3D打印技術(shù)在脊柱外科應(yīng)用進(jìn)展*

張繼偉，楊鎮(zhèn)源，韓李霞，將振興，鄧強(qiáng)

（甘肅省中醫(yī)院，甘肅 蘭州 730050）

3D 打印是一種起源于20 世紀(jì)80 年代的新興技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域，其中在醫(yī)療領(lǐng)域主要應(yīng)用于脊柱外科、復(fù)雜創(chuàng)傷、頜面外科、神經(jīng)外科等專業(yè)，為臨床實(shí)踐及輔助教學(xué)提供了更加直觀的效果［1-2］。脊柱解剖復(fù)雜，周圍毗鄰脊髓、神經(jīng)、大血管等重要結(jié)構(gòu)，手術(shù)難度大，失敗率高，手術(shù)操作的精準(zhǔn)化與個(gè)體化越來越多的被廣大脊柱外科醫(yī)師所重視［3］；而3D打印技術(shù)的特點(diǎn)就是精準(zhǔn)化與個(gè)體化，因而3D 打印技術(shù)在脊柱外科領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展迅速，在術(shù)前規(guī)劃、3D 打印導(dǎo)板輔助置釘、內(nèi)植物的個(gè)體化制作、臨床教學(xué)等方面大大提高了脊柱外科手術(shù)效率［4］?，F(xiàn)將3D 打印技術(shù)在脊柱外科的應(yīng)用方面做一論述。

1 3D 打印概述

3D 打印技術(shù)又稱為“增材制造”或“快速成型”技術(shù)，其原理是通過采集CT 等影像學(xué)數(shù)據(jù)經(jīng)轉(zhuǎn)換獲得3D 打印所需的數(shù)字模型文件，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制造出所需的打印對(duì)象［5］。目前3D 打印技術(shù)常用的材料加層方法主要有三種：①熔融沉積打印技術(shù)。該技術(shù)是將熱塑性材料通過噴嘴加熱至熔融態(tài)，在計(jì)算機(jī)控制下將材料經(jīng)噴頭擠出并按設(shè)定的模型沉積出實(shí)物，這種技術(shù)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，材料利用率高。②立體光固化成型技術(shù)。該技術(shù)利用液態(tài)光敏樹脂為材料，通過控制激光照射液態(tài)樹脂表面逐層固化，并獲得完整的模型。這種技術(shù)具有成型快，精度高等特點(diǎn)，但打印設(shè)備造價(jià)高，材料昂貴，成型產(chǎn)品強(qiáng)度差，液態(tài)光敏樹脂有污染等缺點(diǎn)。③選擇性激光燒結(jié)技術(shù)。該技術(shù)以熱塑性聚合物粉末為材料，通過二氧化碳激光對(duì)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，該技術(shù)打印材料廣泛，制作工藝簡(jiǎn)單，材料可循環(huán)利用，缺點(diǎn)是打印產(chǎn)品表面粗糙，打印過程揮發(fā)異味等。

2 3D 打印在脊柱外科的應(yīng)用類型

3D 打印作為一項(xiàng)新興技術(shù)在脊柱外科中有重要應(yīng)用價(jià)值，該技術(shù)以其個(gè)體化、精準(zhǔn)化及可視化的特點(diǎn)在脊柱外科的臨床治療中發(fā)揮著重要作用。目前，3D 打印已廣泛應(yīng)用于脊柱外科的臨床教學(xué)、術(shù)前規(guī)劃、手術(shù)模擬、個(gè)體化導(dǎo)航模板及個(gè)體化內(nèi)植物等多個(gè)領(lǐng)域。

2.1 實(shí)物脊柱模型

2.1.1 3D 打印脊柱模型在臨床教學(xué)中的應(yīng)用 脊柱外科是骨外科的重要分支，脊柱解剖輔助，周圍毗鄰血管、神經(jīng)及重要組織結(jié)構(gòu)，實(shí)物脊柱模型可以直觀的反應(yīng)各相鄰結(jié)構(gòu)之間的解剖關(guān)系，便于學(xué)生更好地掌握［6］。同時(shí)，3D 打印可以實(shí)現(xiàn)脊柱病變的實(shí)物模型，便于學(xué)生更好地理解病變脊柱的解剖，提高醫(yī)學(xué)生對(duì)病變脊柱的認(rèn)知［7］。李曙明等［8］發(fā)現(xiàn)在復(fù)雜脊柱畸形教學(xué)中，通過3D打印實(shí)體模型與影像學(xué)資料對(duì)比與反思后，極大地提高了學(xué)生對(duì)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)。

