3D打印技術(shù)在脊柱外科中的應(yīng)用進(jìn)展

李 超，牛國旗，劉路坦，周乾坤

(1.蚌埠醫(yī)學(xué)院第二附屬醫(yī)院骨科，安徽 蚌埠 233000；2.數(shù)字醫(yī)學(xué)與智慧健康安徽省重點(diǎn)實驗室，安徽 蚌埠 233000)

3D打印技術(shù)是當(dāng)今的一種新興技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用在日常生活、工業(yè)制造，在醫(yī)療領(lǐng)域方面主要應(yīng)用于如頜面外科、神經(jīng)外科、骨傷科、脊柱外科等的臨床操作及教學(xué)演練中。脊柱的解剖復(fù)雜，手術(shù)操作難度大，容易產(chǎn)生嚴(yán)重的術(shù)后并發(fā)癥，且其治療需要個體化和精準(zhǔn)化。而3D打印技術(shù)的特點(diǎn)就是個體化和精準(zhǔn)化，在臨床教學(xué)、術(shù)前規(guī)劃和培訓(xùn)以及術(shù)中3D打印導(dǎo)板和內(nèi)植入物的應(yīng)用，使得脊柱外科手術(shù)效率大大提高，現(xiàn)對3D打印技術(shù)及其在脊柱外科中的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行論述。

1 3D打印簡介

1.13D打印概念及分類：3D打印(或增材制造)是指一種不依賴模具，而使用計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)文件來逐層添加地制造物理對象的技術(shù)[1]。3D打印技術(shù)起源于20世紀(jì)80年代，美國科學(xué)家Charles Hull于1984年發(fā)明了立體光刻技術(shù)用來3D打印模型[2]，1988年美國的3D Systems公司生產(chǎn)出了第一臺3D打印設(shè)備，又被稱之為“立體光刻設(shè)備”，開創(chuàng)了3D打印技術(shù)發(fā)展的新紀(jì)元[3]。 2012年4月，英國著名雜志《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》發(fā)表專題報告指出，全球工業(yè)革命正在經(jīng)歷第三次工業(yè)革命，與以往不同，本次革命將對制造業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生巨大的影響，其中一項具有代表性的技術(shù)就是3D打印(3D printing)技術(shù)[4]。 3D打印技術(shù)的發(fā)生、發(fā)展很大程度上降低了人們的工作成本，節(jié)省了勞動時間，并使勞動產(chǎn)品更加個性化、規(guī)?；?。

根據(jù)美國材料與實驗協(xié)會(ASTM)2009年成立的3D打印技術(shù)委員會(F42委員會)公布的定義，3D打印是指一種與傳統(tǒng)的材料去除加工方法相反的、基于三維數(shù)字模型的、通常采用逐層制造方式將材料結(jié)合起來的工藝[5]。3D打印技術(shù)的內(nèi)容涵蓋了產(chǎn)品生命周期前端的“快速原型”(Rapid Prototyping)到全生產(chǎn)周期的“快速制造”(Rapid Manufacturing)以及其他所有相關(guān)的打印工藝、技術(shù)、設(shè)備類別和應(yīng)用[6]。

對于3D打印技術(shù)來說，目前應(yīng)用較多的材料加層方法有三種[7]：①Fused Deposition Modeling(FDM):又稱熔融沉積打印技術(shù)，通過用計算機(jī)控制使噴嘴擠出軟化聚合物，并沉積出設(shè)定的模型，這種打印技術(shù)是最為經(jīng)濟(jì)的。②Selective Laser Sintering(SLS):又稱選擇性激光燒結(jié)技術(shù)，指其通過聚焦的能量源(如電子束或激光)作用在包括尼龍、鈦和不銹鋼的各種材料組成的精細(xì)粉末機(jī)床上，繪制成2D切片的形狀，每一層的幾何形狀都由此方法打造，然后對這些區(qū)域進(jìn)行同時融化和融合，最終形成完整模型。③Stereo Lithography Appearance(SLA):又稱立體光固化成型技術(shù)，其使用一種液態(tài)光敏樹脂，光能源能在該樹脂上工作，液體表面的選定區(qū)域被光照時固化，液體容器底部逐漸下降以增加材料的深度。隨著模型的生成，連續(xù)的樹脂層被固化在彼此的頂部，并形成最終形式的模型。

FDM 3D打印機(jī)具有快速、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)，而SLA和SLS具有更高的打印精準(zhǔn)度[8]。除了更加精準(zhǔn)外，它們使用的材料往往能承受住手術(shù)前常用消毒程序，而FDM打印機(jī)通常使用的材料熔點(diǎn)都較低，不能達(dá)到術(shù)前消毒的標(biāo)準(zhǔn)，較多的用于打印術(shù)前規(guī)劃的模型，但是同時SAL和SLS往往需要大量的培訓(xùn)時間以及更多的技術(shù)知識。這幾種打印技術(shù)打印出的模型往往都會需要后期的處理，以便于臨床工作中更精準(zhǔn)的應(yīng)用。

