3D打印技術的基礎為增材制造技術，1984年Hull第一次利用計算機建模結合增材制造技術成功制造出實體，標志著3D打印技術的誕生。
目前關節外科中主要應用的3D打印技術有以下幾種：①立體光刻成型技術，光固化材料在激光的聚焦下，完成一個平面單位的凝固成型，然后垂直移動一個水平單位繼續固定建模設定的相應層面，在骨科臨床應用較為常見，多用于骨科手術模型的打印，同時也能應用在陶瓷類實體的制作，使用明膠類材料打印可應用于角膜基質組織修復；②電子束熔融技術，通過高能量電子束聚焦將金屬粉末熔融成型，計算機輔助設計模型為根，經過點線面逐層熔融，最終獲得成品.
研究表明電子束熔融技術打印Ti6Al4V膝關節置換置入物具有良好生物相容性與骨結合能力；③選擇性激光燒結技術，使用激光燒結已預熱的材料，點線面逐次成型，最后根據建模通過燒結去除多余材料；通過選擇性激光燒結技術打印多孔鈦置入物具有良好的機械性能和生物相容性，結合CS/HA涂層，置入物表現出良好的骨誘導性，從而具有穩定的成骨作用。筆者主要就3D打印技術在關節外科的應用進展作一綜述，報道如下。
采用3D打印技術制備個性化支具
簡單骨折固定處理中，石膏仍是目前臨床主要選擇，但是使用石膏類支具也可能出現多種問題：
①透氣性差，易導致皮膚損傷，情況嚴重時接觸部位皮膚感染后出現壞死；
②對操作者手法有一定要求，不熟練者制作的石膏支具可能不符合患者患肢固定需求
③石膏支具較為笨重，增加支具清潔及患者功能鍛煉的難度，長期固定還可能增加關節僵硬和肌肉萎縮發生風險。
臨床研究表明，通過3D打印技術定制患者個性化支具不僅與患肢吻合度高，同時設計的支具擁有均勻分布的透氣孔，便于包覆部位的透氣及拆卸換藥。此外，個性化支具選用生物可降解材料聚乳酸，在支具抗沖擊、防斷裂強度方面也有一定保障。
曾燾等報道60例Colles骨折，試驗組采用3D打印支具進行固定，對照組采用小夾板固定，結果表明骨折復位后6~8周試驗組PRWE評分優于對照組，試驗組掌傾角、橈骨短縮等解剖學參數優于對照組（P<0.05），肯定了3D打印的個性化支具在前臂骨折固定及康復治療方面的效果。最新的3D打印技術可以將支具制作時間縮短至1d以內。
采用3D打印技術為臨床教學以及醫患溝通提供直觀模型
以往解剖學教學過程中多采用真實人體骨骼制作的標本，存在骨骼標本獲取難度大、多次使用后標本部分精細結構易出現磨損從而影響教學展示等問題。
采用3D打印技術能量產各類骨骼模型，避免了標本只能取自尸體的困境，能反復制作，解決了醫學倫理、生命健康、標本保存等問題。
同時3D打印制作的模型具有較高的精細度，并能還原出人體器官各個解剖結構真實位置和顏色，有利于解剖知識的教學。Hasenstein等使用3D打印技術制作足踝關節模型進行實踐教學，學生在設計、制作模型以及觀察分析模型的過程中理解充分，取得了良好的教學效果。臨床上依據患者CT影像資料進行三維建模，再通過3D打印技術制作局部骨骼及關節模型，可以更加直觀地表現出患肢關節的解剖情況，如臨床醫師進行全髖關節置換術學習時，髖臼假體如何定位放置是學習重點，初學者可以在1∶1的3D打印實物模型進行練習，降低了初學者通過手術進行強化學習而出現誤差的相關風險
