3D打印技术的基础为增材制造技术，1984年Hull第一次利用计算机建模结合增材制造技术成功制造出实体，标志着3D打印技术的诞生。
目前关节外科中主要应用的3D打印技术有以下几种：①立体光刻成型技术，光固化材料在激光的聚焦下，完成一个平面单位的凝固成型，然后垂直移动一个水平单位继续固定建模设定的相应层面，在骨科临床应用较为常见，多用于骨科手术模型的打印，同时也能应用在陶瓷类实体的制作，使用明胶类材料打印可应用于角膜基质组织修复；②电子束熔融技术，通过高能量电子束聚焦将金属粉末熔融成型，计算机辅助设计模型为根，经过点线面逐层熔融，最终获得成品.
研究表明电子束熔融技术打印Ti6Al4V膝关节置换置入物具有良好生物相容性与骨结合能力；③选择性激光烧结技术，使用激光烧结已预热的材料，点线面逐次成型，最后根据建模通过烧结去除多余材料；通过选择性激光烧结技术打印多孔钛置入物具有良好的机械性能和生物相容性，结合CS/HA涂层，置入物表现出良好的骨诱导性，从而具有稳定的成骨作用。笔者主要就3D打印技术在关节外科的应用进展作一综述，报道如下。
采用3D打印技术制备个性化支具
简单骨折固定处理中，石膏仍是目前临床主要选择，但是使用石膏类支具也可能出现多种问题：
①透气性差，易导致皮肤损伤，情况严重时接触部位皮肤感染后出现坏死；
②对操作者手法有一定要求，不熟练者制作的石膏支具可能不符合患者患肢固定需求
③石膏支具较为笨重，增加支具清洁及患者功能锻炼的难度，长期固定还可能增加关节僵硬和肌肉萎缩发生风险。
临床研究表明，通过3D打印技术定制患者个性化支具不仅与患肢吻合度高，同时设计的支具拥有均匀分布的透气孔，便于包覆部位的透气及拆卸换药。此外，个性化支具选用生物可降解材料聚乳酸，在支具抗冲击、防断裂强度方面也有一定保障。
曾焘等报道60例Colles骨折，试验组采用3D打印支具进行固定，对照组采用小夹板固定，结果表明骨折复位后6~8周试验组PRWE评分优于对照组，试验组掌倾角、桡骨短缩等解剖学参数优于对照组（P<0.05），肯定了3D打印的个性化支具在前臂骨折固定及康复治疗方面的效果。最新的3D打印技术可以将支具制作时间缩短至1d以内。
采用3D打印技术为临床教学以及医患沟通提供直观模型
以往解剖学教学过程中多采用真实人体骨骼制作的标本，存在骨骼标本获取难度大、多次使用后标本部分精细结构易出现磨损从而影响教学展示等问题。
采用3D打印技术能量产各类骨骼模型，避免了标本只能取自尸体的困境，能反复制作，解决了医学伦理、生命健康、标本保存等问题。
同时3D打印制作的模型具有较高的精细度，并能还原出人体器官各个解剖结构真实位置和颜色，有利于解剖知识的教学。Hasenstein等使用3D打印技术制作足踝关节模型进行实践教学，学生在设计、制作模型以及观察分析模型的过程中理解充分，取得了良好的教学效果。临床上依据患者CT影像资料进行三维建模，再通过3D打印技术制作局部骨骼及关节模型，可以更加直观地表现出患肢关节的解剖情况，如临床医师进行全髋关节置换术学习时，髋臼假体如何定位放置是学习重点，初学者可以在1∶1的3D打印实物模型进行练习，降低了初学者通过手术进行强化学习而出现误差的相关风险
。在低年资医师学习过程中，如何培养其判断关节病变严重程度、解剖结构改变情况的能力一直是一个难题，通过影像学检查诊断病灶具体改变时，临床医师不仅要熟练掌握阅片技巧，同时也要进行平面影像学到立体结构的思维转换。
与影像学资料相比，3D打印实物模型可以直观地展现患者关节病变严重程度、解剖结构改变情况，加深临床医师对各类关节疾病临床表现与解剖学改变的认识。只要保存了建模数据就能多次制备3D打印模型，临床医师可以在实物模型上反复进行手术模拟以提高手术熟练度，缩短学习曲线。此外，患者能够通过3D打印实物模型直观了解病灶病理改变及手术具体步骤，降低临床医师对病情解释沟通的难度。
Yang等报道采用3D打印模型的患者治疗与沟通评分高于未采用3D打印模型的患者，提示3D打印模型是提升医患沟通质量的有效工具。
采用3D打印技术制备个性化导板
人工膝关节置换术中需采用特定装置测量胫骨内侧平台后倾角、股骨外翻角等参数，术前X线片、CT等影像学检查是当前临床决定术中定位截骨的主要依据，3D打印技术制作的实物模型也能作为个性化导航模板，帮助术者决定假体安放、截骨、置钉固定等步骤。
研究结果表明，膝关节翻修患者特别是早期翻修患者再手术原因多为截骨不当导致膝关节假体不稳。McClelland等将接受全膝关节置换术的患者随机分为导板辅助组与对照组，结果表明导板辅助组患者术后生物力学改变小于对照组。
通过3D打印技术可将计算机辅助技术实体化，术者可以根据患者病灶特点改变传统手术预设截骨和解剖角度设计，同时在实物模型上进行演练，提高了截骨匹配度，减少了手术时间、术中出血量，降低了感染风险，减少膝关节生物力学改变从而降低了术后并发症发生率。Shen等将20例全膝关节置换术分为应用导板的试验组以及未应用导板的对照组，结果表明使用导板进行术前准备可明显缩短手术时间，减少术中出血量及术后并发症发生，临床和功能评分明显提高，提示3D打印截骨导板辅助全膝关节置换术治疗膝关节外翻畸形患者的疗效更优。
