3D打印技术在前交叉韧带重建中的应用进展前交叉韧带是维持膝关节稳定的重要结构，其损伤后导致膝关节活动不稳定，治疗不当可能引起膝关节骨性关节炎，在前交叉韧带损伤患者中大部分都有运动功能的需求，更倾向于采用手术治疗。前交叉韧带重建术已逐渐成为治疗前交叉韧带损伤的金标准，据统计其术后患者满意度大约为65%，手术的关键是韧带是否重建在准确的解剖位置。3D打印技术作为一个新兴的交叉学科，与材料学、临床医学、生物学紧密结合，活跃于骨组织修复与再生领域的研究中，为精准医疗提供了新的方向。本文就3D打印技术在前交叉韧带重建中的应用进展作一综述，报道如下。

3D打印技术在骨科领域的应用现状

3D打印技术也被称为增材制造，是通过收集数据并在计算机上构建三维模型，采用粉末状金属、光敏树脂或塑料等材料通过逐层累加的方法制造实体零件的技术，是一种材料累加的制造方法。2012年苏格兰科学家利用3D打印技术成功打印出人造肝脏组织，这在3D打印技术的医疗领域发展上具有里程碑的意义。目前在骨科领域常用的3D打印技术主要有：①立体光刻成型技术：将紫外线激光束聚焦在光敏树脂的液面，利用光传播链聚合使液体树脂固化，该技术多用于术前模拟、教学解剖模型的打印；②熔融沉积制造技术：使用丝状热塑性材料为原料，熔融状态下的材料通过热喷嘴喷出，逐层熔融成形，熔融沉积制造技术可用于生产具有复杂几何形状和高度均匀的聚乳酸支架，以定制有利于骨组织再生的个性化骨替代物；③选择性激光烧结技术：利用粉末在激光照射下高温烧结的原理，通过计算机控制高温激光束有选择地分层烧结固体粉末，然后逐层烧结堆积成型，能够制造出高精度的复杂零件，Brunello等通过选择性激光烧结技术打印的聚己内酯支架植入股骨缺损的兔子模型中，这种支架表现出较高的生物相容性，促进了骨缺损的愈合，表现出良好的成骨作用；④3D生物打印技术：通过3D打印技术合成具有生物活性的组织，以细胞外基质、生物因子和生物材料为原料，通过构建高度仿生和具有生物活性的组织或器官替代物来恢复失去的功能，基于载有细胞的水凝胶3D生物支架，可为细胞提供适宜的生长环境，这是目前骨组织工程中3D生物打印技术应用的研究热点。随着数字化医疗及个性化医疗的发展，3D打印技术凭借其个性化、精准化、远程化等优点已广泛运用于术前规划、模拟手术、定制化手术器械或假体，以及生物打印、医学教育等相关领域。

前交叉韧带重建的研究现状

随着对前交叉韧带解剖学和生物力学的深入认识，前交叉韧带重建技术不断进展。上世纪80年代，采用自体骨—髌腱—骨移植方法重建前交叉韧带成为一种标准的手术方法，一度被称为“金标准”。目前，最常用的移植物为同种自体腘绳肌腱和髌腱。随着Girgis的观点被普遍接受及Ribbon理论不断发展，相继有学者提出前交叉韧带单束、双束及多束重建。也有学者提出前交叉韧带修补术，但术后再断裂、二次手术、半月板撕裂及cyclops畸形等并发症发生率高达57.9%。

当前主流的治疗方案是明确诊断后尽早行手术治疗，手术的方式应根据患者的情况进行个体化选择，主要围绕解剖重建与非解剖重建及单束重建与双束重建综合分析考虑。非解剖重建以等长重建为主，认为术后膝关节做屈伸活动时使移植肌键保持等长性，即在该点时活动膝关节前十字韧带移植物的张力最小。等长重建能有效控制膝关节前后稳定性，最大限度地减少膝关节屈伸活动对移植物的牵拉，减少“雨刷效应”引起的骨隧道扩大，但是其对旋转稳定性的控制欠佳。