1.23D打印的步驟：盡管3D打印有各種不同的方法，但其打印模型的步驟是基本相同的。簡單來說就是將物體微分成極薄的多層，通過分層完成，最后疊加達(dá)到要求的效果，3D打印的步驟如圖1所示[9]。

圖13D打印的步驟

1

3

[10]

[11-18]

2 3D打印技術(shù)在脊柱外科的應(yīng)用

近年來，3D打印技術(shù)作為成為一項新興技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于骨傷科、頜面外科、顱腦外科以及脊柱外科等各個醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[19]。因為脊柱解剖及手術(shù)術(shù)式的特殊性，當(dāng)今脊柱外科手術(shù)越來越趨于個體化及精準(zhǔn)化。3D打印技術(shù)特點(diǎn)是打印實物的個體化及精準(zhǔn)化，所以其在實現(xiàn)脊柱外科治療個體化及精準(zhǔn)化的過程中發(fā)揮著重要的作用[20]。目前，3D打印技術(shù)在脊柱外科的應(yīng)用中雖然處于起步階段，但在脊柱外科手術(shù)的教學(xué)和培訓(xùn)、個體化導(dǎo)航模板以及個體化內(nèi)植入物等方面于一定程度上得到廣泛應(yīng)用。

2.13D打印在脊柱外科手術(shù)的教學(xué)和培訓(xùn)的應(yīng)用：脊柱外科是骨外科的一個重要學(xué)科分支，其解剖結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。脊柱疾病大多數(shù)都會累及周圍的血管神經(jīng)及軟組織結(jié)構(gòu)，而且多種脊柱疾病及損傷都需要手術(shù)治療。在進(jìn)行脊柱手術(shù)時，需要更高的技術(shù)要求，因為一旦手術(shù)中出現(xiàn)失誤，輕則導(dǎo)致患者出現(xiàn)感覺功能障礙，重則出現(xiàn)癱瘓甚至危及生命。脊柱外科手術(shù)的教學(xué)和訓(xùn)練一直是骨科教學(xué)的難點(diǎn)[21]，而把3D打印技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)中，可以很大程度上解決這個問題。

周華等將3D打印技術(shù)應(yīng)用在脊柱側(cè)凸教學(xué)研究中，結(jié)果顯示實驗組在判斷脊柱側(cè)凸的頂椎及擬手術(shù)固定融合節(jié)段的準(zhǔn)確率方面要高于對照組(P<0.05)；兩組教學(xué)效果的調(diào)查問卷評估，實驗組在學(xué)習(xí)興趣(P<0.01)、學(xué)習(xí)效率(P<0.01)與教師的互動(P<0.01)及團(tuán)隊合作能力(P<0.05)方面評分顯著優(yōu)于對照組[22]。趙波等將3D打印技術(shù)應(yīng)用于脊柱外科手術(shù)教學(xué)和訓(xùn)練中，與傳統(tǒng)培訓(xùn)方法相比，3D打印在脊柱手術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用使接受培訓(xùn)的青年醫(yī)師能夠獨(dú)立自主地進(jìn)行椎弓根螺釘?shù)闹萌?，且不出現(xiàn)較大的失誤，且在時間上顯著優(yōu)于傳統(tǒng)方法，使得青年醫(yī)師牢記手術(shù)步驟和技巧，并且增加實際手術(shù)中的自信心[21]。李曙明等將3D打印及計算機(jī)輔助技術(shù)應(yīng)用在復(fù)雜脊柱畸形治療的研究中，通過先觀察影像學(xué)資料并對資料進(jìn)行討論，再用3D打印的實體進(jìn)行對比與反思，與傳統(tǒng)方法相比，不僅能夠極大地提高學(xué)生的閱片以及對該類疾病的臨床診斷能力，而且有助于提高教學(xué)效率和效果[23]。孫偉等將3D打印模型在骨科住院醫(yī)師規(guī)范化培訓(xùn)中的應(yīng)用研究中，與傳統(tǒng)教學(xué)法組相比，應(yīng)用3D打印模型輔助臨床教學(xué)的新教學(xué)法組的專業(yè)理論筆試成績顯著優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)組(P<0.05)；新教學(xué)法組學(xué)生在有助于掌握、提高興趣、調(diào)動積極性和教學(xué)滿意度4個方面的教學(xué)效果評分均顯著優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)組(P<0.05)[24]。脊柱外科的手術(shù)及臨床知識教學(xué)一直是難點(diǎn)和重點(diǎn)，由于其復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的教學(xué)方法使學(xué)生們感到抽象、難以理解，而3D打印技術(shù)的應(yīng)用可以很大程度上提高術(shù)前培訓(xùn)及臨床教學(xué)中的效率。