2.1.2 3D 打印脊柱模型在術(shù)前方案制定及模擬手術(shù)中的應(yīng)用 脊柱解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尤其當(dāng)病變涉及上頸椎、頸胸段及脊柱腫瘤、嚴(yán)重脊柱側(cè)凸或后凸畸形等情況時(shí)，能夠了解患者病理情況下的解剖結(jié)構(gòu)對(duì)疾病的診治至關(guān)重要［9］。以往只能通過傳統(tǒng)影像手段X 線、CT 或MRI 來了解脊柱的病理基礎(chǔ)，往往不能提供復(fù)雜脊柱疾病的全面解剖信息［10］。而依靠3D 打印技術(shù)所呈現(xiàn)的病理狀態(tài)下的脊柱實(shí)物模型可以為臨床提供更好的可視化信息及觸覺反饋，可以幫助制定精準(zhǔn)、個(gè)體化的手術(shù)方案，在術(shù)前可以通過模擬手術(shù)增強(qiáng)術(shù)者的信心，術(shù)中通過對(duì)照脊柱實(shí)物模型可以更快、更精準(zhǔn)地找到對(duì)應(yīng)的解剖結(jié)構(gòu)及病變部位，進(jìn)而有效縮短手術(shù)時(shí)間，減少術(shù)中出血及透視次數(shù)［11］。PACIONE 等［12］通過應(yīng)用3D 打印模型，對(duì)上頸椎畸形并顱底凹陷癥患者病變區(qū)域的骨性畸形、脊髓受壓情況及椎動(dòng)脈走向進(jìn)行了全面的評(píng)估，通過實(shí)物模擬操作，制定最佳的手術(shù)方案，術(shù)后患者恢復(fù)良好。

2.1.3 3D 打印脊柱模型在醫(yī)患溝通中的應(yīng)用 在醫(yī)患矛盾日益加劇的今天，如何能讓沒有醫(yī)學(xué)知識(shí)的患者及家屬更加直觀的了解病情及手術(shù)方案成為擺在廣大醫(yī)務(wù)人員面前的一大難題。而3D 病理脊柱模型可以作為良好的講解工具，幫助醫(yī)生更好地闡明解剖異常，在醫(yī)患交流中發(fā)揮有效的溝通作用。對(duì)于患者來說，3D 模型可以幫助他們可視化“內(nèi)部情況”。從圖像到手持模型的轉(zhuǎn)變，讓患者及家屬聽得懂、看得懂，提高醫(yī)患之間的術(shù)前談話效率，縮短術(shù)前準(zhǔn)備時(shí)間，進(jìn)而保證后續(xù)手術(shù)治療方案的順利實(shí)施。林鋼等［13］在術(shù)前使用3D 打印模型與患者及其家屬交流，提高了患者對(duì)手術(shù)的理解，提高了醫(yī)患溝通效率。

2.2 3D 打印個(gè)體化導(dǎo)板

脊柱外科術(shù)式多樣，其中椎弓根螺釘固定是最重要的方式之一，所以如何有效準(zhǔn)確地植入椎弓根螺釘又能避免傷及脊髓、神經(jīng)根及周圍大血管是廣大脊柱外科醫(yī)生最為關(guān)心的問題之一［14］。而目前徒手置釘仍然是最常見的置入方式，對(duì)于嚴(yán)重的脊柱側(cè)凸、脊柱骨折、脊柱腫瘤、上頸椎畸形等脊柱疾患，因椎體形態(tài)不規(guī)則，且多伴有椎體發(fā)育異常、椎體旋轉(zhuǎn)，椎弓根解剖標(biāo)志不明確時(shí)，徒手置釘螺釘極易突破椎弓根，造成脊髓、血管損傷等嚴(yán)重并發(fā)癥，甚至危及生命。研究［15］表明，徒手置釘錯(cuò)位發(fā)生率為20%～30%，神經(jīng)、血管損傷等嚴(yán)重并發(fā)癥發(fā)生率占2%，因此如何提高置釘準(zhǔn)確率，降低置釘風(fēng)險(xiǎn)越來越多地受到脊柱外科醫(yī)師重視。AZIMI 等［16］發(fā)現(xiàn)頸椎手術(shù)中3D打印導(dǎo)航模板可以提高椎弓根釘置釘?shù)臏?zhǔn)確性，從而改善手術(shù)效果。近年來隨著3D 打印技術(shù)在脊柱外科應(yīng)用普及，依據(jù)椎體表面形態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)合工程設(shè)計(jì)制造出完美貼合骨性表面的3D 打印個(gè)體化導(dǎo)板，輔助椎弓根螺釘置入，可有效的避免對(duì)重要神經(jīng)血管的損傷［17］。SUGAWARA 等［18］對(duì)12 例寰樞椎不穩(wěn)定的手術(shù)患者應(yīng)用3D 打印導(dǎo)板輔助置入寰椎側(cè)塊釘及樞椎椎弓根螺釘，左右螺釘均成功置入且未穿透骨皮質(zhì)，術(shù)后復(fù)查影像學(xué)檢查發(fā)現(xiàn)與術(shù)前計(jì)劃的置釘路線偏差僅為（0.70±0.42）mm。盧炯炯等［19］通過手術(shù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)3D打印組螺釘置釘位置準(zhǔn)確率高于CT 三維掃描組，且矯正率和并發(fā)癥發(fā)生率均明顯低于CT 三維掃描組。

