引用本文： 余丹, 刘建华, 朱慧勇, 李志勇, 黄旭, 魏栋, 林轶, 何剑锋, 赵文权. 3-D打印技术在颌面骨缺损修复重建的应用. 中国修复重建外科杂志, 2014, 28(3): 292-295. doi: 10.7507/1002-1892.20140066 复制
颌面部具有解剖结构复杂、血管神经丰富，以及与呼吸、咀嚼、吞咽及发音等功能密切相关的特点。该部位疾病如肿瘤、外伤和发育畸形等导致的组织缺损变形，可引发面部畸形和功能障碍，严重影响患者生存质量和心理健康。3-D打印技术的出现开创了医学领域新天地[1-2]，尤其在硬组织缺损修复重建中，直接或间接提高了手术精度[3]，满足了微创性和个性化要求[4]。
3-D打印技术又称快速成型技术，是根据“分层制造，逐层叠加”原理，快速制作所需物件三维实体的一种分层制造技术[5]。在生物医学领域，3-D打印技术已被应用于器官模型的制造与手术分析策划、个性化组织工程支架材料和假体植入物的制造，以及细胞或组织打印等方面[6]。正如王成焘教授所说：一场由3-D打印引起的医学革命已然开始，相比于工业更迷恋于传统生产方式的状态，医学界对于3-D打印技术有着一种先天的亲切[7]。
本综述着重总结了近年来3-D打印技术在颌面骨缺损修复重建中的应用和研究，即用于术前模拟手术的模型外科，基于计算机辅助设计和制作、反向求和技术的导板外科，以及个性化治疗中植入物的计算机辅助设计和制作。通过分析与评价，展望未来3-D打印技术在颌面骨缺损修复重建中的发展。
1 成型技术和三维模型
通过处理CT数据建立患者硬组织三维数字模型，输入快速成型机器，制成的1∶1 快速成型模型与实际硬组织一致，有助于医生准确了解硬组织的细微解剖结构[4, 8]及病变与周围结构的关系，讨论并制定手术方案[9]。例如可参照下颌骨镜像模型，术前预弯重建钛板[图 1；由浙江大学医学院附属第一医院口腔颌面外科（简称浙大一院）提供）]，使其完全贴合于模型表面，省去术中弯制钛板步骤，减少了手术时间，同时达到理想贴合[10]。对于相对复杂病例，可通过模型预演手术过程，比较不同手术方案的优劣，针对术中可能出现的问题进行术式调整并预测手术效果。图 2为浙大一院提供的病例资料，患者为左下颌骨造釉细胞瘤致面部畸形，通过手术规划系统生成病灶和健侧镜像虚拟模型，3-D打印技术制作实物模型，术前设计截骨区域，测量所需植骨长度及塑形模式，按照术前规划进行手术，术后获得良好效果。在上颌骨大型骨缺损修复重建中，孙坚[11]运用计算机辅助设计和制作技术开展模型外科，在病态三维模型上进行截骨线设计、固位等模拟手术操作，有助于术中移植骨的准确植入，避免了术后移位。同时，还可向年轻医生演示手术操作以及提供操作训练[8]。对于疑难重症病例，仿真模型可促进多学科诊疗模式下各科医生进行更直观有效的沟通[12]。最后，仿真模型便于临床医生向患者解释手术计划，建立医患互信基础，从而取得患者在诊治中的积极配合与理解[8]。
图1
术前根据健侧镜像模型预弯重建钛板 ⓐ 模拟术中截骨位置与范围 ⓑ 术前预弯重建钛板并贴合于健侧镜像模型表面 用于颌面骨缺损外科领域的3-D打印技术主要有[4, 8, 13]：立体光固化成型、选择性激光烧结、熔融沉积成型、三维喷印，以及近年发展较快的立体喷射成型和金属激光熔融成型。熟悉各种3-D打印技术的成型原理、材料、精度、表面光洁度以及力学强度等特征，有助于精确制定手术方案，保证手术效果[14]。有研究采用立体喷射成型系统，以琥珀酸树脂为成型材料，制备出用于展示组织器官内部结构的半透明模型，如根管、导管和窦道等；此外，该类模型的力学性能与骨组织相似，可作为教学模型进行手术方案设计和实施，并验证截骨线或螺钉固定后的手术效果[14]。不同手术计划中的模型作用不同，在满足手术模拟要求下，尽可能选择低廉的成型方式，有利于模型外科的推广。如模拟植骨手术时，受区模型主要用于检验与植骨块之间是否匹配，对精度要求不高，因而可选用性价比较高的3-D成型技术[14]，如熔融沉积成型的塑料模具。
