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        骨損傷和缺損的治療一直是骨科領(lǐng)域面臨的關(guān)鍵難題，采用3D打印多孔金屬技術(shù)制備骨缺損替代物是解決這個(gè)難題的一種方法。本文主要介紹3D打印多孔金屬技術(shù)的基本原理及技術(shù)發(fā)展，探討其在骨科領(lǐng)域的研究新進(jìn)展與未來(lái)應(yīng)用前景，總結(jié)目前該技術(shù)的不足。

1.3D 打印多孔金屬技術(shù)的原理及技術(shù)發(fā)展

       3D打印多孔金屬技術(shù)，是3D打印技術(shù)的一種，其運(yùn)用粉末狀金屬為材料，是一種把數(shù)字模型文件進(jìn)行轉(zhuǎn)換，通過(guò)逐層堆疊累積，制造出所需要結(jié)構(gòu)的三維多孔金屬的先進(jìn)技術(shù)。所謂的3D打印技術(shù)誕生于20 世紀(jì)80 年代中期，人們開(kāi)始嘗試將數(shù)字資源打印成三維立體模型。隨著3D打印技術(shù)的不斷完善，流程簡(jiǎn)單、成本相對(duì)較低的3D打印多孔金屬骨缺損替代物技術(shù)如何更好地服務(wù)于臨床骨科領(lǐng)域越來(lái)越受到關(guān)注[1]。在材料設(shè)計(jì)上，通過(guò)引入孔隙來(lái)降低金屬種植體的彈性模量，促進(jìn)組織再生與重建，同時(shí)還有利于新生骨的長(zhǎng)入而使多孔金屬與骨組織形成良好的機(jī)械鎖合。因此3D打印多孔金屬技術(shù)為臨床骨缺損治療提供了一種很好的解決方法。

       近年來(lái)3D打印多孔金屬技術(shù)取得的新進(jìn)展：①在多孔結(jié)構(gòu)建模與加工工藝參數(shù)調(diào)整方面：2014 年，戚留舉等[2] 通過(guò)運(yùn)用三維軟件Solid Works，設(shè)計(jì)截角八面體多孔結(jié)構(gòu)，利用有限元分析軟件ANSYS模擬應(yīng)力、應(yīng)變，確定能承受載荷的結(jié)構(gòu)參數(shù)。理論模型建立基于理想化的結(jié)構(gòu)特征，如均勻的球形、圓柱形、蜂窩狀或立方形孔隙，而實(shí)際應(yīng)用需求的材料中孔隙應(yīng)該是不規(guī)則的，且其分布也并不完全均勻。因此，技術(shù)方面需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的個(gè)性化需求，采用分區(qū)設(shè)計(jì)思想，兼顧力學(xué)特性，優(yōu)化多種孔結(jié)構(gòu)的排列與分布，以獲得滿足實(shí)際臨床需求的結(jié)構(gòu)。②在多智能算法集成方面：2010 年，中國(guó)科技大學(xué)彭飛等提出了一種新型多方法融合的框架Algorithm Portfolio，多個(gè)算法可以納入在這個(gè)框架內(nèi)，綜合互相通信，并且實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作。2015 年，賈凌云等提出了一種超啟發(fā)式算法，這種算法的基礎(chǔ)是混合蛙跳與遺傳規(guī)劃，通過(guò)對(duì)混合蛙跳算法的改進(jìn)構(gòu)建高層框架，同時(shí)利用遺傳規(guī)劃產(chǎn)生可以兼顧多因素的優(yōu)質(zhì)規(guī)則，用于擴(kuò)充超啟發(fā)式算法的規(guī)則集[3]。3D打印多孔金屬技術(shù)中引入人工智能優(yōu)化工具，為實(shí)現(xiàn)人工智能引領(lǐng)智能制造打下了基礎(chǔ)。

2.3D 打印多孔金屬技術(shù)在骨科領(lǐng)域的研究進(jìn)展與應(yīng)用前景

2.1 3D 打印多孔金屬技術(shù)在骨科領(lǐng)域的研究進(jìn)展

       隨著3D打印技術(shù)的逐步成熟，其在工程制造的各個(gè)領(lǐng)域都表現(xiàn)出了其良好的應(yīng)用適應(yīng)性，不僅如此，隨著不斷的技術(shù)應(yīng)用擴(kuò)展，其在臨床相關(guān)各科中也展現(xiàn)出越來(lái)越多的應(yīng)用空間。在實(shí)際臨床骨科手術(shù)中，在骨科手術(shù)的相關(guān)替代物

