3D打印技术在足踝外科骨折及畸形类疾病中的应用

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2940

中国组织工程研究 ›› 2021, Vol. 25 ›› Issue (3): 438-442.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2940

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3D打印技术在足踝外科骨折及畸形类疾病中的应用

黄幼怡1，袁伟2

1南昌大学医学部，江西省南昌市 330031；2中国医科大学附属第一医院骨科，辽宁省沈阳市 110001

收稿日期:2020-04-03 修回日期:2020-04-10 接受日期:2020-05-09 出版日期:2021-01-28 发布日期:2020-11-18
作者简介:黄幼怡，女，1999年生，重庆市人，汉族，南昌大学医学部本科在读
基金资助:
辽宁省骨科转化医学研究中心及协同研究网络建设-基于 3D 打印技术的个体化设计与研发项目(2015225014)

Application of 3D printing technology in fracture and deformity of foot and ankle

Huang Youyi1, Yuan Wei2

1Medical Department of Nanchang University, Nanchang 330031, Jiangxi Province, China; 2Department of Orthopedics, the First Affiliated Hospital of China Medical University, Shenyang 110001, Liaoning Province, China

Received:2020-04-03 Revised:2020-04-10 Accepted:2020-05-09 Online:2021-01-28 Published:2020-11-18
About author:Huang Youyi, Medical Department of Nanchang University, Nanchang 330031, Jiangxi Province, China
Supported by:
the Liaoning Orthopedic Translational Medicine Research Center and Collaborative Research Network Construction Individual Design and Research & Development Project Based on 3D Printing Technology, No. 2015225014

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
3D打印技术：又称快速成型技术，是一种以三维数字模型为基础，并采用逐层制造方式，将材料堆积起来的新型增材制造技术。
足踝外科：是骨科的重要分支，是一门主治足踝部周围各类急慢性创伤及先天性畸形的新兴学科，主要包括各类骨折、软组织损伤及足踝部先天畸形。

背景：足踝部解剖结构较为复杂，有多条伸屈肌腱通过并与多个血管、神经毗邻，在人类完成行走、跳跃及蹲起等活动中发挥重要作用。由于足踝部关节本身为肢体最远端的负重关节，因此通过传统的方法治疗复杂的踝关节周围骨折(如三踝重度粉碎性骨折、Pilon骨折等)或各类重度足踝部畸形(如马蹄内翻足、拇外翻、平足症等)往往很难达到满意的治疗效果。可喜的是，近年来利用3D打印技术显著提升了上述疾病的手术成功率及患者满意度。
目的：归纳3D打印技术在足踝外科骨折及畸形类疾病中的治疗现状。
方法：利用计算机检索CNKI、PubMed数据库，中文检索词为“3D打印技术，足踝外科，踝关节骨折，足踝部畸形，矫形术”，英文检索词为“3D printing，foot and ankle surgery, ankle fracture，foot and ankle deformity，orthopedic surgery”，检索时限为2000年1月至2020年2月。共检索到105篇文章，根据纳入与排除标准，最终纳入55篇文献进行综述。
结果与结论：①通过在3D实物模型上进行足踝外科手术的术前模拟操作，可提高术者对手术的熟练度，同时可以根据需求，制作个体化手术器械，提高手术成功率；②相较于传统制作的足部矫形器，3D打印技术可以制作出更加符合人体结构的足部矫形器。

https://orcid.org/0000-0002-6192-1845(黄幼怡)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 骨, 骨折, 踝关节, 足踝, 3D打印, 畸形, 三维, 综述

Abstract: BACKGROUND: The anatomical structure of the foot and ankle is complex. There are many extensor and flexor tendons passing through the foot and ankle, which is adjacent to many blood vessels and nerves. The foot and ankle play an important role in human walking, jumping and squatting. As the ankle joint itself is the most distal load-bearing joint of the limb, it is difficult to achieve satisfactory therapeutic effect by traditional methods to treat complex periankle fractures (such as severe comminuted trimalleolar fractures and Pilon fractures), or various severe ankle deformities (such as talipes equinovarus, hallux valgus, and flatfoot). Fortunately, in recent years, 3D printing technology has significantly improved the success rate and patient satisfaction of the above diseases.
OBJECTIVE: To summarize the current situation of 3D printing technology in the treatment of ankle fracture and deformity.
METHODS: The computer was used to search CNKI, PubMed database. Chinese search terms were “3D printing technology, ankle surgery, ankle fracture, ankle deformity, orthopedics”. The English search terms were “3D printing, foot and ankle surgery, ankle fracture, foot and ankle deformity, orthopedic surgery”. The retrieval period was from January 2000 to February 2020. A total of 105 articles were retrieved. According to the inclusion and exclusion criteria, 55 articles were finally included for review.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) Through the simulation operation of foot and ankle surgery on 3D physical model, the operator’s proficiency in the operation can be improved. Simultaneously, according to the needs of the operation, individual surgical instruments can be made to improve the success rate of the operation. (2) Compared with the traditional foot orthosis, 3D printing technology can make foot orthosis more suitable for human body structure.