随着对原生前交叉韧带解剖结构及功能的深入研究，解剖重建被更多人认可。解剖重建即通过恢复前交叉韧带原有尺寸、止点位置和纤维走行方向，以最大程度恢复前交叉韧带原有解剖特点。目前主流的前交叉韧带重建方法为前内侧入路的解剖单束重建，该方法中的股骨起点更低，移植物方向较少垂直。有相关研究表明国内前交叉韧带损伤患者的胫骨足迹较小，其小于14mm的患者比例较高，在使用双束重建及更大移植物重建时应格外小心。一些患者在接受前交叉韧带重建术后存在骨隧道定位错误、移植物选择及合并损伤处理不当等问题，表现为Lachman试验的阳性和影像学上观察到扩大的骨隧道，其中最主要的原因是骨隧道位置不良，如何正确定位骨隧道仍是降低前交叉韧带重建失败率亟待解决的技术问题。

3D打印技术在前交叉韧带重建中的应用

3D打印个性化导航模板在前交叉韧带重建中的应用     前交叉韧带解剖重建手术需精细操作，注意细节与设计，术前对膝关节进行综合评价，术中明确残端位置并根据原止点位置进行隧道定位。然而，由于个体膝关节解剖结构差异、软组织遮挡以及术者经验等因素影响，骨隧道的定位精度往往不佳，随访中常出现一些韧带重建失败的病例。3D打印个性化导航模板通过术前对患者膝关节进行三维建模，在其基础上设计并制作出导航模板，术中通过导航模板与骨骼表面贴合后即可达到个性化、精准化的定位，该技术最早被应用于颈椎螺钉的置入导航，现已逐渐应用于前交叉韧带重建术中，可实现前交叉韧带重建的个性化与精准化。Ranbin等基于受试者健侧膝关节的MRI扫描，确定股骨足迹及其相对于股骨关节软骨边界的解剖位置，应用3D打印技术以透明丙烯酸基光聚合物、3D打印材料PA220和316L不锈钢为原料制成的个性化股骨隧道导向器，在导向器的帮助下精准地将股骨隧道确定在前交叉韧带股骨足印区内，成功获得了良好的解剖重建。我国学者对于前交叉韧带重建的3D定制导板也开展了一些研究，均取得较好的临床效果。Ni等基于尸体膝关节薄层CT扫描成功设计出20个3D打印导板后应用于尸体研究，通过计算机软件确定骨隧道的参考点和方向，利用逆向工程原理和与锚的相对关系确定模板，骨隧道放置由3D打印导板辅助完成，获得的股骨隧道和胫骨隧道定位点与原计划骨隧道的平均偏差分别为0.57mm和0.58mm，取得了良好的定位精度。然而运用较大骨锚钉所造成额外的创伤，一定程度限制了3D打印导板的临床运用。邱洪九等通过收集患者健侧膝关节的CT和MRI数据，利用计算机分析前交叉韧带股骨胫骨侧止点足迹，设计3D打印定位导向器用于手术，使用导板后股骨侧隧道位置止点较传统定位更接近于解剖位置。Liu等就3D打印个性化导航模板在前交叉韧带解剖重建中的使用进行了一项随机对照研究，该研究比较了43名患者在接受常规手术或3D导板辅助手术后前交叉韧带重建的准确性，结果表明3D组的隧道位置更准确，使用3D导航模板减少了术中骨隧道定位所需的时间。个性化导航模板的应用，在增加定位精度的同时也将减少手术时间、术中出血、术中透视次数等，可加快患者术后康复，符合加速康复外科理念。