方面，3D打印多孔金屬技術(shù)的發(fā)展將帶來(lái)前所未有的變革。

       在骨科關(guān)節(jié)置換手術(shù)方面，3D打印多孔金屬技術(shù)很好地體現(xiàn)了其相對(duì)于傳統(tǒng)手術(shù)的優(yōu)越性，每個(gè)患者的骨骼形態(tài)構(gòu)造都是不同的，傳統(tǒng)的假體只有簡(jiǎn)單的規(guī)格型號(hào)，并不能適應(yīng)每一個(gè)個(gè)體，如何能使假體完美地與患者的原有骨骼完全匹配，一直是骨科醫(yī)生追尋解決的問(wèn)題。而3D打印多孔金屬技術(shù)很好地解決了這一問(wèn)題，通過(guò)這一技術(shù)，骨科醫(yī)生可以獲得適應(yīng)每一個(gè)患者的假體。3D打印多孔金屬技術(shù)能根據(jù)采集的每個(gè)患者的精確數(shù)據(jù)定制假體，并可以模擬手術(shù)及實(shí)際應(yīng)用，有效地提高了假體的適應(yīng)度和置入位置的準(zhǔn)確率，對(duì)于關(guān)節(jié)嚴(yán)重畸形和關(guān)節(jié)置換翻修手術(shù)更有意義。與傳

統(tǒng)手術(shù)方式相比，手術(shù)時(shí)間大大縮短，術(shù)中出血減少。大大降低了手術(shù)帶來(lái)的副損傷[4]。

       在處理復(fù)雜骨折方面，3D打印技術(shù)可以在三維層面將復(fù)雜骨折清晰的呈現(xiàn)在手術(shù)醫(yī)生面前，術(shù)前提供形象的手術(shù)模擬，使手術(shù)醫(yī)生對(duì)骨折修復(fù)手術(shù)有全面的掌握和具體的操作體驗(yàn)。3D打印的多孔金屬結(jié)構(gòu)可以準(zhǔn)確地反映骨折的分型，多孔金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使替代物更符合生物力學(xué)的要求。復(fù)雜骨折的多發(fā)骨缺損，骨折的復(fù)位固定及骨折愈合后的力學(xué)穩(wěn)定性問(wèn)題都可以通過(guò)3D打印多孔金屬技術(shù)得到解決。

2.2 3D 打印多孔金屬技術(shù)在骨科的應(yīng)用前景

       3D打印多孔金屬技術(shù)在骨科的應(yīng)用發(fā)展主要有兩個(gè)方面：一是在工程技術(shù)方面：隨著技術(shù)的不斷完善，3D打印多孔金屬技術(shù)將應(yīng)用生物啟發(fā)式多智能算法融合理論與優(yōu)化方法，通過(guò)解決多孔材料多層級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、激光加工工藝參數(shù)優(yōu)化等技術(shù)問(wèn)題，其將更好地構(gòu)建出多孔金屬設(shè)計(jì)，同時(shí)其相關(guān)理論和工藝創(chuàng)新也將對(duì)推動(dòng)3D打印整體工藝的發(fā)展。另一方面，在骨科臨床應(yīng)用上，通過(guò)3D打印多孔金屬技術(shù)可以在術(shù)前構(gòu)建三維實(shí)體模型，為實(shí)際手術(shù)提供模擬演練。隨著應(yīng)用技術(shù)的完善，3D打印還可以制備出個(gè)性化假體及骨缺損替代物，進(jìn)一步完善構(gòu)建組織工程支架等復(fù)合培

養(yǎng)，真正把3D打印多孔金屬技術(shù)應(yīng)用于骨科手術(shù)。總的來(lái)說(shuō)，該技術(shù)在骨科領(lǐng)域?qū)⒕哂懈訌V泛的應(yīng)用前景。

3.3D 打印多孔金屬技術(shù)存在的不足

       目前3D打印多孔金屬技術(shù)也存在不足，一方面，在技術(shù)層面，3D打印設(shè)備昂貴，數(shù)據(jù)的精確3D轉(zhuǎn)化，多孔金屬材料的優(yōu)化，3D模型的批量生產(chǎn)等問(wèn)題需要解決；另一方面，如何促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室成果向臨床應(yīng)用轉(zhuǎn)化，相關(guān)醫(yī)學(xué)倫理及知識(shí)產(chǎn)權(quán)問(wèn)題，也是制約其發(fā)展的因素[5]。這些問(wèn)題需要工程學(xué)、影像學(xué)、生物學(xué)與臨床醫(yī)學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域共同合作探索解決。