Key words: bone, fracture, ankle, foot and ankle, 3D printing, deformity, 3D, review

中图分类号:

黄幼怡, 袁伟. 3D打印技术在足踝外科骨折及畸形类疾病中的应用[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(3): 438-442.

Huang Youyi, Yuan Wei. Application of 3D printing technology in fracture and deformity of foot and ankle[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2021, 25(3): 438-442.

图/表（结果） 1

2.1 3D打印技术在足踝外科骨折中的应用 Zhang等[16]回顾了3D打印应用于治疗高能交叉踝关节骨折脱位——“Log-Splitter”损伤中的疗效及预后，发现与常规组相比，3D打印组在手术时间、术中出血量、透视次数、骨折愈合时间、美国足踝外科学会评分功能结果及术后并发症方面，具有更好的安全性和有效性，手术时间短，术中出血量少，所需透视少，功能优良率高。Yao等[17]分析了在应用3D打印技术基础上的跗骨窦入路微创治疗跟骨骨折的疗效，发现在支持钉、跟骨后关节面螺钉和长轴螺钉的定位和放置以及Bohler角、Gissane角和跟骨宽度等参数方面，准确率均有显著提高。一项关于3D打印技术在Pilon骨折中应用的有效性和安全性的Meta分析显示，在手术时间、出血量、术后功能评分、术后目测类比评分、优良率、解剖复位率等方面3D打印辅助手术均明显优于传统手术[18]。穆怀昭等[19]对3D打印应用于正处在发育中的胫骨远端骨折并累及到骺板的青少年进行了评估，得出以下结论：3D打印可制定出个体化的手术治疗方案，具有定位精确、组织损伤小、解剖复位率高、手术时间短、并发症少、射线暴露少、踝关节功能恢复好的优点。Yang 等[20]评价了3D打印治疗三踝骨折的疗效及其在医患沟通中的作用，在手术时间和术中出血量控制、患者的满意度及沟通满意度方面均较对照组显著改善。3D打印可以真实地反映骨折部位的解剖结构，有效地帮助医生规划手术方案，是医患沟通的有效工具。Hamid等[21]使用3D打印的脚手架在严重足踝创伤患者的初步抢救中发挥了重要作用；真实大小的3D打印预成型钢板模型也被Chung等[22]应用于跟骨骨折的微创固定中。
综上所述，踝关节骨折患者接受3D打印技术治疗具有下述显著优势：
(1)临床医生根据3D模型个体化标本情况，能够初步避开重要血管、神经，选择手术过程中螺钉置入位置，并且对螺钉的置入长度和方向进行准确观察，最大限度缩短手术过程中测量所需时间，防止反复应用C型臂X射线机观察造成的复杂性，提高了外科医生的信心和把握，操作步骤更加简单且有效，明显减少了患者承受的X射线照射量[15，23]。
(2)传统手术治疗方案在钢板塑形过程中需要经铝板贴合骨面折出预弯雏形，并按照铝板模型进行钢板塑形，这样会明显降低塑形的精确性，延长手术治疗时间，且钢板的置入位置也不稳定。而利用3D打印技术能够早期选取切口、复位方法、内固定方式、内固定材料、钢板放置位置，而后进行术前钢板模拟塑形预弯，使用螺钉长度和置入方向选择提高钢板预弯的精确性，保证钢板置入位置的准确可靠，并提高手术内固定的有效性，明显缩短了手术治疗时间，从而增加手术的成功率[17，24]。
(3)3D打印技术能够对患者的骨折损伤程度、骨折情况和解剖结构进行准确观察，进而直观全面地反映患者的骨折复位前后情况，为患者临床治疗方案的制定提供可靠依据。尤其对于青少年来说，踝关节骨折如出现骺板损伤，若处理不当，术后极易出现肢体发育畸形、关节功能异常及障碍的后遗症[19]。采用3D打印技术，外科医生可以综合分析个体局部的骨折情况, 使用三维物体帮助患者局部骨折骨质恢复正常的生理解剖位置，创造更加微创的手术方式[17，25]，可以有效减少术中出血量、术后住院时间及骨折愈合时间，有效减轻术后疼痛程度以及术后的一系列并发症的发生率，获得较好的康复疗效[26-27]。
