3D打印技術(shù)在脊柱外科中的應(yīng)用進(jìn)展

程嘉偉 牛國旗 李 超 劉路坦 周乾坤

1 3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)，又稱快速成型技術(shù)或添加制造技術(shù)，源自 20 世紀(jì) 80 年代，3D打印技術(shù)基于3D數(shù)字模型，使用離散材料逐層打印來構(gòu)造物體，且已在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用。美國科學(xué)家查爾斯·赫爾在1984年發(fā)明了立體平版印刷技術(shù)打印3D模型，并于1986年創(chuàng)立了一家致力于3D打印技術(shù)的公司，開啟了3D打印的新紀(jì)元。3D 打印技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在降低制造成本，節(jié)省勞動時間上有著獨特的技術(shù)優(yōu)勢，引發(fā)了全世界的研究熱潮。

1.1 3D打印原理 使用MRI或CT薄層掃描獲取圖像，然后通過計算機(jī)建模軟件建成3D模型。使用軟件將三維模型切片制作成計算機(jī)輔助設(shè)計文件，將數(shù)據(jù)傳送到3D打印機(jī)，使用各種打印材料逐層附加地制造對象。3D打印材料，如陶瓷、樹脂、金屬、塑料、聚氨酯甚至活細(xì)胞都可以用來制作3D模型。

1.2 技術(shù)類型 目前有多種3D打印技術(shù)，主要以熔融沉積制造技術(shù)，光固化成型技術(shù)及選擇性激光燒結(jié)技術(shù)為主。

熔融沉積制造技術(shù)是將熱塑性材料通過噴頭加熱至熔融態(tài)，材料經(jīng)噴頭擠出并迅速固化，一層一層打印和疊加，直至完成整個實體制造。光固化立體成型技術(shù)以液態(tài)光敏樹脂為原料，通過控制激光照射液態(tài)光敏樹脂使之逐層固化，最終得到完整的產(chǎn)品。選擇性激光燒結(jié)技術(shù)以熱塑性聚合物粉末為材料，通過二氧化碳激光對規(guī)劃區(qū)域進(jìn)行熔化和融合，不斷重復(fù)鋪粉燒結(jié)過程使粉末熔融堆積成三維模型。熔融沉積打印技術(shù)優(yōu)點在于使用維護(hù)簡單，材料利用率高，是所有打印技術(shù)中最為經(jīng)濟(jì)的一種技術(shù)，光固化立體成型技術(shù)和選擇性激光燒結(jié)技術(shù)具有打印精準(zhǔn)度高的優(yōu)點。除了更精準(zhǔn)之外，光固化立體成型技術(shù)打印實物表面質(zhì)量好，成型速度快，但是打印設(shè)備造價昂貴，原材料成本高，且成型產(chǎn)品強(qiáng)度較差，光敏樹脂材料有污染，因此該技術(shù)主要面向微機(jī)械結(jié)構(gòu)的制作，打印小型模具和模型。選擇性激光燒結(jié)技術(shù)打印材料廣泛，制作工藝簡單，材料可循環(huán)利用，缺點是打印產(chǎn)品表面粗糙，打印過程揮發(fā)異味等。通過這些技術(shù)打印的模型通常需要后處理，以便更準(zhǔn)確、安全地應(yīng)用于臨床。

2 3D打印技術(shù)在脊柱外科中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)作為新興技術(shù)在脊柱手術(shù)中有著重要用途，因為脊柱解剖結(jié)構(gòu)的特殊性，且周圍毗鄰脊髓、血管、神經(jīng)等重要組織，手術(shù)風(fēng)險大、失敗率高，因此脊柱外科手術(shù)越來越強(qiáng)調(diào)操作的精準(zhǔn)化和個體化。3D打印技術(shù)特點是可以精確的實體復(fù)制，在概念化復(fù)雜的病變上提供視覺和觸覺的幫助，讓臨床外科醫(yī)師預(yù)見術(shù)中的困難，選擇最佳的手術(shù)入路，所以在脊柱外科治療中有著重要的作用。

2.1 脊柱矯形器 傳統(tǒng)矯形器的制作依靠臨床醫(yī)師的經(jīng)驗和熟練度，同時還要付出大量的體力，包括熱塑性塑料的鑄造、雕刻和塑模，然后將其固定到身體上。缺點是等待時間長，需要多次調(diào)整，增加了患者的經(jīng)濟(jì)成本。此外，不能保證矯形器貼合患者身體，需要定期調(diào)整，必要時應(yīng)重新制作。通過結(jié)合3D打印技術(shù)和生物力學(xué)分析技術(shù)，定制個體化脊柱支具有助于克服傳統(tǒng)矯形器的局限性，同時改善機(jī)械和美學(xué)特性。

