作者：上海交通大学医学院附属第六人民医院 王嘉正
数字医学（DM）是一门借助信息技术，结合现代医学的研究与实践而形成的集数字医学诊断、治疗和检测技术于一体的新兴前沿科学。DM包括三维模型重建、手术导航系统、3D打印技术及个性化手术导板和手术机器人等。三维打印，又称3D打印（3DP），是一种快速成型技术，属于增材制造。3DP以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式构造物体。3DP通常采用数字技术材料打印机实现。3DP已经逐渐走入临床医学，在骨科的应用更为广泛，例如在骨恶性肿瘤的保肢治疗中，使用个性化定制的3DP假体，极大限度地保留了患肢外观的完整性及功能。在足踝外科领域中，3DP在术前、术中及医学教育等场景都有多样的应用前景，为足踝疾病的诊治带来更多可能。3DP技术有可能显著提高目前足踝外科医生的临床技能，增进医患关系，改善医患沟通，提高患者对所患疾病的认识。同时，3DP可以针对患者个性化定制的置入器械和手术工具，优化手术过程。
3DP技术在患者宣教、医学教育中的应用
患者宣教 除足踝部创伤及骨折外，足踝外科常见的疾病还包括各种部位的畸形，例如马蹄内翻足、足外翻、扁平足等。这些疾病往往涉及到复杂的解剖结构。虽然
医学教育 3DP技术在医学教育，尤其是对年轻的足踝外科医师有着显著的作用。3D模型直接复制了患者的解剖结构，不仅可以完整保留足踝部疾病的病理解剖，也可以体现不同个体之间的解剖变异。3D模型在医师技能培训中的作用也不容忽视。在住院医师手术技能培训中，可以通过各种疾病模型练习关键手术步骤，进行模拟手术，本质上有助于年轻医生更快成长，提高临床医生的理论知识和实践技能，减少学习曲线，降低真正手术过程中可被预知的风险发生率。由于3D模型对于身体解剖结构的可重复性，不同中心之间可以共享这些模型与3D建模原始图像数据，用大样本来增强和改善医学教育。
3DP技术在临床中的应用
术前规划 3DP可以基于患者特定的解剖结构定制所需假体或手术器械，并对手术过程及术中可能出现的问题进行模拟和预判，从而实现精准医疗。3DP解剖模型可以增强医生对患者疾病病理解剖细节的精细识别和认知，直观地展现了手术计划。国外一团队采集患者三维图像数据并使用3DP技术获得踝关节骨折实体模型，模拟手术过程，更好地指导了手术规划；朱仲廉等在术前使用3DP骨折模型进行模拟，多角度分析骨折移位情况，并进行模拟复位。对于距跟联合切除术，术前使用3DP建模分析距跟联合的几何形状、体积和与正常组织的关系，有助于节省手术时长，提高切除的准确性。Shi等认为依照3DP技术辅助制定的术前规划实施手术，可以显著减少术后并发症的发生率。另一研究团队通过3DP技术打印患者跟骨骨折模型，术前规划跟骨内固定钢板和空心螺钉置入角度，减少了术中切割钢板的概率，避免了置钉过程中空心螺钉与锁定螺钉的碰撞。虽然与不使用3DP技术辅助组相比，骨折整复质量相似，但经过严密的术前规划，使用3DP技术辅助组不仅手术时间更短，更实现了术后早期负重，未出现骨折块下沉或复位失败等并发症。3DP模型假体经过消毒灭菌后，可在手术过程中使用。例如在模型假体上可以标记关键的解剖部位，供术中参考，以降低手术过程中可能出现的术野模糊、暴露不充分等影响。