(4)临床手术均存在一些术后风险，医生在与患者家属沟通时很难做到直观、全面地进行解释。医生利用3D打印模型可以轻松指出患者的问题所在，让患者及其家属对术后风险有一定了解，从而减轻患者的心理压力，提高患者对手术的整体满意度，减少医疗纠纷的发生，提高治疗效率[28-29]。
(5)即使是有着丰富临床经验的外科医师也无法避免失误。而仅仅依靠老一辈的经验方式来培养医生，要达到他们的水平需要非常长的时间，如果有了这种三维数字影像的帮助，培训时间则可以明显缩短[30-32]；更重要的是，如果有一个工具能将手术门槛降低，让广大的基层医生也能开展高难度的手术，不需要把患者都集中到大医院来，就可以更好地造福群众，这让人民群众能够广泛地享受到高新科技为个人生命健康带来的福利[33-35]。
2.2 3D打印技术在足踝外科畸形类疾病中的应用主要回顾了3D打印在高弓足、扁平足、拇外翻患者中的应用。
采用3D打印技术可以对高弓足患者进行个体化术前规划和手术模拟，包括截骨方案设计、内固定材料的选择和预塑形等。有利于手术医生做出最合理、最优化的术前规划，从而设计出更加精准的个体化手术方案。钱辉等[36]对6例高弓足畸形患者采用3D打印技术辅助截骨手术治疗，术后6例患者均足部畸形改善，行走步态稳定，术后目测类比评分、美国足踝外科学会踝-后足及中部足功能评分、Meary角、Hibbs角均优于术前，均未出现骨不愈合等严重并发症。应用 3D打印技术辅助截骨治疗成人高弓足可获得较好的疗效，其在术前规划截骨、内固定材料选择和预塑形、手术模拟操作等方面具有较多优势，可提高术者对手术的熟练度，从而缩短手术时间，提高手术成功率，减少并发症的发生。当然，3D打印技术辅助治疗在高弓足手术中也存在着不足。虽然 3D 打印技术在术前设计截骨方案、模拟骨重建及内固定选择方面有明显优势，但高弓足手术治疗除骨性手术外，还需考虑行跖筋膜松解、肌腱延长或肌腱转位术等软组织手术，不能完全依赖于 3D 打印辅助截骨技术，而忽视肌力平衡在高弓足治疗中的重要作用[37-38]。
高斌等[39]采集了11例复杂扁平足患儿足踝部CT断层扫描数据，并进行数字化三维重建和快速成型，在模型上进行模拟手术，并将其应用于诊治、手术规划和术中参照，平均随访20个月，所有患儿均在3D打印实体模型指导下完成，手术顺利，其中11例患儿术中所见与术前数字化三维重建和3D打印实体模型的畸形结构变化一致。说明数字化重建技术能够准确和直观地反映儿童复杂扁平足畸形的立体形态和解剖结构的空间关系，对临床医生的诊断、手术计划等有较大帮助，并减少手术操作时间，达到更好的手术效果。
张宇航等[40]探讨了3D打印技术制定个体化截骨角在拇外翻截骨矫形术中的临床应用，根据术前设计方案分为计算机截骨组和传统截骨组，结果显示计算机截骨组通过扫描负重状态下的患足获得的立体数据进行建模，更能体现拇外翻病理状态下的立体结构，从图像采集方面减少了相应的误差；2组手术时间、术中失血量、住院时间、术后1周疼痛评分等比较差异无显著性意义。
由此可见，3D打印技术辅助治疗相比于传统手术具有以下优势：见表1。
(1)与传统医学影像学资料(如 X射线片、CT、MRI)相比，3D打印实体模型有助于手术医师在术前更加深入、直观地了解患者病足畸形程度，评估相应的手术风险以及预测术后效果[41-45]。
(2)通过实体打印模型的呈现，术前医患沟通时能使患者及家属更加直观了解手术方案的设定以及存在的手术风险，更好地获得患者及家属的理解，良好的医患沟通能有效地缓解医患矛盾，有利于促进医患关系和谐发展。
(3)有利于制定个体化、精度化的手术方案。3D 打印可以迅速地打印出足部病变部位的实物模型，并可以根据术者需要，在实物模型上进行模拟截骨、模块切除及骨重建等，有利于手术医生做出最合理、最优化的术前规划，从而设计出更加精准的个体化手术方案[46]。
(4) 通过在3D实物模型上进行术前模拟手术操作，可提高术者对手术的熟练度，从而在实际操作中降低手术中出血量，缩短手术时间，减少医护和患者对放射线的暴露时间及剂量。同时术者可以根据手术需求，制作个体化手术器械，提高手术成功率，减少并发症的发生。
(5)3D打印技术除应用于打印实体模型之外，还可以精准制作出各类足部矫形器。相较于传统制作的足部矫形器，3D打印技术可以制作出更加符合人体结构的足部矫形器，对于人体足部矫形，3D打印技术是一个可替代的选择[47-50]。

