3D打印技術(shù)在脊柱外科中的應(yīng)用進展及其局限性

仵博宇，葉 開，王江華 綜述 滕 勇 審校

3D打印，又名增材制造，是20世紀80年代發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，是指在計算機的控制下，根據(jù)物體的計算機輔助設(shè)計模型或計算機斷層掃描(CT)/磁共振成像(MRI)等數(shù)據(jù)，通過材料的精確堆積，制造原型的一種基于離散、堆積成型原理的新的數(shù)字化成型技術(shù)。3D打印可在短時間內(nèi)“打印”出任意形狀與結(jié)構(gòu)的物體，骨骼的形態(tài)結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，采集CT等影像學(xué)圖像的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為3D打印所需的數(shù)字模型文件相對簡便，因此3D打印在骨科，尤其在脊柱外科中的應(yīng)用早于醫(yī)學(xué)其他領(lǐng)域，發(fā)展也更為迅速[1]。目前3D打印技術(shù)在脊柱外科已用于術(shù)前規(guī)劃、醫(yī)患溝通、醫(yī)學(xué)教育、手術(shù)導(dǎo)向模板、個體化植入物及3D生物打印方面，在脊柱外科有著廣闊的發(fā)展空間。本文對目前3D打印技術(shù)在脊柱外科中的應(yīng)用進展與未來方向作一綜述。

1 應(yīng)用進展

1.1 術(shù)前規(guī)劃 術(shù)前規(guī)劃是3D打印技術(shù)在脊柱外科的早期應(yīng)用之一。3D打印技術(shù)可將患者的CT/MRI數(shù)據(jù)精準(zhǔn)地轉(zhuǎn)化為實物模型，幫助醫(yī)師全方位查看患者病患處的解剖，實現(xiàn)更精準(zhǔn)的術(shù)前規(guī)劃。3D打印技術(shù)用于脊柱外科復(fù)雜病例中的優(yōu)勢顯著，包括腫瘤切除、嚴重的脊柱畸形、兒科病例及微創(chuàng)脊柱外科等，可輔助實現(xiàn)精準(zhǔn)的術(shù)前規(guī)劃[2,3]。

1.2 醫(yī)患溝通 良好的醫(yī)患溝通是建立醫(yī)患信任關(guān)系和取得患者知情同意的基礎(chǔ)。3D打印技術(shù)可將患者的個體解剖轉(zhuǎn)換為實物模型，為患者及家屬提供直觀、立體的實物模型，幫助患者及家屬了解疾病，便于醫(yī)師向患者及其家屬交代手術(shù)風(fēng)險及術(shù)后相關(guān)并發(fā)癥，從而有利于進行良好的醫(yī)患溝通，增加醫(yī)患間的信任，降低醫(yī)療糾紛的發(fā)生風(fēng)險。

1.3 醫(yī)學(xué)教育 3D打印技術(shù)用于醫(yī)學(xué)教育，有著可將復(fù)雜的脊柱病例轉(zhuǎn)化為實物模型的優(yōu)勢，可提供出直觀、立體、典型的實物模型，與以往尸體標(biāo)本用于教育相比，具有更好的安全性、可重復(fù)性、經(jīng)濟性及更好的培訓(xùn)效果，并且不用擔(dān)心倫理問題[4]。

在脊柱相關(guān)的醫(yī)學(xué)教育中，目前的3D打印技術(shù)只能構(gòu)建脊柱的骨性結(jié)構(gòu)，不能構(gòu)建椎間盤、韌帶、神經(jīng)血管等軟組織，因此脊柱的內(nèi)生環(huán)境和生物力學(xué)不能重建，相信未來隨著生物打印技術(shù)的進步可以解決這個問題[5,6]。

1.4 輔助手術(shù)

1.4.1 用于引導(dǎo)椎弓根螺釘 在脊柱外科的手術(shù)中，常需要放置椎弓根螺釘，這種手術(shù)方式目前已經(jīng)成熟，但在復(fù)雜手術(shù)中，準(zhǔn)確放置椎弓根螺釘仍較為困難，并且容易損傷到周圍的血管神經(jīng)，使用3D打印導(dǎo)向模板輔助放置螺釘可以很好地解決這一問題[7,8]。