2.3 3D 打印個(gè)體化內(nèi)植入物

由于人體構(gòu)造精密且復(fù)雜，在臨床應(yīng)用中，廠家提供的內(nèi)固定植入器械常常不能與患者的生理解剖相匹配，內(nèi)植入物不能與人體骨骼良好貼合，造成患者功能恢復(fù)預(yù)后不良，影響植入物的生物安全性，給患者造成生理痛苦和心理創(chuàng)傷。3D 打印可根據(jù)人體的生理構(gòu)造特點(diǎn)制作出具有特殊解剖結(jié)構(gòu)的假體，使骨質(zhì)與內(nèi)植入物完全融合，比普通假體更加貼合，大大提高了內(nèi)植入物的生物力學(xué)性能和安全性［20］。椎體旋轉(zhuǎn)、椎弓根缺失或畸形、節(jié)段異常這些復(fù)雜畸形都是脊柱側(cè)凸的表現(xiàn)，破壞了椎弓根插入的解剖標(biāo)志。3D 打印模板以圖像為基礎(chǔ)，通過術(shù)前對(duì)葉片進(jìn)行CT 掃描和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，將設(shè)計(jì)好的文件以固定格式導(dǎo)出到3D 打印設(shè)備中，從而打印出個(gè)體化、精準(zhǔn)的手術(shù)輔助置釘工具。該模板通過與脊柱表面形成特定的貼合，達(dá)到導(dǎo)向鉆孔和螺釘放置的目的［21］。WEI 等［22］在一例骶脊索瘤患者全骶骨整塊切除術(shù)后3D 打印骶骨假體進(jìn)行重建中發(fā)現(xiàn)：3D 打印骶骨假體有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①定制的植入物完成了腰骶骨盆環(huán)的最佳重建，提供了一個(gè)穩(wěn)定、安全的力學(xué)支撐；②打印假體的多孔表面可誘導(dǎo)骨長(zhǎng)入，促進(jìn)假體與骨質(zhì)的融合，增強(qiáng)功能結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。徐會(huì)法等［23］在36 例3D 打印導(dǎo)板輔助置釘治療先天性脊柱畸形中，采用19 例導(dǎo)航下置釘作為對(duì)比，發(fā)現(xiàn)3D 打印組手術(shù)時(shí)間、置釘時(shí)間較導(dǎo)航組明顯縮短、且術(shù)中出血量顯著少于導(dǎo)航組，隨著術(shù)后時(shí)間推移，兩組患者視覺模擬評(píng)分法（VAS）、Oswestry 功能障礙指數(shù)（ODI）、日本骨科協(xié)會(huì)（JOA）評(píng)分均顯著改善。3D 打印組脊柱側(cè)凸研究學(xué)會(huì)22 項(xiàng)（SRS-22）量表評(píng)分術(shù)后及末次隨訪均優(yōu)于導(dǎo)航組。相比之下，3D 打印導(dǎo)板技術(shù)治療先天性脊柱畸形在手術(shù)時(shí)間、置釘時(shí)間、術(shù)中出血量及患者滿意度方面更具優(yōu)勢(shì)。