参考文献

[1] GOOST H, WIMMER MD, BARG A, et al. Fractures of the ankle joint: investigation and treatment options. Dtsch Arztebl Int. 2014;111(21):377-388.
[2] EVANSKI PH, WAUGH TR. Management of arthritis of the ankle. An alternative of arthrodesis. Clin Orthop Relat Res. 1977;122: 110-115.
[3] DOORNBERG JN, RADEMAKERS MV, VAN DEN BEKEROM MP, et al. Two-dimensional and three-dimensional computed tomography for the classification and characterisation of tibial plateau fractures. Injury. 2011; 42(12): 1416-1425.
[4] BLOCH B, SRINIVASAN S, MANGWANI J. Current concepts in the management of ankle osteoarthritis: a systematic review. J Foot Ankle Surg. 2015;54(5):932-939.
[5] NWANKWO EC, CHEN F, NETTLES DL, et al. Five-Year Follow-Up of Distal Tibia Bone and Foot and Ankle Trauma Treated with a 3D-Printed Titanium Cage. Case Rep Orthop 2019;2019:7571013.
[6] GEORGE E, LIACOURAS P, RYBICKI FJ, et al. Measuring and Establishing the Accuracy and Reproducibility of 3D Printed Medical Models. Radiographics. 2017;37(5):1424-1450.
[7] WONG KC, KUMTA SM, GEEL NV, et al. One-step reconstruction with a 3D-printed, biomechanically evaluated custom implant after complex pelvic tumor resection. Comput Aided Surg. 2015;20(1):14-23.
[8] ARANDA JL, JIMÉNEZ MF, RODRÍGUEZ M, et al. Tridimensional titanium-printed custom-made prosthesis for sternocostal reconstruction. Eur J Cardiothorac Surg. 2015;48(4):e92-94.
[9] WEADOCK WJ, HEISEL CJ, KAHANA A, et al. Use of 3D printed models to create molds for shaping implants for surgical repair of orbital fractures. Acad Radiol. 2020; 27(4):536-542.
[10] MORRISON RJ, HOLLISTER SJ, NIEDNER MF, et al. Mitigation of tracheobronchomalacia with 3D-printed personalized medical devices in pediatric patients. Sci Transl Med, 2015;7(285):285ra64.
[11] 苏暄, 刘忠军. 3D打印技术带来脊柱外科个体化治疗时代[J]. 中国医药科学, 2015,5(24):1-4.
[12] MONTGOMERY SJ, KOONER SS, LUDWIG TE, et al. Impact of 3D printed calcaneal models on fracture understanding and confidence in orthopedic surgery residents. J Surg Educ. 2020;77(2):472-478.
[13] LIN KW, HU CJ, YANG WW, et al. Biomechanical Evaluation and Strength Test of 3D-Printed Foot Orthoses. Appl Bionics Biomech. 2019;2019: 4989534.
[14] SKELLEY NW, HAGERTY MP, STANNARD JT, et al. Sterility of 3D-printed orthopedic implants using fused deposition modeling. Orthopedics. 2020;43(1): 46-51.
[15] MUNOZ-GUIJOSA JM, ZAPATA MARTÍNEZ R, MARTÍNEZ CENDRERO A, et al. Rapid prototyping of personalized articular orthoses by lamination of composite fibers upon 3D-printed molds. Materials. 2020;13(4):939-945.
[16] ZHANG YW, XIAO X, XIAO Y, et al. Efficacy and Prognosis of 3D Printing Technology in Treatment of High-Energy Trans-Syndesmotic Ankle Fracture Dislocation - “Log-Splitter” Injury. Med Sci Monit. 2019; 25: 4233-4243.
[17] YAO LF, WANG HQ, ZHANG F, et al. Minimally invasive treatment of calcaneal fractures via the sinus tarsi approach based on a 3D printing technique. Math Biosci Eng. 2019; 16(3):1597-1610.