2 基于计算机辅助设计的外科导板
结合计算机辅助设计、逆向工程和3-D打印技术的外科导板可将手术规划转至实际手术中。即术前制定手术方案，设计并制作外科导板；术中将导板准确定位于受区，根据轮廓或截骨沟（槽）进行截骨，以确保肿瘤在最小范围内被扩大切除。大量临床研究表明，外科导板的应用可确保肿瘤在安全边界下完整切除，并最大程度保留自体正常组织，同时大大缩短手术时间；塑形导板的应用可帮助预测手术效果[10, 15-21]。
根据术中作用不同，外科导板分为两类：截骨导板和塑形导板。图 3为浙大一院提供的下颌骨造釉细胞瘤病例资料，该例患者行下颌骨部分切除同期腓骨瓣游离移植修复术，术前医生定制了3块导板：截骨导板、取骨导板及塑形导板。外科导板术中准确就位和稳定固位是提高外科手术精确度的关键，但目前导板的设计尚无配套应用标准[22]。一般而言，理想导板由主件和附件组成，主件为就位臂或就位凹槽和固定孔；附件可为引导截骨的沟槽，或直接根据截骨导板的外形轮廓进行截骨，无需设计附件。Ciocca等[15]在外科导板的设计应用方面具有较丰富经验，如下颌骨半侧切除术中，截骨导板通过2个分别伸向近中方向、远中方向的就位臂和1个“锚钉”精确就位于骨面，其中“锚钉”和颏孔互相匹配。再如下颌骨节段性缺损的二期重建术中，用再定位导板将3个就位臂（1个近中方向，2个远中方向）和2个再定位挡板与两残颌端骨面紧密贴合，完成两残颌端重新定位[21]。准确就位后的外科导板通过4个固位孔（直径2.4 mm）和钛钉固定于骨面，可防止导板松动、移位等，以免影响手术精度[15, 21-22]。
截骨导板现已逐渐应用于临床，而塑形导板的设计应用仅见于少数病例报道或小型尸体研究。目前，常用的下颌骨塑形法为“三段式”（体部-颏部-体部）塑形法，会造成下颌骨前、侧突不足等问题。针对此问题，徐立群等[23]提出“四段式”塑形法（体部-颏部-颏部-体部），以更加突出下颌骨外形弧度。
基于3-D打印技术的外科导板和模型外科可促进手术的个性化和精确性，但增加了一部分用于手术辅助模具设计和制作的费用。此外，外科导板在应用中必须严格按照术前规划实施，如果术中出现某切缘阳性，则该次手术规划和导板不再适用，必须按肿瘤安全边界原则行扩大切除术。为避免术中出现此情况，要求临床医生必需清楚了解患者术前各项检查结果，进行手术方案规划时严格按照肿瘤安全边界的截断要求设计截骨线。此外，应尽可能将手术时间安排在患者CT、MRI检查后的2周内，以避免肿瘤快速浸润安全边界[15-16]，迫使术中更改手术方案。
3 个性化金属植入物
颌面外科手术常需植入替代物以修复损坏、切除的组织，而其不规则的解剖结构使得无论采用自体组织还是固定模式制作的替代物，均难以精确契合缺损部位，尤其是上颌骨缺损的修复重建。而3-D打印技术可同时仿制物体内部三维结构和外部空间造型，从微观组织到宏观结构均可满足个性化修复的需求[14]。尤其是金属3-D打印技术的出现，不仅为个性化植入物提供强大的技术支持，也是其发展的巨大推力。
目前，医用植入物主要为传统工艺铸造的大块金属实体，具有质量重、结构不匹配等缺点。金属3-D打印技术可实现植入物轻量化，简便地制作各种空间结构和孔隙度的多孔钛实体，使其力学性能与人体骨组织更匹配，生物学多孔表面设计更合理，工艺更精湛[7]。
Mazzoni等[16]通过比较导板引导手术和传统术式（根据CT影像进行手术）中下颌骨4个解剖位点（髁突外侧点、下颌骨正中点、下颌骨牙弓曲度和髁突空间位置）术后位置与术前规划的偏差，认为导板引导下的个性化骨板植入术可大大缩短手术时间，提高手术精度，在髁突空间位置和下颌骨牙弓曲度上作用尤为凸显。表明个性化骨板可为髁状突正常运动、上下牙列正中咬合等口颌功能重建奠定良好的解剖基础。近年来，国外学者通过激光直接烧结Ti64粉末定制个性化骨板、个性化髁状突-下颌骨骨板，进行下颌骨缺损的腓骨瓣游离移植修复术，认为个性化骨板可以避免传统手术中依赖医生临床经验反复修改调整钛板这一过程，减少手术耗时，并且最大程度恢复下颌骨轮廓外形，减少术后并发症，如术中反复弯制钛板、钛板与下颌骨骨面不贴合等造成的术后钛板松动、断裂等[17, 21-22]。