2.4 3D 生物打印

3D 生物打印是組織工程的重要技術(shù)之一，目前常用的3D 生物打印方法有噴墨打印、擠壓生物打印和激光生物打?。?4］。傳統(tǒng)3D 打印中使用的生物材料被稱為分為天然生物材料和合成生物材料［25］。3D 生物打印在骨科是最有發(fā)展?jié)摿Φ纳镝t(yī)學(xué)領(lǐng)域之一，主要應(yīng)用于骨與軟骨及皮膚與軟組織的修復(fù)，是連接生物材料和活細(xì)胞的一種新型技術(shù)，是組織工程中的一種重要方法［26］。骨缺損的修復(fù)一直是骨科醫(yī)生面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)。3D 生物打印機(jī)制是將細(xì)胞、生物材料、生物活性物質(zhì)結(jié)合，在損傷部位打印假體直接修復(fù)組織缺損。隨著老齡化社會(huì)的到來和伴隨而來的慢性疾病，骨缺損的治療越來越困難，特別是由外傷、感染、腫瘤導(dǎo)致的大范圍的骨缺損，會(huì)發(fā)生骨不愈合，需要進(jìn)行手術(shù)修復(fù)重建，常用的手術(shù)方式有骨移植、吻合血管移植等。3D 生物打印具有替換或修復(fù)受損組織和器官的優(yōu)點(diǎn)，有望替代上述移植方式。3D 打印過程分為圖像采集、數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)制作軟件、打印機(jī)讀取及處理文件、打印移植體四個(gè)步驟?！吧锬笔?D 打印的重要介質(zhì)，具有黏度低、低毒、低抗原性和生物降解性，可以通過特定的表面受體與細(xì)胞相互作用，促進(jìn)細(xì)胞遷移和細(xì)胞外分子的產(chǎn)生，從而促進(jìn)細(xì)胞增殖［27］。常用的生物材料為藻酸鹽水凝膠、膠原蛋白和透明質(zhì)酸等有機(jī)溶液。藻酸鹽水凝膠具有良好的生物相容性，能形成有利于細(xì)胞再生的多孔結(jié)構(gòu)，膠原蛋白是人體細(xì)胞外基質(zhì)的主要成分，透明質(zhì)酸可刺激骨細(xì)胞代謝，促進(jìn)骨組織修復(fù)，抑制炎癥反應(yīng)［28］。要獲得最佳的模型效果，不僅要選擇合適的生物材料，而且印刷工藝的選擇也是至關(guān)重要的［29］。金屬基骨修復(fù)支架是骨科植入物的最佳選擇之一，事實(shí)證明，制造能夠復(fù)制組織和器官的結(jié)構(gòu)和功能的金屬基骨修復(fù)支架具有挑戰(zhàn)性［30］。WU 等［31］通過模擬天然木材中的微/納米結(jié)構(gòu)層次，將三維打印技術(shù)與水熱處理相結(jié)合，構(gòu)建了多級(jí)多孔磷酸鈣生物陶瓷骨組織仿生支架，這種支架具有多孔天然木材分級(jí)孔及良好的骨誘導(dǎo)活性。這表明微/納米晶須涂層是調(diào)節(jié)細(xì)胞行為和骨誘導(dǎo)活性的關(guān)鍵因素。WILCOX 等［32］也證明了3D 目前用于脊柱外科定制假體以及“現(xiàn)成的”植入物，具有增強(qiáng)植入物性能、減少手術(shù)時(shí)間和改善患者預(yù)后的潛力。

3 總結(jié)與展望

3D 打印自問世以來，就已為人類社會(huì)帶來了巨大福音，其不僅應(yīng)用于脊柱疾病的手術(shù)治療中，更涉及醫(yī)學(xué)教育、醫(yī)藥發(fā)展、生物醫(yī)學(xué)、外科整形等。3D 打印技術(shù)是一種創(chuàng)建計(jì)劃的新技術(shù)，它為提高藥品的功效、安全性和便利性創(chuàng)造了新的機(jī)會(huì)。在生物打印的廣泛使用方面，生物安全性、免疫原性和不斷上升的成本正日益受到關(guān)注。盡管如此，3D 打印模型無法同時(shí)滿足合適的生物材料、生物相容性及機(jī)械性能三者并駕齊驅(qū)，也就是說，目前的打印技術(shù)除了生物材料與細(xì)胞相融合的打印技術(shù)相對(duì)成熟之外，體外環(huán)境難以模擬細(xì)胞外基質(zhì)，組織支架的打印模型還不能實(shí)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的良好交換，目前的3D 打印技術(shù)還達(dá)不到將人體精密又復(fù)雜的構(gòu)造完全仿生的水平。除此之外，限制3D 打印的另一個(gè)重要因素是打印材料價(jià)格昂貴，這限制了3D 生物打印可開發(fā)生物材料的范圍。材料在組織支架生物打印中發(fā)揮著核心作用，大多數(shù)材料無法滿足植入生物材料的特性，從而導(dǎo)致打印材料成本高昂，給患者及醫(yī)療主體造成巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，打擊了研究者的積極性，影響其發(fā)展的前景。這也是3D 打印技術(shù)要應(yīng)用于復(fù)雜脊柱畸形中才能最大價(jià)值地發(fā)揮其經(jīng)濟(jì)效益，在普通病例中應(yīng)用該技術(shù)難以做到資源最大化的利用，所以開發(fā)新型材料以克服現(xiàn)有材料所面臨的局限性是當(dāng)務(wù)之急。如果這些局限性問題能得以解決，3D 打印技術(shù)的應(yīng)用前景將會(huì)邁上更高的臺(tái)階。