[18] BAI J, WANG Y, ZHANG P, et al. Efficacy and safety of 3D print-assisted surgery for the treatment of pilon fractures: a meta-analysis of randomized controlled trials. J Orthop Surg Res. 2018;13(1):283.
[19] 穆怀昭, 杨朝昕, 赵佳佳, 等. 常规手术与应用3-D打印技术后手术治疗青少年胫骨远端骺损伤骨折的疗效比较[J]. 海南医学, 2018, 29(22): 3149-3152.
[20] YANG L, SHANG XW, FAN JN, et al. Application of 3D printing in the surgical planning of trimalleolar fracture and doctor-patient communication. Biomed Res Int. 2016;2016:2482086.
[21] HAMID KS, PAREKH SG, ADAMS SB. Salvage of Severe Foot and Ankle Trauma With a 3D Printed Scaffold. Foot Ankle Int. 2016; 37(4):433-439.
[22] CHUNG KJ, HONG DY, KIM YT, et al. Preshaping plates for minimally invasive fixation of calcaneal fractures using a real-size 3D-printed model as a preoperative and intraoperative tool. Foot Ankle Int. 2014; 35(11):1231-1236.
[23] DUAN X, HE P, FAN H, et al. Application of 3D-Printed Personalized Guide in Arthroscopic Ankle Arthrodesis. Biomed Res Int. 2018; 2018:3531293.
[24] FOO GL, KWEK EBK. Are Three-Dimensional Printed Models Useful for Preoperative Planning of Tibial Plafond Fractures? J Foot Ankle Surg. 2019;58(4):723-729.
[25] 房亚峰, 崔国峰, 魏戎. 3D打印辅助跗骨窦微创切口复位内固定治疗跟骨骨折的效果[J].河南医学研究, 2019, 28(17): 3120-3121.
[26] 沙鹏. 3D打印个体化模型应用于复杂踝关节骨折治疗中的价值研究[J]. 双足与保健, 2019,28(21): 157-158.
[27] 李新春, 康麟, 庞渊. 3D打印技术在Pilon骨折手术治疗中的应用[J]. 新疆医科大学学报, 2015, 38(4):471-473.
[28] 胡钧亓, 李耀文, 张叶青, 等. 3D打印技术在临床医学中的应用进展[J]. 山东医药, 2019,59(35):106-109.
[29] BIZZOTTO N, TAMI I, SANTUCCI A, et al. 3D Printed replica of articular fractures for surgical planning and patient consent: a two years multi-centric experience. 3D Print Med. 2015;2(1):2.
[30] WU AM, WANG K, WANG JS, et al. The addition of 3D printed models to enhance the teaching and learning of bone spatial anatomy and fractures for undergraduate students: a randomized controlled study. Ann Transl Med. 2018; 6(20):403.
[31] HASENSTEIN T, PATEL KP, MOORE JL, et al. Printed 3-Dimensional computed tomography scanned ankle fractures as an educational instrument. J Foot Ankle Surg. 2019; 58(6):1081-1084.
[32] 李曙明, 李萌, 杨益民, 等. 3D打印及计算机辅助技术在骨科临床教学中的应用探讨——以复杂脊柱畸形治疗为例[J].中国医学教育技术, 2015, 29(2):191-194.
[33] MAIER J, WEIHERER M, HUBER M, et al. Optically tracked and 3D printed haptic phantom hand for surgical training system. Quant Imaging Med Surg. 2020;10(2):340-355.
[34] ZEMA L, MELOCCHI A, MARONI A, et al. Three-Dimensional Printing of medicinal products and the challenge of personalized therapy. J Pharm Sci. 2017;106(7):1697-1705.
[35] PEHDE CE, BENNETT J, LEE PECK B, et al. Development of a 3-D printing laboratory for foot and ankle applications. Clin Podiatr Med Surg. 2020; 37(2):195-213.
[36] 钱辉, 刘宗宝, 黄建平, 等. 3D打印辅助截骨治疗成人高弓足6例报告[J]. 广西医学, 2019,41(16):2035-2038.
[37] WICART P. Cavus foot, from neonates to adolescents. Orthop Traumatol Surg Res. 2012;98(7):813-828.