3D打印個體化支具具有以下5個方面的的優(yōu)勢。第一，患者可以按照治療目的和個人的喜好選擇不同的3D打印材料。第二，可快速制作，縮短患者等待時間，減輕疼痛，提高患者依從性，并減少病情進(jìn)一步惡化。第三，根據(jù)人體工程學(xué)特點，制作合體、方便、舒適的支具。第四，通過軟件分析設(shè)計的個體化支具更符合生物力學(xué)，提高了治療效果。第五，患者參與設(shè)計過程提出反饋意見，從而提高了患者的舒適性和依從性。馮珍等發(fā)現(xiàn)個體化截癱支具提高了患者的行走能力和活動能力，通過使用舒適適宜的個體化支具加快了病人的康復(fù)。張愛平等從環(huán)境、材料、結(jié)構(gòu)、運動等方面評估患者穿戴3D打印個體化脊柱側(cè)彎矯形器的舒適性，結(jié)果表明使用3D打印個體化脊柱側(cè)彎矯形器的患者總體滿意度達(dá)到良好。

2.2 實物脊柱模型 通過3D打印技術(shù)制作脊柱實體模型，作為臨床教學(xué)、輔助診斷、手術(shù)入路規(guī)劃以及外科手術(shù)更精確操作的參考，有力保證了手術(shù)的準(zhǔn)確性和安全性。

脊柱三維實體模型可用于解剖學(xué)教育，醫(yī)學(xué)生課程中使用的脊柱解剖標(biāo)本大多為解剖結(jié)構(gòu)正常的脊柱，很少有復(fù)雜的脊柱病變的標(biāo)本供學(xué)生去學(xué)習(xí)和討論。3D打印技術(shù)可以直觀的將脊柱病變處三維結(jié)構(gòu)展現(xiàn)，幫助學(xué)生更好的理解病變脊柱結(jié)構(gòu)的解剖，提高醫(yī)學(xué)生對脊柱疾病的認(rèn)知。李曙明等發(fā)現(xiàn)在復(fù)雜脊柱畸形教學(xué)中，通過3D打印實體模型與影像學(xué)資料對比與反思后，極大地提高了學(xué)生對疾病的閱片和診斷能力，而且在教學(xué)效率和效果上顯著優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)。Wu等將90名醫(yī)學(xué)生分為兩組，一組用3D打印模型輔助教學(xué)，另一組用傳統(tǒng)影像教學(xué)，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)影像組的測試得分顯著低于3D打印模型組(

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<0.05)。

此外，在目前醫(yī)患矛盾日益加劇的情況下，如何讓沒有醫(yī)學(xué)知識背景的患者及家屬更直觀了解手術(shù)方式和手術(shù)風(fēng)險成為臨床的一大難題。通過3D打印模型給患者的視覺帶來直觀感受，使患者對自身病情的復(fù)雜性和嚴(yán)重性有著更好的理解，有利于患者的術(shù)前溝通。林鋼等在術(shù)前采用3D打印模型模擬手術(shù)，并且使用3D打印模型與患者及其家屬交流，提高了患者對手術(shù)的理解。國內(nèi)研究表明，使用3D打印模型有利于和患者之間的溝通，可顯著減少與焦慮相關(guān)的疼痛。

3D打印模型被廣泛應(yīng)用于復(fù)雜脊柱病變的管理和手術(shù)計劃中。目前常用的影像學(xué)檢查，如X線片和CT掃描，不能提供復(fù)雜脊柱病變?nèi)娴慕馄市畔ⅲ?D打印模型為臨床提供可視化信息和觸覺反饋，在術(shù)前可以通過模擬手術(shù)提高臨床醫(yī)師對手術(shù)的信心，術(shù)中可以對照脊柱模型準(zhǔn)確的找到對應(yīng)的解剖結(jié)構(gòu)，減少手術(shù)時間和失血量。研究表明，根據(jù)患者的CT數(shù)據(jù)打印個體化脊椎模型進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃，通過模擬手術(shù)顯著提高了手術(shù)的成功率(

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<0.05)。Wang等采用3D打印模型對脊柱側(cè)凸、寰樞椎脫位、寰樞椎腫瘤患者制定手術(shù)方案，發(fā)現(xiàn)可以減少術(shù)中出血量，縮短手術(shù)時間(

