一是通过精准复制可实现与原有骨骼的形状与力学性能保持一致;
二是采用具有相容性的生物材料，可促使人工骨进行代谢与生长，逐渐转化为原有器官的一部分。
在骨关节外科中，一般都需要植入人工假体来恢复相应破损部位的功能，传统方法定制的假体由于其精确度较差，就会导致与原部位拟合出现偏差的情况，这样实际上不利于手术的过程与日后恢复效果。3D打印技术可实现为患者量身定制与原部位完全吻合的假体，从而提高植入物的成功率，让手术更加精准。
2011年，荷兰医生给一名83岁的老妪安装了一块用3D打印技术制造的金属下颌骨，这是全球首例此类型的手术。比利时·哈瑟尔特大学生物医学研究院研究人员开发制造了金属下颌骨，材料为钛金属粉末，重107克。荷兰老妪下颌骨用3D打印金属代替标志着3D打印移植物开始进入临床应用。
2015年，德国完成首次3D打印钛脊柱融合植入手术。传统方法使用的骨移植和金属硬件往往会出现植入物迁移与破损的并发症，而这种并发症往往需要通过另一个手术来修复，从而加大了病人面临的风险。3D打印制造出了骨小梁结构的精确复制品，具有纳米结构的特点，可促进病人骨头的愈合和融合，并可实现与现有骨骼的内生长，从而可以防止出现再次进行骨移植治疗。
髋关节的发病率仅次于脊椎结核，在我国也是比较常见一种骨关节疾病。人体的骨盆和大腿经由髋关节连接，许多中年人就因髋关节的软骨表面磨损或撕裂而行动不便，其治疗方法便是替换人工髋关节。值得指出的是，2015年8月由北京爱康医疗研发的基于EBM技术(电子束熔融)的3D ACT人工髋关节系统获得CFDA上市许可，成为全球第一个经过临床验证获准上市的骨科内植入物产品，也是全国首个获得CFDA上市许可的3D打印骨科内植入物产品。
3D打印的微孔结构与人体的松质骨骨小梁结构相似，可以加大髋臼杯的摩擦力，获得术后即刻稳定性;同时有利于患者的骨头能快速长入金属髋臼杯之中，减少假体松动的发生，还可以为存在髋臼侧严重骨缺损的患者提供更符合个体需要的重建髋臼杯，以解决临床的复杂翻修问题。
2017年，为波音提供CST-100太空船3D打印零部件的Oxford Performance Materials公司(OPM)在医疗领域取得新进展--他们早在2011年就提出申请的一款3D打印头骨植入物得到了欧洲专利办公室的许可通知书。这款专利产品使用聚醚酮酮(PEKK)材料，由SLS(选择性激光烧结)技术3D打印而成。
PEEK材料学名聚醚醚酮，是一种热塑性聚合物，已被用于3D打印卫星、3D打印汽车零件，并可能在很多其他领域中有潜在的应用。在全球的医疗案例里，已经出现了多个3D打印PEEK材料用于人体植入物的实际案例。2017年7月，上海交通大学医学院附属上海儿童医学中心成功实施了一项利用PEEK材料修补患儿缺损胸骨的手术。在中国3D打印文化博物馆，就收藏了利用PEEK材料制成的人体植入物。
3D打印在骨科中的主要应用示意图：