[38] KARAKIS I, GREGAS M, DARRAS BT, et al. Clinical correlates of Charcot-Marie-Tooth disease in patients with pes cavus deformities. Muscle Nerve. 2013;47(4):488-492.
[39] 高斌, 孙巧巧, 杨明, 等. 3D打印技术辅助儿童复杂性扁平足手术临床应用[J]. 中国数字医学, 2015, 10(5):20-22.
[40] 张宇航, 毕大卫, 陈亿民, 等. 3D打印技术制定个体化截骨角在拇外翻Chevron截骨矫形术中的应用[J]. 中国骨伤, 2018,31(3):203-207.
[41] JOSEPH TN, MROCZEK KJ. Decision making in the treatment of hallux valgus. Bull NYU Hosp Jt Dis. 2007;65(1):19-23.
[42] LARHOLT J, KILMARTIN TE. Rotational scarf and akin osteotomy for correction of hallux valgus associated with metatarsus adductus. Foot Ankle Int. 2010;31(3):220-228.
[43] FERRER-TORREGROSA J, GARCIA-VICENTE S, FERNÁNDEZ-EHRLING N, et al. Design of a three-dimensional-printed surgical glove for minimal-incision podiatric surgery. J Am Podiatr Med Assoc. 2019; 109(3):207-214.
[44] BELVEDERE C, SIEGLER S, FORTUNATO A, et al. New comprehensive procedure for custom-made total ankle replacements: Medical imaging, joint modeling, prosthesis design, and 3D printing. J Orthop Res. 2019; 37(3):760-768.
[45] HIRAO M, IKEMOTO S, TSUBOI H, et al. Computer assisted planning and custom-made surgical guide for malunited pronation deformity after first metatarsophalangeal joint arthrodesis in rheumatoid arthritis: a case report. Comput Aided Surg. 2014; 19:13-19.
[46] ZHANG YH, BI DW, CHEN YM, et al. Application of three-dimensional printing technology to design individual angle section on Chevron of hallux valgus osteotomy. Zhongguo gu shang. 2018;31(3):203-207.
[47] MO S, LEUNG SHS, CHAN ZYS, et al. The biomechanical difference between running with traditional and 3D printed orthoses. J Sports Sci. 2019; 37(19):2191-2197.
[48] XU R, WANG Z, REN Z, et al. Comparative Study of the Effects of Customized 3D printed insole and Prefabricated Insole on Plantar Pressure and Comfort in Patients with Symptomatic Flatfoot. Med Sci Monit. 2019;25:3510-3519.
[49] WOJCIECHOWSKI E, CHANG AY, BALASSONE D, et al. Feasibility of designing, manufacturing and delivering 3D printed ankle-foot orthoses: a systematic review. J Foot Ankle Res. 2019; 12:11.
[50] HOLTKAMP FC, WOUTERS EJM, VAN HOOF J, et al. Use of and satisfaction with ankle foot orthoses. Clin Res Foot Ankle. 2015; 3:1-8.
[51] 周济. 智能制造——“中国制造2025”的主攻方向[J]. 中国机械工程, 2015, 26(17):2273-2284.
[52] SUN YC, WAN Y, NAM R, et al. 4D-printed hybrids with localized shape memory behaviour: Implementation in a functionally graded structure. Sci Rep. 2019; 9(1):18754.
[53] ZHANG Q, KUANG X, WENG S, et al. Rapid volatilization induced mechanically robust shape-morphing structures toward 4D printing. ACS Appl Mater Interfaces. 2020;12(15):17979-17987
[54] TAYLOR DL, IN HET PANHUIS M. Self-Healing Hydrogels. Adv Mater. 2016; 28(41):9060-9093.
[55] SHIE MY, SHEN YF, ASTUTI SD, et al. Review of Polymeric Materials in 4D Printing Biomedical Applications. Polymers (Basel). 2019;11(11). pii: E1864.