自3D打印導(dǎo)向模板用于引導(dǎo)放置椎弓根螺釘以來，已將其用于輔助頸椎、胸椎、腰椎、骶椎的單節(jié)段和多節(jié)段椎弓根螺釘?shù)闹萌隱8-11]。3D打印導(dǎo)向模板主要用于復(fù)雜的脊柱手術(shù)中，以提高螺釘放置的準(zhǔn)確性，降低并發(fā)癥的發(fā)生風(fēng)險。多項研究數(shù)據(jù)表明，3D打印導(dǎo)向模板可以提高螺釘置入的準(zhǔn)確性和效率。如胡勇等[9]將其用于輔助置入寰椎椎弓根螺釘治療寰椎骨折，術(shù)后通過CT評價螺釘位置，發(fā)現(xiàn)螺釘釘?shù)琅c最佳釘?shù)涝谶M針點和方向上無統(tǒng)計學(xué)差異，且均未發(fā)生硬膜破裂、周圍重要血管損傷等并發(fā)癥。Guo等[10]比較了使用3D打印導(dǎo)向模板與傳統(tǒng)透視兩種手術(shù)方式輔助放置頸椎螺釘?shù)氖中g(shù)效果，結(jié)果顯示前者使得椎弓根皮質(zhì)穿孔率減少了20%以上，手術(shù)時間平均減少約17 min，透視次數(shù)減少了4倍。諸多研究表明3D打印導(dǎo)向模板輔助手術(shù)可提高椎弓根螺釘置入的準(zhǔn)確率、縮短手術(shù)時間、降低術(shù)中透視頻次，減少術(shù)中出血量、降低并發(fā)癥發(fā)生的風(fēng)險[8-11]。

1.4.2 用于引導(dǎo)截骨 脊柱解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，毗鄰血管神經(jīng)和脊髓，且存在較大的個體差異，使得脊柱截骨術(shù)的臨床實施較為困難，尤其是伴有嚴重脊柱畸形需要矯形截骨的手術(shù)。以往多采用影像繪圖法輔助截骨術(shù)，常面臨著術(shù)中的截骨角度難以達到術(shù)前設(shè)計角度的問題。將3D打印技術(shù)用于輔助截骨可以很好地解決這個問題，3D打印導(dǎo)向模板具有完美地契合脊柱結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，打印1∶1尺寸的模型，在術(shù)中輔助截骨，可實現(xiàn)術(shù)中精準(zhǔn)截骨[12,13]。

3D打印技術(shù)用于脊柱外科復(fù)雜的截骨手術(shù)中，取得了良好的臨床效果。趙永輝等[12]使用3D導(dǎo)向模板輔助治療16 例強直性脊柱炎需要截骨矯形的患者，均順利完成手術(shù)，在術(shù)后隨訪12～36個月，僅1 例出現(xiàn)鄰近椎體壓縮骨折，且可以通過非手術(shù)治愈，余患者矯形維持良好，均未發(fā)生手術(shù)并發(fā)癥，患者的生活質(zhì)量得到了明顯提高。Tu等[13]報道了9例使用3D打印鈦制導(dǎo)向模板輔助截骨的嚴重脊柱畸形患者，術(shù)后平均隨訪21.4 個月，均未出現(xiàn)并發(fā)癥。3D打印導(dǎo)向模板輔助手術(shù)為脊柱外科截骨矯形提供了一種安全可行且精確性較高的手術(shù)方式。

1.5 置入物應(yīng)用

1.5.1 用于構(gòu)造個性化椎間融合器 椎間融合器是脊柱外科手術(shù)常用置入物，主要用于置入椎間隙中以實現(xiàn)相鄰椎體間的融合。商業(yè)化的椎間融合器主要由鈦合金(TiAl6V4)及聚醚醚酮(PEEK)材料制成，因鈦合金材料融合器有應(yīng)力屏蔽效應(yīng)，PEEK材料融合器存在著生物活性和成骨能力差的問題，臨床上存在著融合器置入人體后發(fā)生塌陷、移位和脫出的情況。3D打印椎間融合器具有可定制化、表面附著物修飾、可控的剛度及孔隙率的優(yōu)點，可降低其應(yīng)力屏蔽效應(yīng)、改善生物活性和解決成骨能力差的問題，從而降低融合器發(fā)生塌陷、移位和脫出的風(fēng)險[14,15]。