。在低年資醫師學習過程中，如何培養其判斷關節病變嚴重程度、解剖結構改變情況的能力一直是一個難題，通過影像學檢查診斷病灶具體改變時，臨床醫師不僅要熟練掌握閱片技巧，同時也要進行平面影像學到立體結構的思維轉換。
與影像學資料相比，3D打印實物模型可以直觀地展現患者關節病變嚴重程度、解剖結構改變情況，加深臨床醫師對各類關節疾病臨床表現與解剖學改變的認識。只要保存了建模數據就能多次制備3D打印模型，臨床醫師可以在實物模型上反復進行手術模擬以提高手術熟練度，縮短學習曲線。此外，患者能夠通過3D打印實物模型直觀了解病灶病理改變及手術具體步驟，降低臨床醫師對病情解釋溝通的難度。
Yang等報道采用3D打印模型的患者治療與溝通評分高于未采用3D打印模型的患者，提示3D打印模型是提升醫患溝通質量的有效工具。
采用3D打印技術制備個性化導板
人工膝關節置換術中需采用特定裝置測量脛骨內側平臺后傾角、股骨外翻角等參數，術前X線片、CT等影像學檢查是當前臨床決定術中定位截骨的主要依據，3D打印技術制作的實物模型也能作為個性化導航模板，幫助術者決定假體安放、截骨、置釘固定等步驟。
研究結果表明，膝關節翻修患者特別是早期翻修患者再手術原因多為截骨不當導致膝關節假體不穩。McClelland等將接受全膝關節置換術的患者隨機分為導板輔助組與對照組，結果表明導板輔助組患者術后生物力學改變小于對照組。
通過3D打印技術可將計算機輔助技術實體化，術者可以根據患者病灶特點改變傳統手術預設截骨和解剖角度設計，同時在實物模型上進行演練，提高了截骨匹配度，減少了手術時間、術中出血量，降低了感染風險，減少膝關節生物力學改變從而降低了術后并發癥發生率。Shen等將20例全膝關節置換術分為應用導板的試驗組以及未應用導板的對照組，結果表明使用導板進行術前準備可明顯縮短手術時間，減少術中出血量及術后并發癥發生，臨床和功能評分明顯提高，提示3D打印截骨導板輔助全膝關節置換術治療膝關節外翻畸形患者的療效更優。
對于全髖關節置換術，術前應初步確定髖臼側磨銼位置、偏心距、股骨側Dorr分型、截骨開髓位置，了解Harris窩、橫韌帶、股骨小粗隆等解剖標志，截骨擴髓不順利會導致手術出血量大、手術時間延長、術后早期翻修等一系列并發癥。
通過3D打印技術制作導航模板能讓術者了解患者髖關節解剖結構，設計髖臼磨銼、股骨擴髓等手術步驟，確保髖臼前傾角等生物力學指標正常，減少髖關節置換翻修、假體脫位等并發癥的出現。
Wang等研究表明，在肩關節置換術前3D打印導航模板的預期有用性與形態復雜程度呈正相關，即需要手術的肩關節結構越復雜，需要重建的結構越多，3D打印制作導航模板進行評估與預手術的意義越大。
采用3D打印技術制備個性化假體
嚴重的關節疾病如髖關節骨性關節炎、股骨頭缺血性壞死、膝關節骨性關節炎等采取非手術治療效果不佳，首選治療方案為人工關節置換術，而手術器械、假體選擇、術中截骨等因素可能導致假體應力傳導不均勻，進而出現生物力學改變，同時假體凹槽設計也會影響骨重建。
假體如果無法較好地與患者骨組織匹配，假體與髓腔之間可能留有間隙，患者回歸正常生活后運動量增大可能導致假體與骨組織之間的間隙增大，出現假體松動甚至導致假體脫位而被迫進行翻修。骨與假體的匹配度直接影響人工關節置換術的療效，因此人工關節個體化的發展成為熱門研究。3D打印人工假體的優勢主要體現在兩個方面，一是適形匹配，二是骨整合功能。