引言

足踝部是承担人体质量最大的部位，解剖结构较为复杂，有多条伸屈肌腱通过并与多个血管、神经毗邻，在人类完成行走、跳跃及蹲起等活动中发挥重要作用。踝关节骨折和足踝部畸形是足踝外科最常见的疾病，是成人最常见的骨折之一[1]，若患者得不到及时有效的治疗，则容易诱发稳定性、力线和关节畸形等问题，进而降低关节面的稳定性，诱发患者治疗后下肢残疾或是关节活动障碍等疾病[2]。而原发的扁平足、高弓足、拇外翻等各类畸形疾病及创伤后继发的各类足踝部畸形，不仅在外观上，同时也在行走步态、日常生活中严重降低患者的生活质量。保守疗法通常无法获得令患者及医生满意的预后，因此适当有效的手术治疗方法，对于踝关节骨折和足踝部畸形患者的治疗和恢复具有重要意义。
传统的二维图像手术治疗，在显示骨性结构数据的精确性方面相对较差，因而临床应用价值有限。随着科技水平的发展，医疗水平不断进步，对于疾病的治疗理念和治疗方式也在不断精益求精，更好地改善患者的生活质量成为骨科临床医师研究的热点。近年来，数字医学技术逐渐为患者的临床治疗提供一种精确化、个性化的手术方案[3-5]，其中20世纪80年代后期出现的一种以材料累加原理为基础，通过黏合粉末状塑料或金属材料制成三维物体的快速成型治疗方法——3D打印技术，被广泛应用于医疗领域。近年来，3D打印的骨盆假体、胸壁、眼眶骨折模具、具有生物可吸收性的气管支气管支架都已被成功地置入人体，国内刘忠军教授团队也在全球首次应用3D打印人工定制枢椎作为脊椎外科内植物，进行脊椎肿瘤治疗后的稳定性重建[6-11]。而在骨科重要分支之一的足踝外科领域，3D打印技术无论在复杂踝关节骨折的内固定手术或严重的足踝部畸形矫形手术中都在发挥着越来越大的作用[5， 12-15]。此次综述通过查阅大量文献，总结了3D打印技术在足踝外科的前沿应用进展情况，旨在指导医生将3D打印技术应用于足踝外科疾病的诊治中。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

材料方法

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综上所述，目前3D打印技术发展迅速，在足踝外科领域中的应用广泛，在应用范围上，从可以用于外科医生术前规划、患者术前宣教以及医学生教育培训的3D打印解剖结构模型，到用于术中的个体化手术器械及适合个体尺寸、适应疾病特征、具有良好配和贴附程度的3D打印手术辅助导板、个性化内植物和假体，以及用于填充节段性骨缺损的组织工程支架，再到用于保护患肢及术后康复的足踝矫形器等。对于Pilon骨折及夏科足等缺乏解剖一致性的复杂足踝外科疾病，3D打印与计算机软件的结合能够让术者在术前开展模拟手术，从而降低手术难度，颠覆了过去手术只能依赖术者经验的传统，对外科领域意义影响深远。足踝部皮肤软组织较薄，极易出现损伤后皮肤缺损，应用3D打印技术与反求技术，可以在术前准确测量踝关节皮肤软组织缺损面积，设计移植皮瓣大小和形态，准确修复踝关节皮肤缺损；在应用深度上，从最初无生物活性材料的3D打印到具备良好的组织相容性、力学稳定性、孔径大小适于细胞存活、具有在体内可随时间降解等特性的生物3D打印。目前，生物材料在骨的修复中已有动物实验证明其可行性，相信在未来在骨组织损伤修复中能进行精准运用，甚至打印出具有生物活性的人工骨组织来代替受损骨，从而为骨肿瘤的治疗提供帮助。在植入物的运用中，现有的标准化植入物能为大多数患者提供帮助，但在存在个体化差异，例如先天发育畸形或儿童没有相应型号的情况下，3D打印能为患者提供个性化植入物，这些个性化的植入物在临床已有许多运用，也达到了良好的效果，相信在未来的研究中会有更便捷及安全的制备方式能够使个性化植入物的运用更为普遍，为精准医疗助力。
虽然3D打印技术集众多优势于一身，也不免有其弊端。3D打印技术只有在生物工程、医学、影像学等领域相互合作的基础上才能发挥作用，只有大型的医院才拥有充足的资源和设备以及医工结合人才，这限制了该技术在各级医院的普及。打印时间较长限制了其在急诊手术中的应用，另外，打印材料、打印费用以及医学伦理等因素也限制了3D打印技术的广泛应用。以上问题均有待进一步研究解决，只有真正地做到了3D打印技术的临床转化，才能最大化发挥其作用，在足踝外科乃至骨科获得广阔的应用前景。一项技术的发展，体现在不断完善其弊端的过程中，在未来的发展中3D打印应该继续融入多学科的交叉合作，如生物工程、材料科学以及影像学等领域，更多的医疗机构、科研单位、技术领域等需增强合作，以临床为导向，有针对性地开发新技术、新材料，培养医工结合人才，形成医学3D中心，为患者提供更高效、便利的个性化服务。
现如今《中国制造2025》的提出让“智能制造”成为中国制造业发展和产业升级的风向标[51]，技术的飞速发展更加加快了3D打印技术的升级脚步，在其基础之上，4D打印技术应运而生。与时间相关的4D打印使用智能材料制造，在外界激励下可以发生形状或结构的改变[52-53]，将在特性和功能等方面更加精确地发展，实现自我组装、多功能和自我修复[54]，这使其在生物医疗领域的应用将有着其他技术无法企及的效果[55]，科技与医疗的紧密结合必将使人类的生命健康水平迈向更高的阶梯。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