2.23D打印在個體化導(dǎo)板中的實驗研究與臨床應(yīng)用：由于3D打印的個體化及精準(zhǔn)化特點(diǎn)，3D打印技術(shù)制作患者個體化導(dǎo)板以輔助椎弓根置釘已在脊柱外科手術(shù)得到廣泛的研究與應(yīng)用。

Hu等對32具頸椎標(biāo)本進(jìn)行導(dǎo)板輔助下椎弓根置釘及在C1～C2置入 Magerl釘，術(shù)后CT發(fā)現(xiàn)實際進(jìn)釘點(diǎn)與理想進(jìn)釘點(diǎn)差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)[25-26]。嚴(yán)斌等的研究中，對37例正常人體腰椎(L1～5)的三維模型進(jìn)行導(dǎo)航模塊下椎弓根置釘，植入的228枚螺釘位置良好，無一例螺釘穿破椎弓根皮質(zhì)，結(jié)果提示基于數(shù)字化的3D打印導(dǎo)航模塊，可以實現(xiàn)個體化的微創(chuàng)下腰椎椎弓根螺釘精確置入[27]。張昊等研究發(fā)現(xiàn)3D打印導(dǎo)板輔助頸椎椎弓根螺釘?shù)闹踩?，使螺釘?shù)拈L度和寬度均可達(dá)到良好的可控性，并且提高了頸椎椎弓根螺釘植入的安全性和準(zhǔn)確性[28]。毛克政等在8具尸體上使用3D打印個體化導(dǎo)板對C3～6頸椎標(biāo)本共置入64枚椎弓根螺釘，其中62枚完全在椎弓根內(nèi)，置釘準(zhǔn)確率達(dá) 97%，輔助置釘降低了操作難度，提高了置釘準(zhǔn)確率[29]。

楊泗華等將23名強(qiáng)制性脊柱炎合并胸腰椎骨折患者分為A組(3D打印組)和B組(非3D打印組)，進(jìn)行經(jīng)后路椎弓根釘棒內(nèi)固定術(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)可顯著提升手術(shù)的精度與療效[30]。陳嘉華等在應(yīng)用3D打印技術(shù)輔助椎弓根螺釘置入治療腰椎滑脫癥時，結(jié)果顯示其手術(shù)時間及出血量少于傳統(tǒng)手術(shù)方法，并且更有利于滑脫椎體復(fù)位、椎管及神經(jīng)根充分減壓，減少了置釘帶來的神經(jīng)并發(fā)癥[31]。牛國旗等在個體化3D打印導(dǎo)向模板輔助上頸椎椎弓根螺釘置入的實驗研究中，將徒手置入寰樞椎椎弓根螺釘定為對照組，應(yīng)用導(dǎo)板輔助置入為實驗組，結(jié)果顯示實驗組與對照組螺釘置入成功率分別為94.60%(35/37)和70.27%(25/37)(Z=-5.790，P<0.05)，實驗組置入單枚螺釘用時和X光機(jī)透視次數(shù)均明顯少于對照組(t=-14.078、-23.586，P<0.01)[32]。3D打印個體化上頸椎椎弓根螺釘導(dǎo)板體現(xiàn)了個體化置釘原則，置釘成功率高、安全、有效、可行，有臨床推廣價值。郝申申等[33]在3D打印個性化導(dǎo)板輔助在后路下頸椎椎弓根螺釘置入的應(yīng)用價值的研究中，對20例需行后路下頸椎椎弓根螺釘內(nèi)固定的患者，設(shè)計制造帶釘?shù)赖?D打印個性化導(dǎo)航模板輔助置釘，共置釘132枚，結(jié)果提示其準(zhǔn)確率較高，且修復(fù)效果較為滿意。Sugawara等用3種不同的導(dǎo)板對10例胸椎或者聯(lián)合有頸胸椎疾病的患者在導(dǎo)板輔助下進(jìn)行椎弓根置釘，結(jié)果顯示可顯著提高置釘?shù)木珳?zhǔn)性，而且可以減少手術(shù)及輻射暴露時間[34]。王威等對腰椎骨折患者應(yīng)用導(dǎo)航模板進(jìn)行椎弓根置釘，經(jīng)過CT檢查置入螺釘位置好，都處于腰椎椎弓根內(nèi)部，無螺釘穿破椎弓根皮質(zhì)現(xiàn)象[35]。結(jié)果提示其方法精準(zhǔn)度高，能實現(xiàn)微創(chuàng)個體化椎弓根螺釘置入，方法簡單，具有十分重要的意義。郝申申等在導(dǎo)航模板在脊柱側(cè)凸矯形術(shù)中應(yīng)用的研究[36]中，按照Lu等制定的測量方法[37]評估螺釘置入準(zhǔn)確度，其中Ⅰ級螺釘136枚(80.95%)，Ⅱ級螺釘25枚(14.88%)，Ⅲ級螺釘7枚(4.17%)，置入準(zhǔn)確率為95.83%；術(shù)中均無置釘相關(guān)的神經(jīng)、血管損傷等并發(fā)癥，脊柱主彎Cobb角術(shù)前術(shù)后分別為(55.8±20.4)、(20.6±13.9)度，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。