2012年2月5日，比利时Hasselt大学BIOMED研究所宣布，已成功为1例83岁患者实施世界首例人工下颌骨置换术，手术耗时4 h，术后第1天患者便恢复部分说话、吞咽功能[6a>]。该例患者的人工下颌骨是基于MRI数据、由高能激光烧结的纯钛超细粉末（33层薄片/1 mm）熔融成型，不仅具有髁状突、下颌神经管，甚至还有种植窝等结构，净重107 g，仅比患者自体下颌骨重30 g。为避免免疫排斥反应，植入物表面进行了生物陶瓷涂层处理。该例手术的成功表明3-D打印技术可用于人体骨骼和器官移植。
但是，金属3-D打印技术目前仍处于发展初期，临床应用仅为个案报道，缺乏大量实验证据和应用评价；同时，“激光快速成型术的制作工艺和应用技术”相关行业标准尚未出台[14]，无法评估激光成型过程中是否破坏植入物内部三维结构、外部精度[19]以及力学性能（如强度、构件疲劳、断裂韧性）等[24]。因而尚待大量生物力学试验逐一明确，用以设定人体植入物的制作参数[20]。
4 展望
目前颌面骨缺损修复重建的3-D打印技术已发展到一个新阶段，由最初的模型外科到目前的外科导板设计制作并应用，以及已有少量研究和临床案例的个性化植入物制备，表明3-D打印技术正影响着医学诊疗水平的发展及推广应用。但仍有许多问题需进一步探索解决，如目前对于外科导板的设计无统一规范；金属3-D打印成品仍有很多疑问而无法放心用于临床。3-D打印技术将来能否用于生物医用高分子材料的制备，组织工程技术能否被3-D打印技术所支持，这些技术能否为人体组织缺损修复重建提供一条光明之路，甚至能通过3-D打印机将自身活细胞直接打印成缺损的活体组织/器官，我们面临着巨大挑战。但随着新型材料、制作技术和计算机科学的发展进步，未来有望制备出理想的“人造组织器官”并将其用于临床。
颌面部具有解剖结构复杂、血管神经丰富，以及与呼吸、咀嚼、吞咽及发音等功能密切相关的特点。该部位疾病如肿瘤、外伤和发育畸形等导致的组织缺损变形，可引发面部畸形和功能障碍，严重影响患者生存质量和心理健康。3-D打印技术的出现开创了医学领域新天地[1-2]，尤其在硬组织缺损修复重建中，直接或间接提高了手术精度[3]，满足了微创性和个性化要求[4]。
3-D打印技术又称快速成型技术，是根据“分层制造，逐层叠加”原理，快速制作所需物件三维实体的一种分层制造技术[5]。在生物医学领域，3-D打印技术已被应用于器官模型的制造与手术分析策划、个性化组织工程支架材料和假体植入物的制造，以及细胞或组织打印等方面[6]。正如王成焘教授所说：一场由3-D打印引起的医学革命已然开始，相比于工业更迷恋于传统生产方式的状态，医学界对于3-D打印技术有着一种先天的亲切[7]。
本综述着重总结了近年来3-D打印技术在颌面骨缺损修复重建中的应用和研究，即用于术前模拟手术的模型外科，基于计算机辅助设计和制作、反向求和技术的导板外科，以及个性化治疗中植入物的计算机辅助设计和制作。通过分析与评价，展望未来3-D打印技术在颌面骨缺损修复重建中的发展。
1 成型技术和三维模型