3DP导板 在手术过程中，螺钉能否置入到合适的位置、截骨的部位是否准确，是建立在导针或摆锯精确定位钻孔的基础上的。以往这一过程是由足踝外科医生根据丰富的临床经验完成的，并且术中还需对手术部位进行多次C形臂X线机透视以确定导针位置，这会延长手术时间，而且电离辐射也不容忽略。3DP技术的辅助，可以极大程度降低这些影响。在术前通过三维重建患者模型，规划截骨或螺钉置入的部位及角度、设计手术入路，模拟手术，并最终依据规划，打印并使用特定的截骨导板或螺钉导向器。国内外学者研究发现，运用3DP技术和导板或导向器辅助进行截骨或置入螺钉，可以显著提高手术精确度、缩短手术时间，减少术中出血量和透视次数及时长，改善预后。
3DP截骨导板 Sobron等认为3DP患者特定截骨导板提高中足截骨的准确性，降低人为因素导致的风险；Liu等设计了一种3DP患者专用截骨导板（PSI），用以辅助足三关节融合术治疗僵硬性马蹄内翻足。使用PSI进行截骨克服了传统截骨方式所不可避免的足部长度丢失等问题，保持了足部的整体美观。施忠民等使用3DP个性化截骨导板辅助踝上截骨术治疗内翻性踝关节炎，虽与传统开放截骨手术相比矫正效果无显著差异，但使用3DP导板可以减少术中盲目摸索，提高手术安全性和效率。张宇航等使用3DP技术辅助外翻Chevron截骨术，实现了更精确的截骨，纠正IMA的精度更高。
3DP置钉导板 在3DP置钉导板的辅助下，可以实现更加精准的置钉过程。Ferreira等使用3DP技术打印了两个微创外翻截骨和置钉导向器，一个用于贴合患者皮肤表面确定截骨部位；另一个用于确定截骨后螺钉置入的角度和部位，辅助螺钉置入。李广翼等使用三维打印导板辅助关节镜进行踝关节融合术，在术前获取踝关节及软组织的三维数据并打印一体化导板。导板可包绕踝关节内外侧及后侧，含3组导向钉道模块，模块在置入导针后可与导板拆卸。虽相较于开放式手术组而言，手术时间略长，但可明显减少术中透视次数、减轻
3DP踝关节置换导板 全踝关节置换术（TAR）一直以来是足踝外科领域研究的热门话题。传统TAR多采用厂家配套的标准化截骨定位杆，距骨假体与距骨之间的多个截骨面需采用3~4个截骨导引器。截骨角度容易受到主刀医师经验或患者骨解剖变异的影响，从而导致踝关节假体匹配度下降。对线不良、骨质差以及距骨旋转可能导致人工踝关节衬垫磨损增加，引起距骨假体松动，所以最终TAR效果与术中截骨过程息息相关。刘辉亮等使用计算机辅助设计（CAD）软件结合3DP技术，将患者图像数据导入CAD等图像处理软件进行图像后处理，并通过计算机模拟手术以选择最佳适配度假体型号。同时，距骨和胫骨精确截骨可以有效提高假体吻合度，降低假体松动发生率和术中及术后医源性骨折风险。CT三维重建和3DP导板在辅助手术方面有极高的应用价值，但随着负重CT扫描（WBCT）应用逐渐普及，不建议根据WBCT三维重建模型制造截骨导板。由于术中足部处于非负重状态，使用负重位模型可能会改变足部解剖标志，降低匹配度。由于3DP无法反映有关骨折部位周围的软组织情况，但软组织在骨折复位的过程中也非常重要，所以3DP不适用于有软组织卡压或严重的粉碎性骨折。
3DP定制假体 距骨缺血性坏死（TAVN）的治疗是近年来热烈讨论的话题。对于TAVN的治疗往往选择踝关节融合术（AA）或胫距跟融合术（TTCA），术后患者在功能评分方面有所改善，但骨不连和二次手术率居高不下，并且融合术后踝关节功能的丧失会引起步态的改变，可能会导致相邻关节的压力增加。基于同侧或对侧的距骨