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<0.05)。常麗鵬等對52例重度骨質(zhì)疏松性椎體壓縮骨折患者行經(jīng)皮穿刺椎體成形術(shù)，并將患者分為觀察組與對照組，發(fā)現(xiàn)使用3D打印模型術(shù)前進(jìn)行預(yù)操作的觀察組相比于對照組穿刺定位所需時間少、術(shù)中透視次數(shù)低，兩組間差異有統(tǒng)計學(xué)意義(

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<0.05)。

3D打印脊柱實體模型可以直觀顯示脊柱的三維形狀，通過將三維模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入醫(yī)學(xué)圖像處理加工軟件，可以迅速準(zhǔn)確的找到椎弓根螺釘?shù)淖罴堰M(jìn)釘點及進(jìn)釘?shù)慕嵌群蜕疃?。另外，也可以通過模擬脊柱矯形患者生理彎曲的節(jié)段和范圍來確定截骨的位置和角度，提高手術(shù)的準(zhǔn)確性，縮短手術(shù)時間，使整體手術(shù)效果得到提升。

2.3 置釘導(dǎo)向模板 眾所周知，脊柱外科大部分的手術(shù)需要置入椎弓根螺釘，在脊柱內(nèi)固定手術(shù)過程中3D打印置釘導(dǎo)板使椎弓根螺釘放置更加簡便和精準(zhǔn)。然而椎弓根畸形可引起椎弓根直徑變化，這加大了徒手置釘?shù)碾y度和風(fēng)險，螺釘置入位置、角度偏移時可能損傷神經(jīng)和血管。運用3D打印技術(shù)，通過術(shù)前CT掃描和計算機(jī)輔助預(yù)設(shè)釘?shù)?，打印出個體化、準(zhǔn)確的置釘導(dǎo)航模板，在手術(shù)中能夠精確的放置椎弓根螺釘，且操作簡單。

椎弓根螺釘置入的準(zhǔn)確性主要根據(jù)Kawaguchi提出的方法來判斷：當(dāng)螺釘完全位于椎弓根內(nèi)時為0級(優(yōu))，突破椎弓根皮質(zhì)未超過2 mm，無并發(fā)癥為1級(良)，突破椎弓根皮質(zhì)2 mm以上，未出現(xiàn)并發(fā)癥為2級(中等)，出現(xiàn)椎動脈、神經(jīng)根損傷等并發(fā)癥為3級(差)。Hu等借助3D打印置釘導(dǎo)板，對32具頸椎標(biāo)本置入寰樞椎Magerl螺釘，發(fā)現(xiàn)實際螺釘置入點與理想螺釘置入點之間無統(tǒng)計學(xué)差異(

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>0.05)。Kawaguchi等利用3D打印個體化導(dǎo)板輔助植入44枚C2～C7椎弓根螺釘治療11例頸椎疾病患者，術(shù)后CT顯示植入螺釘優(yōu)良率為100%，其中優(yōu)為95.45%，良為4.55%。Pu等將49例寰樞椎骨折脫位患者分為個體化3D打印導(dǎo)板組和傳統(tǒng)徒手置釘組，比較兩組的螺釘放置的準(zhǔn)確性和安全性，術(shù)后CT顯示個體化3D打印導(dǎo)板組置釘位置的正確率(98%)高于傳統(tǒng)組(75%)，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(

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<0.05)。Sugawa等使用單側(cè)模板輔助置入胸椎椎弓根螺釘58枚，手術(shù)效果良好，沒有螺釘突破骨皮質(zhì)，而且椎弓根螺釘位置與術(shù)前設(shè)計的釘?shù)老啾绕钶^小。綜上所述，3D打印置釘導(dǎo)板輔助椎弓根螺釘置入因其具有準(zhǔn)確性高、應(yīng)用效果良好等特點，具有重要的實用價值。

隨著3D打印導(dǎo)航模板的廣泛應(yīng)用，針對模板的設(shè)計也在不斷優(yōu)化。Kaneyama等采用單側(cè)導(dǎo)板附加棘突固定的方法，為20例患者置入80枚頸椎椎弓根螺釘，所有螺釘均準(zhǔn)確置入。這種設(shè)計的導(dǎo)板在減少接觸面積的同時保證了操作穩(wěn)定性，提高術(shù)中匹配的便利性。Azimifar等以關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)作為導(dǎo)航模板的接觸點，應(yīng)用導(dǎo)板對12例脊柱側(cè)彎患者置入110枚椎弓根螺釘，手術(shù)置釘準(zhǔn)確率可達(dá)94%。這樣做的優(yōu)點是避免了在術(shù)中對棘突和橫突的廣泛暴露，減少局部軟組織損傷，有助于減輕術(shù)后疼痛。