3D打印技术在足踝外科骨折及畸形类疾病中的应用

Application of 3D printing technology in fracture and deformity of foot and ankle

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[1]	蒲锐, 陈子扬, 袁凌燕. 不同细胞来源外泌体保护心脏的特点与效应[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(在线): 1-.
[2]	徐峰, 康辉, 魏坦军, 席金涛. 椎弓根螺钉不同固定方法治疗胸腰椎骨折的生物力学分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1313-1317.
[3]	姜勇, 罗翼, 丁永利, 周勇, 闵理, 唐凡, 张闻力, 段宏, 屠重棋. 骶骨精准切除影响骨盆稳定性的冯米斯应力特征及临床验证[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1318-1323.
[4]	鲁德志, 梅钊, 李向磊, 王彩萍, 孙鑫, 王孝文, 王金武. 3D打印脊柱侧凸矫形器的数字化设计及效果评估[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1329-1334.
[5]	张同同, 王中华, 文杰, 宋玉鑫, 刘林. 3D打印模型在颈椎肿瘤手术切除与重建中的应用[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1335-1339.
[6]	张宇, 田少奇, 曾国波, 胡川. 初次下肢全关节置换后发生心肌梗死的危险因素[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1340-1345.
[7]	韦玮, 李剑, 黄林海, 兰敏东, 卢显威, 黄绍东. 全膝或全髋关节置换后老年人首次活动时跌倒恐惧的影响因素[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1351-1355.
[8]	王金军, 邓增发, 刘康, 何智勇, 余新平, 梁建基, 李晨, 郭洲洋. 全膝关节置换静脉滴注氨甲环酸联合含氨甲环酸鸡尾酒局部应用的止血效果及安全性[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1356-1361.
[9]	肖国庆, 刘选泽, 严钰皓, 钟喜红. 后交叉韧带替代型假体全膝关节置换术后屈曲受限的影响因素[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1362-1367.
[10]	彭智浩, 冯宗权, 邹勇根, 牛国庆, 吴峰. 活动平台单髁置换后下肢力线与外侧间室骨关节炎进展的关系[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1368-1374.
[11]	黄泽晓, 杨妹, 林诗炜, 何和与. 血清n-3多不饱和脂肪酸水平与全膝关节置换早期股四头肌肌力变化的相关性[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1375-1380.
[12]	张冲, 刘志昂, 姚帅辉, 高军胜, 姜岩, 张陆. 局部应用氨甲环酸减少老年股骨颈骨折全髋关节置换后引流的安全和有效性[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1381-1386.
[13]	姚汝斌, 王仕永, 杨开舜. 微创经椎间孔椎间融合治疗单节段腰椎管狭窄症对腰椎-骨盆平衡的改善作用[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1387-1392.
[14]	王海莹, 吕冰, 李辉, 王顺义. 减压植骨融合内固定治疗退变性腰椎滑脱：基于脊柱骨盆参数预测患者的功能预后[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1393-1397.
[15]	吕振, 白金柱. 基于McKenzie技术的腰椎运动链训练应用于腰椎间孔镜术后分期康复的前瞻性研究[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1398-1403.