3D打印金屬骨小梁與自體骨的融合已經在動物體內研究中得到證實。Sultan等在全膝關節置換術中使用3D打印制作的多孔鈦假體并完成2年隨訪，評估并發癥、疼痛評分、2年生存率等相關指標，肯定了3D打印多孔鈦假體的臨床應用效果。
Wan等在髖臼缺損修復術中應用3D打印鈦合金小梁杯和墊，與常規鈦合金小梁杯和墊相比，患者術后3、6、12個月髖關節功能Harris評分與SF-36評分明顯更高，疼痛VAS評分明顯更低，而且短期療效評價中3D打印假體的穩定性和骨向內生長情況更優。
對于骨腫瘤或翻修手術導致患者的骨組織嚴重缺損，主要重建手段為自體骨填充、異體骨填充或置入人工假體，但骨盆、長骨中段等特殊骨組織重建則需要定制個性化假體以盡量避免骨組織生物力學的改變。Zou等報道了1例軟骨肉瘤手術后假體松動，采用3D打印鈦合金肩關節假體解決了肱骨近端大量骨組織缺損導致無法進行翻修手術的問題。
相比減材工藝，3D打印作為增材制作技術在制作內部孔道、內部支撐、表面多孔結構等具有復雜三維結構假體方面具有明顯優勢。
意大利AdlerOrtho公司于2007年推出FixaTIPORE生物型髖臼，這是第一款量產式3D打印生物臼杯。2008年意大利Lima公司上市了DeltaTT臼杯。2011年美國ExacTech推出了InteG-p臼杯。2015年中國愛康宜誠公司量產式3D打印髖臼產品獲國家食品藥品監督管理總局批準。2015年11月Smith&Nephew公司研發了REDAfT翻修臼杯，這類假體為3D打印制作的超多孔臼杯，在維持假體穩定、促進骨生長方面效果理想。
采用3D打印技術制備生物材料
關節軟骨組織再生能力差，而且關節腔內缺少血管分布，關節軟骨組織的供養主要靠滑膜分泌的滑液，因此關節軟骨損傷后難以自行修復。
采用3D打印制作支架材料輔助修復關節軟骨是一種新思路。軟骨缺損修復支架材料包括有機材料（如天然高分子材料）以及具有一定生物相容性的無機材料（如陶瓷、磷酸三鈣、羥基磷灰石、磷酸鈣骨水泥等）。
天然高分子支架材料是研究的重點，主要有膠原支架材料、透明質酸鈉支架材料、殼聚糖支架材料、血纖蛋白支架材料，這類材料滿足可塑性、高生物相容性、可降解性與體內可吸收性，同時制作的支架需要具有一定的機械強度，與置入部位組織力學性能相匹配。
天然高分子支架材料可采用3D打印技術制作支架，可以繼承多孔結構的優點，采用透明質酸鈉等材料制作的支架能夠幫助移植的軟骨組織粘附、增殖，并產生細胞外基質、功能蛋白及多糖。如果支架符合細胞生長特點，細胞與滑膜液可以更好地接觸，從而加快軟骨組織修復。
總結
3D打印技術應用于關節外科需要更高精度的機器，對原材料的要求也更高。在關節假體打印領域，因原材料強度不足，長骨承重相關假體研發進展緩慢，而且當前打印器械難以達到足夠的精細度以制作復雜的假體表面及內部骨孔隙結構。
在軟骨修復重建方面，各類研究多處于試驗研究階段，難以進行有效的臨床應用，而且無論是完全移植自體軟骨、異體軟骨或采用修復支架材料都不能恢復到發病前的正常狀態。
相信經過臨床醫學、生物工程、機械設計等多學科共同努力下，3D打印技術將持續發展并逐漸成熟，同時伴隨著3D打印假體應用于臨床的政策不斷完善，技術、倫理等相關問題將會逐步得到解決，為關節外科治療手段不斷更新助力。