通过处理CT数据建立患者硬组织三维数字模型，输入快速成型机器，制成的1∶1 快速成型模型与实际硬组织一致，有助于医生准确了解硬组织的细微解剖结构[4, 8]及病变与周围结构的关系，讨论并制定手术方案[9]。例如可参照下颌骨镜像模型，术前预弯重建钛板[图 1；由浙江大学医学院附属第一医院口腔颌面外科（简称浙大一院）提供）]，使其完全贴合于模型表面，省去术中弯制钛板步骤，减少了手术时间，同时达到理想贴合[10]。对于相对复杂病例，可通过模型预演手术过程，比较不同手术方案的优劣，针对术中可能出现的问题进行术式调整并预测手术效果。图 2为浙大一院提供的病例资料，患者为左下颌骨造釉细胞瘤致面部畸形，通过手术规划系统生成病灶和健侧镜像虚拟模型，3-D打印技术制作实物模型，术前设计截骨区域，测量所需植骨长度及塑形模式，按照术前规划进行手术，术后获得良好效果。在上颌骨大型骨缺损修复重建中，孙坚[11]运用计算机辅助设计和制作技术开展模型外科，在病态三维模型上进行截骨线设计、固位等模拟手术操作，有助于术中移植骨的准确植入，避免了术后移位。同时，还可向年轻医生演示手术操作以及提供操作训练[8]。对于疑难重症病例，仿真模型可促进多学科诊疗模式下各科医生进行更直观有效的沟通[12]。最后，仿真模型便于临床医生向患者解释手术计划，建立医患互信基础，从而取得患者在诊治中的积极配合与理解[8]。
图1
术前根据健侧镜像模型预弯重建钛板 ⓐ 模拟术中截骨位置与范围 ⓑ 术前预弯重建钛板并贴合于健侧镜像模型表面 用于颌面骨缺损外科领域的3-D打印技术主要有[4, 8, 13]：立体光固化成型、选择性激光烧结、熔融沉积成型、三维喷印，以及近年发展较快的立体喷射成型和金属激光熔融成型。熟悉各种3-D打印技术的成型原理、材料、精度、表面光洁度以及力学强度等特征，有助于精确制定手术方案，保证手术效果[14]。有研究采用立体喷射成型系统，以琥珀酸树脂为成型材料，制备出用于展示组织器官内部结构的半透明模型，如根管、导管和窦道等；此外，该类模型的力学性能与骨组织相似，可作为教学模型进行手术方案设计和实施，并验证截骨线或螺钉固定后的手术效果[14]。不同手术计划中的模型作用不同，在满足手术模拟要求下，尽可能选择低廉的成型方式，有利于模型外科的推广。如模拟植骨手术时，受区模型主要用于检验与植骨块之间是否匹配，对精度要求不高，因而可选用性价比较高的3-D成型技术[14]，如熔融沉积成型的塑料模具。
2 基于计算机辅助设计的外科导板
结合计算机辅助设计、逆向工程和3-D打印技术的外科导板可将手术规划转至实际手术中。即术前制定手术方案，设计并制作外科导板；术中将导板准确定位于受区，根据轮廓或截骨沟（槽）进行截骨，以确保肿瘤在最小范围内被扩大切除。大量临床研究表明，外科导板的应用可确保肿瘤在安全边界下完整切除，并最大程度保留自体正常组织，同时大大缩短手术时间；塑形导板的应用可帮助预测手术效果[10, 15-21]。
根据术中作用不同，外科导板分为两类：截骨导板和塑形导板。图 3为浙大一院提供的下颌骨造釉细胞瘤病例资料，该例患者行下颌骨部分切除同期腓骨瓣游离移植修复术，术前医生定制了3块导板：截骨导板、取骨导板及塑形导板。外科导板术中准确就位和稳定固位是提高外科手术精确度的关键，但目前导板的设计尚无配套应用标准[22]。一般而言，理想导板由主件和附件组成，主件为就位臂或就位凹槽和固定孔；附件可为引导截骨的沟槽，或直接根据截骨导板的外形轮廓进行截骨，无需设计附件。Ciocca等[15]在外科导板的设计应用方面具有较丰富经验，如下颌骨半侧切除术中，截骨导板通过2个分别伸向近中方向、远中方向的就位臂和1个“锚钉”精确就位于骨面，其中“锚钉”和颏孔互相匹配。再如下颌骨节段性缺损的二期重建术中，用再定位导板将3个就位臂（1个近中方向，2个远中方向）和2个再定位挡板与两残颌端骨面紧密贴合，完成两残颌端重新定位[21]。准确就位后的外科导板通过4个固位孔（直径2.4 mm）和钛钉固定于骨面，可防止导板松动、移位等，以免影响手术精度[15, 21-22]。
截骨导板现已逐渐应用于临床，而塑形导板的设计应用仅见于少数病例报道或小型尸体研究。目前，常用的下颌骨塑形法为“三段式”（体部-颏部-体部）塑形法，会造成下颌骨前、侧突不足等问题。针对此问题，徐立群等[23]提出“四段式”塑形法（体部-颏部-颏部-体部），以更加突出下颌骨外形弧度。
