3D 打印技術(shù)在骨腫瘤外科的現(xiàn)狀與展望

富靈杰 郝永強

血清學骨腫瘤標志物、骨骼影像學技術(shù) ( CT、MRI、E-CT、SPET-CT 等 ) 的發(fā)展使得骨腫瘤的早期診斷率不斷提高，同時，新輔助化療支持下的保肢治療、免疫治療、放射治療、基因靶向治療等的綜合治療策略，以及基于增材制造的 3D 打印技術(shù)的出現(xiàn)，使骨腫瘤的個體化治療成為現(xiàn)實，顯著提高了骨腫瘤患者的生存率、肢體功能和生存質(zhì)量[1]。

3D 打印技術(shù)作為“增材制造”的代表，區(qū)別于傳統(tǒng)的“減材制造”，通過分層制造、逐層疊加原材料的方式制造特殊幾何形狀的物體，在 20 世紀 80 年代逐漸應(yīng)用于航天、汽車和醫(yī)學等領(lǐng)域[2]。傳統(tǒng)的骨科內(nèi)植物通過機械的鍛造或者鑄造獲得，易于產(chǎn)品的標準化并大規(guī)模批量生產(chǎn)，在相當長時間內(nèi)是骨科相關(guān)手術(shù)的惟一內(nèi)植物選擇。然而，骨科內(nèi)植物手術(shù)，特別是涉及骨腫瘤切除后功能重建、脊柱畸形矯正、嚴重創(chuàng)傷 /感染導致的骨缺損，這些標準化的骨科內(nèi)植物的使用就顯得捉襟見肘，而 3D 打印技術(shù)的出現(xiàn)則提供了有效的技術(shù)補充。

一、3D 打印骨骼模型

利用 3D 打印的骨骼腫瘤模型，手術(shù)者可以更加清晰地、直觀地觀察腫瘤局部的解剖結(jié)構(gòu)，腫瘤的范圍及邊界，以及與局部神經(jīng)叢、血管束的毗鄰關(guān)系，與鄰近內(nèi)臟器官的三維關(guān)聯(lián)等。其次，在 3D 打印的骨骼模型上，可以進行手術(shù)模擬以反復(fù)論證并確認最佳手術(shù)方案。Wang 等[3]報道了利用 3D 打印技術(shù)重建脊柱復(fù)雜手術(shù)的術(shù)前樹脂模型，利用該模型可以有效指導手術(shù)的進程以及內(nèi)植物的準確置入，降低實際的手術(shù)時間和出血量。3D 打印的骨腫瘤模型可以使醫(yī)生和患者更加直觀地進行術(shù)前溝通，包括具體手術(shù)方式以及術(shù)中可能遇到的困難、術(shù)后可能的并發(fā)癥等，提高了整體治療的依從性。此外，疾病的實體模型更加有利于醫(yī)學生的醫(yī)學教育，3D 模型要比 3D 圖像的教學效果更佳[4]。

二、3D 打印手術(shù)輔助導板

根據(jù)影像學資料的腫瘤邊界進行腫瘤切除，在實際的操作中有時會遇到切除范圍不夠或者切除范圍過大的情況，這與腫瘤局部的正常解剖結(jié)構(gòu)缺失、復(fù)雜解剖以及微小的腫瘤相關(guān)。利用 3D 打印的截骨導板可以更加準確地進行腫瘤邊界的切除，降低腫瘤的復(fù)發(fā)率，同時盡可能多地保留自體健康的骨組織進行假體重建[5]。Ma 等[6]報道了 8 例利用 3D 技術(shù)設(shè)計的導板輔助股骨遠端骨腫瘤的切除，結(jié)果顯示，術(shù)后 2 年隨訪時局部無腫瘤復(fù)發(fā)。Guenette[7]報道了利用 MRI 可視的 3D 打印模型冷凍消融治療 C7椎弓根骨樣骨瘤和 L1椎板骨母細胞瘤，利用該技術(shù)可以經(jīng)皮準確定位病變部位。在跟骨骨樣骨瘤的病例中 Ren 使用了 3D 打印導板完整的切除了腫瘤[8]。Helguero[9]在尸體研究中證實了 3D 打印的截骨支具，與徒手技術(shù)比較，可以更加精確地進行腫瘤骨的切除。

