和實驗中均表現良好，投入臨床應用前（qián）景可期。

 

3.2足部骨骼模型的製備

 

足踝（huái）部骨骼多、形態複雜，對該部位進行手術需術者（zhě）具（jù）有（yǒu）紮實的解剖（pōu）知識、較強的空間想象（xiàng）能（néng）力、豐富的臨床經（jīng）驗和完善的（de）術前設計。即使具備上述條件，患者個體化差異仍可導致（zhì）手術難度增大和操作時間增加。在術前（qián）製備足踝部骨骼3D打印模型（xíng），可提供逼真的模擬手術環境，幫助術者對手術部位（wèi）進（jìn）行全麵觀察和了解。此外，足踝部（bù）骨骼3D打印模型還可用於術前預複位、術中鋼板螺釘置入及內固定（dìng）模擬，並可對鋼板進行預塑型（xíng），從而進一（yī）步調整（zhěng）手術方（fāng）案，確定更合（hé）理（lǐ）、個體化的內固定物（wù）置放位置和角度，以期實現更佳的手術效（xiào）果，並縮短（duǎn）術中操作時間。

 

Kacl等（děng）將30例跟骨關節內骨折足踝部骨骼3D打印模型與普通2D、3D重建圖像進行對比，發現3D打印模型與普通2D、3D重建圖像在跟骨骨折診斷方麵並無明顯差異，認為與數字化虛擬模型相比，3D打印模型具有（yǒu）更強的（de）可操作性，故在手術設計方麵更為實用。Giovinco等介紹了采用3D打印技術輔助治療（liáo）Charcot足，即采用普通的3D打印機製作數個廉價的患足骨（gǔ）骼模（mó）型，術者通（tōng）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，從而減少手術風險，提高手術（shù）成功（gōng）率（lǜ）。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（xíng），模型清晰地展示了骨折情況;據此設計的手（shǒu）術（shù）獲得成功，患者術後恢複良好，2年後骨折完全愈合。Chung等（děng）報道了1例3D打印模型用於單側關節內跟骨骨折手術，即先掃描了雙側跟骨的CT圖（tú）像，再（zài）應用鏡像技術，將（jiāng）健側跟骨打印成與患側跟骨相同大小（xiǎo）的模型，術前利用該模型及影像學（xué）資料（liào）設計鋼板位置（zhì）、釘道等，使內固定物既能穩定固定，又能以較（jiào）小的切口置入，並對鋼板進行預塑型，使其能更好貼合骨麵;術中直視下及X線透視下將模型與骨折處進行對比，以此為依據進行複位、植（zhí）骨及固定，最（zuì）終手術獲得成功。章瑩等研（yán）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（cháng）規手術（shù）進行比（bǐ）較，發現雖然兩者手術切開暴露時間並無差（chà）異，但前者複位（wèi）與固定時間較短，手術療效優良率也（yě）較高。金丹等應過逆向工程方法及三維重建技術製備了用於下脛腓聯合分離固定（dìng）中（zhōng）的導航模（mó）板（bǎn），製備出的（de）導向模板具（jù）有較好的匹配性，在下脛腓聯合分離內固定臨床初步應用中顯示了良好的效果。骨（gǔ）骼3D打印（yìn）模型（xíng）及（jí）導向模板有助於骨折複位、鋼（gāng）板預（yù）彎、內固定物置放位置及角度確定、截骨矯形術設計等，因其能減少手術難度、增加手術（shù）準確性、減少（shǎo）術中X線透視使用次數，在臨床上具有較為樂觀的應用前景。

 

3.3植入物的個（gè）性化設計

 

足踝部損傷常會造成骨骼缺損，此時需進行適當的植骨以（yǐ）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（zhuàng），因（yīn）此對植入物塑（sù）形常在術中耗費（fèi）大量時間。利用足踝部骨骼3D打印模型，可在術前即應用3D打印技術製備個體（tǐ）化骨片和（hé）假體，不但較傳統方式節省手術時間（jiān），還能實現（xiàn）更好的匹配。由於技術限製，使用3D打印機直接打印鈦合（hé）金鋼板或螺釘尚處於試驗階段，目前3D打印技術主要（yào）用於預處理鋼板，經3D打印技術處理的鋼板較傳統（tǒng）鋼板更能個體化地適應患者骨骼情況，從（cóng）而達（dá）到更佳的療效。Cooke等將可降解的生物材料應用（yòng）在（zài）3D打印中，成功製造出了（le）符合要（yào）求的骨片。Leukers等應（yīng）用3D打印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（de）結構。3D打印（yìn）技術可構造出任意形狀的（de）物體，因此其在足踝外科（kē）中的應用價值值得進一步研究。

 

 

 

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總結及展望

 

應用3D打印（yìn）技術製作的足踝矯形器不僅能實現個（gè）體（tǐ）化治療，還能減少人工成本和時間成本。對複雜的足踝（huái）外科手（shǒu）術，3D打印模型和導向模（mó）板不僅能減少手術難度、減少術中透視次數，更能增強（qiáng）手術精（jīng）確性。此外，3D打印技術也可應用於製造個體化植入物，隨著3D打（dǎ）印模型（xíng）表麵處理和（hé）幾何精確（què）度等技術的進步，3D打印技術在直接打印植入物方麵有巨大的發（fā）展空間。然而，目前3D 打印技術仍存在一定的不（bú）足。首先，雖然隨著技術的進步，3D打印模型的成本逐年穩步（bù）下降，但仍相對稍高;其次（cì），3D打印耗時仍過長，較難應用於急診手（shǒu）術;最後，3D打印技（jì）術的（de）應用仍處於試驗階段（duàn），其應用範圍需更多的探索，實際療效需（xū）臨床研究驗證。若3D打印技術能不斷改進及繼（jì）續發展，其（qí）在足踝外科的應用前景將十分廣闊。