对于全髋关节置换术，术前应初步确定髋臼侧磨锉位置、偏心距、股骨侧Dorr分型、截骨开髓位置，了解Harris窝、横韧带、股骨小粗隆等解剖标志，截骨扩髓不顺利会导致手术出血量大、手术时间延长、术后早期翻修等一系列并发症。
通过3D打印技术制作导航模板能让术者了解患者髋关节解剖结构，设计髋臼磨锉、股骨扩髓等手术步骤，确保髋臼前倾角等生物力学指标正常，减少髋关节置换翻修、假体脱位等并发症的出现。
Wang等研究表明，在肩关节置换术前3D打印导航模板的预期有用性与形态复杂程度呈正相关，即需要手术的肩关节结构越复杂，需要重建的结构越多，3D打印制作导航模板进行评估与预手术的意义越大。
采用3D打印技术制备个性化假体
严重的关节疾病如髋关节骨性关节炎、股骨头缺血性坏死、膝关节骨性关节炎等采取非手术治疗效果不佳，首选治疗方案为人工关节置换术，而手术器械、假体选择、术中截骨等因素可能导致假体应力传导不均匀，进而出现生物力学改变，同时假体凹槽设计也会影响骨重建。
假体如果无法较好地与患者骨组织匹配，假体与髓腔之间可能留有间隙，患者回归正常生活后运动量增大可能导致假体与骨组织之间的间隙增大，出现假体松动甚至导致假体脱位而被迫进行翻修。骨与假体的匹配度直接影响人工关节置换术的疗效，因此人工关节个体化的发展成为热门研究。3D打印人工假体的优势主要体现在两个方面，一是适形匹配，二是骨整合功能。
3D打印金属骨小梁与自体骨的融合已经在动物体内研究中得到证实。Sultan等在全膝关节置换术中使用3D打印制作的多孔钛假体并完成2年随访，评估并发症、疼痛评分、2年生存率等相关指标，肯定了3D打印多孔钛假体的临床应用效果。
Wan等在髋臼缺损修复术中应用3D打印钛合金小梁杯和垫，与常规钛合金小梁杯和垫相比，患者术后3、6、12个月髋关节功能Harris评分与SF-36评分明显更高，疼痛VAS评分明显更低，而且短期疗效评价中3D打印假体的稳定性和骨向内生长情况更优。
对于骨肿瘤或翻修手术导致患者的骨组织严重缺损，主要重建手段为自体骨填充、异体骨填充或置入人工假体，但骨盆、长骨中段等特殊骨组织重建则需要定制个性化假体以尽量避免骨组织生物力学的改变。Zou等报道了1例软骨肉瘤手术后假体松动，采用3D打印钛合金肩关节假体解决了肱骨近端大量骨组织缺损导致无法进行翻修手术的问题。
相比减材工艺，3D打印作为增材制作技术在制作内部孔道、内部支撑、表面多孔结构等具有复杂三维结构假体方面具有明显优势。
意大利AdlerOrtho公司于2007年推出FixaTIPORE生物型髋臼，这是第一款量产式3D打印生物臼杯。2008年意大利Lima公司上市了DeltaTT臼杯。2011年美国ExacTech推出了InteG-p臼杯。2015年中国爱康宜诚公司量产式3D打印髋臼产品获国家食品药品监督管理总局批准。2015年11月Smith&Nephew公司研发了REDAfT翻修臼杯，这类假体为3D打印制作的超多孔臼杯，在维持假体稳定、促进骨生长方面效果理想。
采用3D打印技术制备生物材料
关节软骨组织再生能力差，而且关节腔内缺少血管分布，关节软骨组织的供养主要靠滑膜分泌的滑液，因此关节软骨损伤后难以自行修复。
采用3D打印制作支架材料辅助修复关节软骨是一种新思路。软骨缺损修复支架材料包括有机材料（如天然高分子材料）以及具有一定生物相容性的无机材料（如陶瓷、磷酸三钙、羟基磷灰石、磷酸钙骨水泥等）。
天然高分子支架材料是研究的重点，主要有胶原支架材料、透明质酸钠支架材料、壳聚糖支架材料、血纤蛋白支架材料，这类材料满足可塑性、高生物相容性、可降解性与体内可吸收性，同时制作的支架需要具有一定的机械强度，与置入部位组织力学性能相匹配。
天然高分子支架材料可采用3D打印技术制作支架，可以继承多孔结构的优点，采用透明质酸钠等材料制作的支架能够帮助移植的软骨组织粘附、增殖，并产生细胞外基质、功能蛋白及多糖。如果支架符合细胞生长特点，细胞与滑膜液可以更好地接触，从而加快软骨组织修复。
总结
3D打印技术应用于关节外科需要更高精度的机器，对原材料的要求也更高。在关节假体打印领域，因原材料强度不足，长骨承重相关假体研发进展缓慢，而且当前打印器械难以达到足够的精细度以制作复杂的假体表面及内部骨孔隙结构。
在软骨修复重建方面，各类研究多处于试验研究阶段，难以进行有效的临床应用，而且无论是完全移植自体软骨、异体软骨或采用修复支架材料都不能恢复到发病前的正常状态。
相信经过临床医学、生物工程、机械设计等多学科共同努力下，3D打印技术将持续发展并逐渐成熟，同时伴随着3D打印假体应用于临床的政策不断完善，技术、伦理等相关问题将会逐步得到解决，为关节外科治疗手段不断更新助力。