綜上所述，3D打印技術(shù)在個體化導(dǎo)板的研究與應(yīng)用中，不只是局限于頸椎、胸椎及腰椎的置釘手術(shù)中，其在脊柱側(cè)彎矯形、腰椎滑脫等較為復(fù)雜的脊柱疾病中的應(yīng)用也較為廣泛，且其所處起的作用之大是不可忽略的。

2.33D打印在個體化內(nèi)植入物的應(yīng)用：在臨床工作中經(jīng)常遇到脊柱先天發(fā)育畸形、個體差異或者解剖變異、復(fù)雜骨折、腫瘤患者，廠家提供的內(nèi)固定器械形態(tài)不能與患者個體解剖形態(tài)良好匹配，內(nèi)植物與集體骨骼表面貼合度差，不能有效分散應(yīng)力效應(yīng)，甚至?xí)鸸潭ú课粦?yīng)力集中，影響固定的安全有效性和術(shù)后愈合效果[38]。目前在脊柱手術(shù)中應(yīng)用3D打印植入物，對這些特殊、復(fù)雜的脊柱病理情況具有一定的參考價值。錢文彬等對豬的T12、L1椎體進(jìn)行后路全椎體切除術(shù)，置入3D打印假體后于T11、L2進(jìn)行雙側(cè)椎弓根螺釘固定，結(jié)果顯示假體位置、椎間高度、脊柱序列完好[39]。楊澤雨等在對應(yīng)用3D打印人工椎體在豬脊柱置換前后的生物力學(xué)比較的研究中，置換后組運(yùn)動節(jié)段在前屈、后伸、左右側(cè)屈各向量的位移角度變化明顯小于置換前組(P<0.05)，結(jié)果顯示3D打印人工椎體的設(shè)計具有合理性和創(chuàng)新性，可獲得良好的生物力學(xué)穩(wěn)定性[40]。3D打印的內(nèi)置性假體不單單只是局限于動物實驗中，蘇暄等2014年在全球首次應(yīng)用3D打印人工定制樞椎作為脊柱外科內(nèi)植物治療寰樞椎惡性腫瘤[41]，為腫瘤切除后頸椎結(jié)構(gòu)重建辟出了一條新途徑，具有開創(chuàng)性意義。Phan等對1名65歲女性采取治療時將3D打印的個性化固定材料應(yīng)用于后路L1～2的融合手術(shù)中，手術(shù)效果比較滿意，患者頸椎癥狀明顯緩解[42]。目前，3D打印在脊柱手術(shù)內(nèi)植物的應(yīng)用中還處于初級階段，內(nèi)植物的置入后對機(jī)體契合度、生物力學(xué)、功能恢復(fù)以及后期生活中的功能維持時間都是應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)研究的方面。

3 討論

目前，3D打印技術(shù)在脊柱外科乃至整個醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用都擁有了不可忽略的地位。由于其個體化及精準(zhǔn)化的特點(diǎn)，能很好地解決由于脊柱的解剖問題而引起的其手術(shù)復(fù)雜性的問題，而且對脊柱外科的教學(xué)及術(shù)前的培訓(xùn)都有著很大的幫助，這就使其在脊柱外科中的應(yīng)用涉及到各個方面。但其同樣存在一定的局限性：①由于打印設(shè)備和材料的價格昂貴，使得應(yīng)用3D打印模型成本較高。②不能打印出軟組織附著，如肌肉、血管和神經(jīng)的走形和分布等；③在脊柱外科手術(shù)及個體化內(nèi)植物的應(yīng)用中，除了經(jīng)費(fèi)問題外，還有耗時及材料問題，根據(jù)患者術(shù)前影像學(xué)資料應(yīng)用3D打印制作個體化內(nèi)植物需要一定的耗時，這就對緊急手術(shù)的患者不能及時的應(yīng)用，而且其材料的選擇目前還處在研究階段，選擇更加契合人體組織的材料會使得內(nèi)植物手術(shù)更加成功；除此之外，未來的3D打印不得不面臨倫理問題，如果3D打印在以后的發(fā)展中制作出更契合人體的生物模型及內(nèi)植物，這就使3D打印技術(shù)跟克隆技術(shù)面臨的問題不謀而合了?？傊?D打印技術(shù)在脊柱外科的應(yīng)用還有很大的發(fā)展空間，其前景值得期待。