3DP骨缺损假体 踝关节和后足的大型骨缺损（LOD）是由多种原因引起的，常见的原因包括大型关节融合术或置换手术（例如TTCA、AA、TAR等）翻修、严重创伤、感染和夏科氏关节病等。手术过程中需要种植大量同种异体骨或自体髂骨、带血管蒂腓骨等。当患者骨缺损较多时，需要种植的骨量也多，高昂的费用或自体骨供区问题不容小觑，对恢复肢体长度存在一定的考验。3DP技术可以使置入物在设计时有更多的可能性，根据患者骨缺损的体积和形状设计的置入物，其稳定性将会比传统的结构性植骨更有优势，也减少了移植骨数量。Strydom等设计并使用一种3D打印多孔钛置入物治疗踝关节LOD。根据患者骨缺损形状设计出异形中空多孔钛合金材料，取患者髂后上嵴处自体骨粉碎后填入假体，最后依靠定位器置入患者体内。通过中空部分自体骨愈合，确保了假体与周围骨组织交界处结合的稳定性，降低假体松动概率，对恢复肢体长度和稳定性具有显著优势。
3DP个性化足踝矫正器 通过3DP技术制作的足踝矫正和康复器械能够实现与患肢的完美匹配，材料成本较低，能满足个体化及个性化的需求。一部分足踝术后的患者，可搭配使用个性化足踝部矫正器（AFO），维持矫形效果；另一部分患者由于术后骨性结构和足踝部诸骨解剖关系发生改变，使用AFO可以帮助其正常穿鞋、行走等。有研究表明，结合3DP技术打造的患者AFO，可以更有效地减少与足底病变有关的损害，提高跖筋膜炎患者的舒适度；通过采集经手法整复后的小儿扁平足足底压力数据，使用3DP定制鞋垫，更能贴合足弓矫形后的状态，患儿适应更快。然而，部分康复器械的设计和组装仍较复杂，在制造零部件时成本较高。
3D生物打印的应用
3D生物打印（3DBP）是3DP技术中重要的分支，是指将细胞、生长因子及支架结合在一起形成完整的整体结构，并实现不同种类细胞在支架内部的准确定位，通过相互作用制造出个性化医疗器械、组织器官乃至生命体等。3DBP有诸多优势，例如：（1）可以快速构建宏观或微观结构仿生组织工程支架；（2）构建三维“多细胞/材料”体系；（3）构建仿生细胞外基质环境等。
类器官 类器官具有来源组织或器官的部分关键结构和功能特征。通过干细胞自组织方式，在体外3D培养条件下诱导分化形成有功能的组织复合体，在构造与功能上同人体真实器官高度相似，且可在体外持续稳定传代培养。为初步应对骨与软骨疾病治疗这一难点，骨/软骨类器官（BO/CO）概念应运而生。BO/CO基于3D体外细胞培养系统建立、含有一种以上细胞类型的微型组织，与体内骨/软骨结构高度相似，可复制出骨/软骨的复杂空间形态和功能，表现出骨/软骨的某些生理特征。BO/CO能够模拟体内代谢和再生修复过程，有助于阐明骨/软骨在病理状态下的修复机制；与体内骨/软骨具有相似生理反应，亦可直接用于组织修复再生，用于缺损原位修复。BO/CO在体内可以实现自我更新和自我组织，这是区别于传统体外组织培养的关键。
3DBP软骨细胞外基质 距骨骨软骨损伤的治疗一直是一大难题。由于软骨组织缺乏血供，损伤很难有效治愈。常规的软骨修复办法由于缺乏软骨生长支架及生长因子，其再生效果往往不尽如人意。3DBP技术可将软骨细胞外基质、支架材料整合，置入患者软骨缺损部位，为软骨修复再生提供了有序生长空间。Chen等使用3DP技术打印了一种整合了软骨细胞外基质、
结语
未来骨科的发展方向将是精确化、个性化、微创化与数字化。从定制AFO，到特制手术截骨导板、置钉导向器和骨缺损填充假体，再到3D生物打印骨类器官、水凝胶，3DP技术在足踝外科领域的应用逐渐深入；从术前规划和宣教、医学教育，再到临床医学实践中的应用，3DP技术的优势涉及各个方面，对实施精准医疗的贡献是显著的。随着研究的不断深入，期待实现3DP技术与临床治疗结合的多样化，为临床医学带来更有前景的未来。
来源：中国矫形外科杂志2025年2月第33卷第4期
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