3D打印導(dǎo)航模板置釘?shù)膬?yōu)點：①個體化設(shè)計，提高置釘?shù)陌踩院蜏?zhǔn)確率，降低了血管、神經(jīng)損傷的風(fēng)險，減少術(shù)后并發(fā)癥；②使用簡單，幫助年輕醫(yī)生學(xué)習(xí)置釘方法，適合手術(shù)經(jīng)驗不足的年輕醫(yī)師；③降低患者及醫(yī)生在手術(shù)過程中X線的暴露次數(shù)，同時縮短的手術(shù)時間；④降低了手術(shù)成本，無需其他設(shè)備輔助。

2.4 3D打印個體化內(nèi)植物 近年來，用于脊柱手術(shù)的3D打印多孔金屬內(nèi)植物主要包括人工椎體和椎間融合器。利用3D打印技術(shù)制造脊柱外科個體化定制內(nèi)植物，與3D打印模型、椎弓根螺釘定位模板、截骨輔助模板等臨時工具不同，3D打印脊柱內(nèi)固定材料需要永久保留在人體內(nèi)，所以對解剖學(xué)、人體工程學(xué)、生物力學(xué)、生物安全性、生物相容性等有更高要求。

周圍骨組織與骨置入物間的固定方式分為骨長上與骨長入2種。傳統(tǒng)內(nèi)固定物主要靠與骨質(zhì)間的摩擦力和螺釘?shù)募訅毫M(jìn)行固定，沒有骨長入的過程，而3D打印個體化內(nèi)植物可與骨質(zhì)進(jìn)行融合。3D打印個體化內(nèi)植物通過優(yōu)化多孔金屬結(jié)構(gòu)的孔隙率和孔徑，提高了骨誘導(dǎo)能力，為脊柱結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性提供堅實基礎(chǔ)。研究表明，當(dāng)孔隙率達(dá)到75%時最有利于骨長入實現(xiàn)良好的骨性融合，當(dāng)孔徑達(dá)到200～300 μm時有利于血管和骨細(xì)胞長入。

Xu等應(yīng)用3D打印個體化樞椎椎體治療上頸椎惡性腫瘤(尤文肉瘤)，術(shù)后3D打印個體化人工椎體的位置良好，頸部旋轉(zhuǎn)功能得以保留。3D打印人工椎體與傳統(tǒng)植入物相比具有特殊的解剖結(jié)構(gòu)，提高了脊柱腫瘤切除后脊柱結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。Mobbs等發(fā)表了2份應(yīng)用3D打印技術(shù)進(jìn)行手術(shù)計劃的案例報告，其中1例上頸椎脊索瘤(C1～C2)的患者接受了腫瘤切除術(shù)，應(yīng)用3D打印技術(shù)制作個體化人工椎體重建椎體。另1例是患有復(fù)雜的先天性脊柱畸形的患者，截骨矯形術(shù)后應(yīng)用3D打印的個體化人工椎體重建了脊椎前部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，結(jié)果表明3D打印個體化人工椎體的應(yīng)用不僅限于腫瘤切除后的椎體重建，在脊柱截骨矯形術(shù)后引起的骨缺損的穩(wěn)定重建也有極大的應(yīng)用價值。Spetzger等在頸椎前路融合手術(shù)中應(yīng)用3D 打印個體化鈦合金椎間融合器，融合器與椎體表面貼合緊密，增加了接觸面積，降低了融合器脫位和沉降的風(fēng)險。吳敏飛等對30例脊髓型頸椎病患者植入3D 打印個體化椎間融合器，發(fā)現(xiàn)術(shù)后患者神經(jīng)壓迫癥狀改善明顯，椎間隙高度和頸椎生理曲度得到恢復(fù)。3D打印個體化內(nèi)植物結(jié)構(gòu)與患者解剖結(jié)構(gòu)匹配度較高具有良好的生物力學(xué)穩(wěn)定性，患者術(shù)后只需佩戴頭頸胸聯(lián)合支具，提高了患者的生活質(zhì)量，減輕了患者的痛苦和護(hù)理難度。