3D打印解剖模型在前交叉韧带重建中的应用     在前交叉韧带重建手术中精准定位隧道是关键，膝关节镜下前交叉韧带重建不同于直视下手术，在前交叉韧带股骨止点定位时，无法进行多次重复钻孔定位，不能将前交叉韧带隧道位置精准定位在解剖位点。3D打印三维重建模型不仅具有高度还原性，还可进行周密的术前设计及预演，其定位精准、可重复性强，能最大限度地减少主观误差，缩短手术时间与学习曲线。罗树林等根据3D打印膝关节模型设计股骨骨隧道模板并在解剖模型上进行骨隧道定位，预手术可以辅助关节镜快速、准确地定位前交叉韧带股骨止点，且模型与实体骨隧道锲合度高，可有效提高手术成功率和患者满意度。Ruiz等利用3D打印技术开发了一种多色、多材料的膝关节模型，该模型足够坚固，能承受膝关节屈伸所产生的拉伸力且很好地模拟了软组织的解剖结构，可用于前交叉韧带重建的手术模拟、医疗培训以及预测模型的验证等。Kitamura等对15例接受前交叉韧带翻修手术的患者进行了一项回顾性研究，在获得患者CT影像的基础上再提供3D打印模型，来评估患者现有的股骨和胫骨隧道是否可用于翻修手术，他们认为3D打印模型是在计划进行前交叉韧带翻修手术时了解空间方向的有用工具。3D打印解剖模型应用于前交叉韧带重建术可较好地了解术中复杂的解剖结构并决定手术方式，更好地发展术中可使用的个性化器械及植入物。

3D生物打印植入物在前交叉韧带重建中的应用      3D生物打印被定义为利用3D打印技术克服仿生制造的限制，制成有理想特征的生物支架，并能很好地控制细胞、生长因子和生物材料的空间布局以模拟自然组织或器官的特征。该技术还可以控制植入物的孔径、孔隙率和材料组成，以帮助改善组织再生。Park等在兔前交叉韧带重建模型中，利用3D打印技术制作生物支架套筒，将人脐带血诱导的骨髓间充质干细胞有效地植入生物支架内，并将载有干细胞的3D打印支架放置在前交叉韧带重建的腱骨界面处，组织学分析证实该支架有增强骨隧道和肌腱整合的作用并可加速腱骨愈合，生物支架可在术后第12周时完全降解，该研究展示了3D打印生物支架可作为干细胞良好的载体，用于输送干细胞至骨隧道，加快骨整合。Parry等运用3D打印技术制作了延迟释放rhBMP-2的3D打印生物支架，该支架在兔前交叉韧带重建模型中表现出良好的固定稳定性。Huang等利用3D打印技术开发了一种用于骨—肌腱愈合具有生物表面活性修饰的钛合金干挠螺钉，在兔前交叉韧带重建模型中使用钛合金干挠螺钉固定胫骨移植物，在术后1个月和3个月时早期编织骨形成，并表现出更强的极限抗破坏强度，可增强骨—肌腱—螺钉结构中的骨整合和稳定性。然而，上述的3D打印生物植入物仍处于动物实验水平，要获得临床应用上的成功还有很长的一段路要走，相信随着3D打印技术的发展和完善，未来的生物支架将具有良好的生物相容性、生物降解性以及修复组织功能的能力，为组织修复提供新的思路。

总结

3D生物打印技术在前交叉韧带重建中的应用仍处于探索阶段，而3D个性化导航模板及3D打印解剖模型已步入发展阶段。3D打印导航模板为前交叉韧带重建提供了个性化、精准化的技术支持，使得骨隧道定位更接近解剖位置，减少了手术时间和术后并发症的发生。随着人工智能、大数据、三维有限元、拓扑优化等相关技术的发展，将对3D打印导航模板进一步优化，使其精度、强度提高，更广泛地运用于临床。3D打印解剖模型用于前交叉韧带重建的术前模拟提高了手术的成功率，缩短手术时间并降低手术学习难度。3D生物打印在再生医学和组织工程领域具有很大的潜力，相信随着材料学及生物力学等相关技术的发展，未来将制作出更接近原生生物力学特性、更利于骨整合以及更具有生物活性的3D打印植入物，并成功打印出具有原生前交叉韧带生物力学特性的替代物来解决移植物来源问题。3D打印技术应用的成熟必将使前交叉韧带重建术操作简单化，损伤最小化，功能恢复最大化。