基于3-D打印技术的外科导板和模型外科可促进手术的个性化和精确性，但增加了一部分用于手术辅助模具设计和制作的费用。此外，外科导板在应用中必须严格按照术前规划实施，如果术中出现某切缘阳性，则该次手术规划和导板不再适用，必须按肿瘤安全边界原则行扩大切除术。为避免术中出现此情况，要求临床医生必需清楚了解患者术前各项检查结果，进行手术方案规划时严格按照肿瘤安全边界的截断要求设计截骨线。此外，应尽可能将手术时间安排在患者CT、MRI检查后的2周内，以避免肿瘤快速浸润安全边界[15-16]，迫使术中更改手术方案。
3 个性化金属植入物
颌面外科手术常需植入替代物以修复损坏、切除的组织，而其不规则的解剖结构使得无论采用自体组织还是固定模式制作的替代物，均难以精确契合缺损部位，尤其是上颌骨缺损的修复重建。而3-D打印技术可同时仿制物体内部三维结构和外部空间造型，从微观组织到宏观结构均可满足个性化修复的需求[14]。尤其是金属3-D打印技术的出现，不仅为个性化植入物提供强大的技术支持，也是其发展的巨大推力。
目前，医用植入物主要为传统工艺铸造的大块金属实体，具有质量重、结构不匹配等缺点。金属3-D打印技术可实现植入物轻量化，简便地制作各种空间结构和孔隙度的多孔钛实体，使其力学性能与人体骨组织更匹配，生物学多孔表面设计更合理，工艺更精湛[7]。
Mazzoni等[16]通过比较导板引导手术和传统术式（根据CT影像进行手术）中下颌骨4个解剖位点（髁突外侧点、下颌骨正中点、下颌骨牙弓曲度和髁突空间位置）术后位置与术前规划的偏差，认为导板引导下的个性化骨板植入术可大大缩短手术时间，提高手术精度，在髁突空间位置和下颌骨牙弓曲度上作用尤为凸显。表明个性化骨板可为髁状突正常运动、上下牙列正中咬合等口颌功能重建奠定良好的解剖基础。近年来，国外学者通过激光直接烧结Ti64粉末定制个性化骨板、个性化髁状突-下颌骨骨板，进行下颌骨缺损的腓骨瓣游离移植修复术，认为个性化骨板可以避免传统手术中依赖医生临床经验反复修改调整钛板这一过程，减少手术耗时，并且最大程度恢复下颌骨轮廓外形，减少术后并发症，如术中反复弯制钛板、钛板与下颌骨骨面不贴合等造成的术后钛板松动、断裂等[17, 21-22]。
2012年2月5日，比利时Hasselt大学BIOMED研究所宣布，已成功为1例83岁患者实施世界首例人工下颌骨置换术，手术耗时4 h，术后第1天患者便恢复部分说话、吞咽功能[6a>]。该例患者的人工下颌骨是基于MRI数据、由高能激光烧结的纯钛超细粉末（33层薄片/1 mm）熔融成型，不仅具有髁状突、下颌神经管，甚至还有种植窝等结构，净重107 g，仅比患者自体下颌骨重30 g。为避免免疫排斥反应，植入物表面进行了生物陶瓷涂层处理。该例手术的成功表明3-D打印技术可用于人体骨骼和器官移植。
但是，金属3-D打印技术目前仍处于发展初期，临床应用仅为个案报道，缺乏大量实验证据和应用评价；同时，“激光快速成型术的制作工艺和应用技术”相关行业标准尚未出台[14]，无法评估激光成型过程中是否破坏植入物内部三维结构、外部精度[19]以及力学性能（如强度、构件疲劳、断裂韧性）等[24]。因而尚待大量生物力学试验逐一明确，用以设定人体植入物的制作参数[20]。
4 展望
目前颌面骨缺损修复重建的3-D打印技术已发展到一个新阶段，由最初的模型外科到目前的外科导板设计制作并应用，以及已有少量研究和临床案例的个性化植入物制备，表明3-D打印技术正影响着医学诊疗水平的发展及推广应用。但仍有许多问题需进一步探索解决，如目前对于外科导板的设计无统一规范；金属3-D打印成品仍有很多疑问而无法放心用于临床。3-D打印技术将来能否用于生物医用高分子材料的制备，组织工程技术能否被3-D打印技术所支持，这些技术能否为人体组织缺损修复重建提供一条光明之路，甚至能通过3-D打印机将自身活细胞直接打印成缺损的活体组织/器官，我们面临着巨大挑战。但随着新型材料、制作技术和计算机科学的发展进步，未来有望制备出理想的“人造组织器官”并将其用于临床。