McGilvray等[14]在綿羊腰椎融合實驗中，比較了3D打印多孔鈦合金(PTA)椎間融合器與商品化的PEEK及多孔鈦涂層PEEK(PSP)椎間融合器的成骨能力和生物力學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)，PTA與PEEK及PSP融合器相比，在生物力學(xué)試驗中，PTA融合器的剛度顯著增加，屈伸運動范圍明顯減少；在置入綿羊體內(nèi)后的第8周和16周時，PTA與PEEK和PSP融合器相比，前者成骨數(shù)量顯著增加，說明3D打印PTA融合器具有較好的成骨能力和生物力學(xué)性能。

另外也有關(guān)于3D打印可吸收椎間融合器的報道，研究認為3D打印聚乳酸/納米級β-磷酸鈣可吸收頸椎融合器具有較好的生物相容性和力學(xué)穩(wěn)定性[16]。但也有關(guān)于可吸收椎間融合器崩解和發(fā)生排異反應(yīng)的報道[17]，因而3D打印可吸收融合器的應(yīng)用受到了限制，還需要進一步研究去探索其臨床價值。

1.5.2 用于構(gòu)造個性化脊柱假體 脊柱腫瘤常見的外科治療方式是將椎體整塊切除。手術(shù)不僅要求遵循無瘤原則，還需要重建脊柱復(fù)雜的生物力學(xué)和功能[18]。商品化的脊柱假體常常難以精準(zhǔn)匹配患者的個體解剖，難以較好地重建患者脊柱的穩(wěn)定性和功能，而3D打印技術(shù)建造的脊柱假體具有個體化的優(yōu)勢，可完美地匹配患者個體解剖，并且可對置入物材料及材料表面特性進行微調(diào)，從而實現(xiàn)促進其與人體骨骼融合生長。3D打印個體化脊柱假體已應(yīng)用于頸椎、胸椎、腰椎、骶椎腫瘤切除手術(shù)之中，并取得了良好的臨床效果[19-24]。

個體化脊柱假體主要重建脊柱穩(wěn)定性和連續(xù)性。個體化頸椎假體治療上位頸椎腫瘤切除后的重建頸椎，所有患者均無血管、神經(jīng)、硬脊膜及脊髓損傷，術(shù)后愈合良好；在術(shù)后后的隨訪中，未見腫瘤殘留或復(fù)發(fā)，所有患者內(nèi)固定穩(wěn)定，未見螺釘松動及假體移位[19,20]。脊柱胸腰段腫瘤患者，手術(shù)給予腫瘤侵犯的椎體整段切除，以3D打印人工椎體重建患者的脊柱穩(wěn)定性與連續(xù)性[21,22]。紀經(jīng)濤等[21]將3D打印椎體與使用鈦網(wǎng)重建脊柱相比，術(shù)中出血量、手術(shù)時間、術(shù)后引流量及術(shù)后24 h和3個月時的疼痛視覺模擬評分，差異均無統(tǒng)計學(xué)意義，且術(shù)后隨訪中，使用3D打印椎體與相鄰椎體匹配情況良好、無松動、下沉、移位，也未出現(xiàn)斷釘、斷棒等內(nèi)固定失敗情況。而使用鈦網(wǎng)重建脊柱的患者存在脊柱假體下沉移位的情況，差異有統(tǒng)計學(xué)意義。也有將3D打印個體化椎體用治療脊柱復(fù)發(fā)性腫瘤、脊柱轉(zhuǎn)移瘤、骶椎腫瘤的報道，效果較好，隨訪期未見腫瘤復(fù)發(fā)及并發(fā)癥的發(fā)生[23,24]。