三、個體化 3D 打印金屬植入物

個體化或惟一性是 3D 打印內(nèi)植物和傳統(tǒng)植入物的顯著區(qū)別：通過計算機三維圖像設(shè)計個體化的內(nèi)植物長度、形狀、釘孔排布、甚至是其高度復(fù)雜的三維立體結(jié)構(gòu)，同時，在設(shè)計時可以加入醫(yī)生的“思想”，比如有效支撐、瞬時力學穩(wěn)定、骨整合達到遠期穩(wěn)定、恢復(fù)肢體原貌等諸多“奢侈”的夢想。Xu 等[10]報道了一個上頸椎 C2尤文肉瘤切除術(shù)后使用 3D 打印 C2假體重建的病例，術(shù)后隨訪顯示打印假體和局部骨組織愈合滿意，頸椎活動功能良好。Xiao 等[11]在對頸椎腫瘤進行整塊切除 ( en bloc ) 的基礎(chǔ)上，利用 3D 打印技術(shù)進行假體重建，臨床療效滿意。Wei 等[12]報道了全骶骨切除術(shù)后 3D 打印假體重建的手術(shù)技術(shù)要點。Zhang等[13]報道了 1 例計算機術(shù)中導航輔助下的累及骶骨和下腰椎的髂骨骨軟骨瘤利用 3D 打印技術(shù)進行骨骼重建的病例。Ma 等[14]報道了膝關(guān)節(jié)周圍腫瘤在微波消融術(shù)后使用 3D 打印個體化鈦板重建局部穩(wěn)定性的 12 例的研究，在平均 2 年半的時間里，患者的膝關(guān)節(jié)屈曲角度接近 114°，步態(tài)分析結(jié)果顯示患膝和正常人群類似。Garcia-Tutor 等[15]報道了 5 例骶骨腫瘤術(shù)后利用 3D 技術(shù)重建軟組織缺損模型，再利用背闊肌皮瓣修復(fù)局部缺損的研究，所有病例都完成了背闊肌皮瓣轉(zhuǎn)移修復(fù)并利用肋下動脈作為吻合血管，皮瓣均成活，愈合良好，利用 3D 技術(shù)可以準確地評估轉(zhuǎn)移皮瓣的大小和容積。Wong[16]報告了 1 例骨盆 II 區(qū)骨軟骨瘤使用 3D打印技術(shù)進行個體化假體重建的病例，術(shù)后 11 個月隨訪時行走功能良好，沒有假體松動和斷裂。Kim 等[17]1 例骶骨骨肉瘤進行骶骨部分切除術(shù)后利用 3D 打印技術(shù)個體化假體植入重建局部解剖的病例，術(shù)后 1 年隨訪時假體和局部骨組織骨整合滿意，患者行走功能滿意。Mobbs[18]報告了 1 例用 3D 打印假體重建 C1/2脊索瘤切除術(shù)后骨缺損和 1 例先天性脊柱畸形的前路椎間融合器的臨床療效，術(shù)后 1 年隨訪時假體的骨整合滿意。Choy[19]報道了 1 例青少年 T9原發(fā)性骨腫瘤利用 3D 打印椎體的成功病例，Liang 和 Lin 等[20-21]也都報告了3D 打印技術(shù)在骨盆和骶骨腫瘤的應(yīng)用技術(shù)。

四、3D 生物打印

將培養(yǎng)的細胞、作為基質(zhì)的生物材料、各種生長因子按照人體的自然結(jié)構(gòu)或比例打印出來，體外培養(yǎng)后形成新的人體組織或者器官是 3D 生物打印的最終目標。目前 3D 生物打印研究主要集中在試驗藥物篩選、腫瘤模型、多孔支架等方面[22]。天然生物材料包括纖維素、明膠、藻酸鹽、殼聚糖以及人工合成的聚合物，要滿足生物 3D 打印機的材料交聯(lián)性、力學和溫度適應(yīng)、生物相容性和降解性等。Wang 等[23]研究了脂肪來源的干細胞復(fù)合 3D 打印的水凝膠支架在體外和體內(nèi)的成骨性能，結(jié)果顯示體外培養(yǎng) 2 周后檢測到成骨相關(guān)的基因 RUNX2、OCN 表達，體內(nèi)試驗 8 周可觀察到類骨質(zhì)形成。

3D 打印技術(shù)安全性的短期隨訪研究中，已初步顯示出良好的臨床療效，亟需制訂出臺相關(guān)標準、規(guī)范、準入制度等，以有利于其臨床轉(zhuǎn)化、推廣。3D 生物打印技術(shù)從理論上可以再生組織甚至是器官，盡管目前在皮膚、血管、肝臟等方面有所突破，但是構(gòu)建一個具有移植條件及生物功能的打印器官，是一個長期努力的方向。

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