目前，3D打印內(nèi)植物在脊柱外科應(yīng)用具有創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性，由于脊柱解剖和結(jié)構(gòu)特殊，周圍伴隨著大量的血管和神經(jīng)，此外脊柱疾病種類繁多，植入物尺寸不匹配的現(xiàn)象時有發(fā)生，應(yīng)用3D打印技術(shù)可以根據(jù)患者病情個體化定制脊柱內(nèi)植物，能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)技術(shù)的局限，是未來脊柱外科研究的熱門領(lǐng)域。

2.5 3D生物打印 3D生物打印是連接生物材料、生物活性因子和活細(xì)胞的一項新技術(shù)，以生物支架為載體，不僅可以將細(xì)胞裝載到支架上，還可以將各種生物分子如生長因子、細(xì)胞因子、大分子蛋白和藥物等裝載到支架上。支架的材料種類包括金屬、生物陶瓷、生物活性玻璃、石墨烯、醫(yī)用合成聚合物、天然衍生聚合物等，雖然涉及的技術(shù)和材料很多，但基本要求是恒定的，即生物相容性、無毒性、低免疫原性、低抗原性、合適的孔隙率和力學(xué)性能、合適且可控的生物降解性。隨著生長因子等生物活性物質(zhì)在支架中的引入，有利于細(xì)胞在生物支架上黏附、增殖和分化過程中修復(fù)骨周圍軟組織缺損并促進(jìn)骨再生，因此，3D生物打印技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景。

Dong等利用3D生物打印技術(shù)，制備了含有抗結(jié)核藥物和納米羥基磷灰石的生物支架用于脊柱結(jié)核的治療，該三維多孔支架不僅能控制藥物釋放，還能修復(fù)骨缺損，幫助重建脊柱穩(wěn)定性。Rosenzweig等以丙烯腈丁二烯苯乙烯和聚乳酸為生物打印材料制作不同孔隙率的3D生物支架，結(jié)果表明，椎間盤髓核組織在大孔支架表面和孔隙內(nèi)生長良好，產(chǎn)生充足的蛋白質(zhì)多糖和基質(zhì)，可以用于治療椎間盤疾病。Cui等利用3D生物打印技術(shù)將人軟骨細(xì)胞與聚乙二醇二甲基丙烯酸甲酯結(jié)合，發(fā)現(xiàn)生物材料支架不僅提供了良好的機(jī)械穩(wěn)定性還能保持人軟骨細(xì)胞活力有助于修復(fù)損傷的軟骨。3D生物打印制備的生物支架誘導(dǎo)細(xì)胞或組織分化具有替換或修復(fù)受損組織和器官的優(yōu)點，為我們提供了促進(jìn)骨再生的新途徑。

3D生物打印技術(shù)還不夠成熟，目前可以打印一些相對簡單的組織和細(xì)胞，3D生物打印和3D打印金屬植入物聯(lián)合應(yīng)用，在修復(fù)骨缺損和骨周圍缺損的軟組織方面，具有巨大的潛力和發(fā)展前景。

近年來，雖然3D 打印技術(shù)不斷地發(fā)展，在脊柱外科領(lǐng)域的應(yīng)用有著重要的地位，能幫助脊柱外科醫(yī)師進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃設(shè)計、輔助疾病的診斷和治療、術(shù)中置釘導(dǎo)航、醫(yī)學(xué)生教學(xué)及醫(yī)患溝通等，但是仍然不夠成熟，需要大量的研究證明3D打印的可行性和安全性。目前應(yīng)用3D打印技術(shù)根據(jù)不同的體格特征制作的個體化脊柱矯形器，提高了患者的舒適性和實用性。制作脊柱模型將復(fù)雜的脊柱病變和解剖直觀的顯示出來，讓學(xué)生更好的了解復(fù)雜脊柱疾病提高了教學(xué)效率和效果，讓患者對自身病情有了更清楚的認(rèn)知有利于術(shù)前溝通從而減輕焦慮。3D打印導(dǎo)向模板簡化了臨床醫(yī)師的置釘操作，提高了螺釘放置的準(zhǔn)確性和安全性。個體化內(nèi)植物最大限度實現(xiàn)假體與殘留結(jié)構(gòu)的完美匹配恢復(fù)解剖結(jié)構(gòu)更能滿足患者的個體需求。3D生物打印幫助骨及周圍軟組織修復(fù)，為脊柱疾病的治療提供了新的機(jī)遇?？傊?，隨著3D打印技術(shù)的不斷進(jìn)步，在脊柱外科領(lǐng)域的應(yīng)用也將越來越廣泛，其臨床價值也將不斷顯現(xiàn)。