綜上所述，3D打印個體化人工椎體可用于脊柱腫瘤切除后脊柱穩(wěn)定性的重建，以恢復(fù)脊柱的穩(wěn)定性與連續(xù)性，實現(xiàn)假體精準(zhǔn)匹配相鄰椎體，有利于減少假體塌陷，且能促進骨長入和增加骨融合，是一種單或多節(jié)段脊柱腫瘤切除后脊柱穩(wěn)定性重建的理想方法。

1.6 生物打印方面 3D生物打印技術(shù)在創(chuàng)造具有生理結(jié)構(gòu)功能并能自我修復(fù)的組織器官方面，已經(jīng)成為了一個極富有臨床轉(zhuǎn)化前景的工具，并且可以很好于應(yīng)用于脊柱外科。近來有報道稱該項技術(shù)可用于打印為髓核細胞生長提供支架的生物基質(zhì)，使得構(gòu)造人工椎間盤成為可能[25]。也有研究將其應(yīng)用于打印硬腦膜治療骶管囊腫，取得了良好效果[26]。Sun等[27]通過3D打印技術(shù)制作了由生物材料、細胞和生長因子組成的解剖學(xué)椎間盤支架，并將其植入裸鼠背部皮下，發(fā)現(xiàn)3個月后椎間盤支架有大量的軟骨細胞和軟骨組織生長，且周圍未見明顯炎癥反應(yīng)。此外又有研究稱絲素蛋白、納米纖維增強(殼聚糖)水凝膠，以及聚乳酸和聚乙二醇二丙烯酸酯膠是3D打印椎間盤組織工程中極具前景的生物墨水[28]。然而目前3D生物打印技術(shù)也存在很大的挑戰(zhàn)：除需要高精度的打印機器以外，還需制備優(yōu)良特性的生物墨水和仿生優(yōu)化設(shè)計，以及如何實現(xiàn)不同材料、生長因子、種子細胞的組裝、合理分布、構(gòu)建生物活性的微環(huán)境等[29]。諸如此類，都展示出3D生物打印技術(shù)的巨大應(yīng)用潛力及進一步研究價值。

2 應(yīng)用局限性

3D打印技術(shù)在脊柱外科的應(yīng)用也具有一定的局限性[12,30]。(1)構(gòu)建3D打印模型需要時間、成本和學(xué)習(xí)曲線是其廣泛應(yīng)用的主要障礙，很多醫(yī)院沒有配備3D打印機及相關(guān)的技術(shù)人員；(2)使用3D打印建立模型需要經(jīng)CT/MRI數(shù)據(jù)采集、計算機設(shè)計、模型打印等步驟，可能會延長患者的住院時間，增加患者的住院費用；(3)3D打印模型的設(shè)計、打印及術(shù)者在術(shù)中的操作都可能會影響手術(shù)的效果；(4)使用3D打印導(dǎo)向模板輔助手術(shù)時，往往需要充分地顯露導(dǎo)板的貼附區(qū)，可能會增加手術(shù)創(chuàng)傷。因此，考慮到3D打印的成本和收益，以及手術(shù)的風(fēng)險，3D打印技術(shù)對于復(fù)雜或不典型的脊柱疾病可能是最有價值的。

在過去的十幾年中，3D打印技術(shù)一直是脊柱外科的研究熱點，以其獨特的優(yōu)勢，使得脊柱外科中的一些疑難雜癥得到了很好的診斷與治療，是一項值得進一步研究的技術(shù)。3D打印技術(shù)用于醫(yī)學(xué)教育、醫(yī)患溝通及術(shù)前規(guī)劃較傳統(tǒng)的方法均有著顯著優(yōu)勢。3D打印用于術(shù)中的導(dǎo)向模板和個體化假體，在獲得了更好臨床治療效果的同時也降低了手術(shù)并發(fā)癥的發(fā)生率，為臨床上提供了一種新的治療方案。3D打印結(jié)合生物技術(shù)的再生醫(yī)學(xué)研究與實踐正在不斷推進，為今后的骨缺損骨修復(fù)乃至打印人體器官移植提供了美好的愿景，或?qū)⒊蔀榍藙游磥磲t(yī)學(xué)技術(shù)發(fā)展的核心。