骨骼修復(fù)與組織再造在高校研究與教學(xué)中的創(chuàng)新應(yīng)用

任茗鑠 韓杼彤 趙琪 何華雨 胡天曉

【摘? 要】 隨著骨骼標(biāo)本以及各臟器標(biāo)本資源短缺、來源單一的問題日益凸顯，“骨骼修復(fù)”正逐漸從實驗室和醫(yī)院走向各大醫(yī)科類高校，成為當(dāng)前學(xué)生和教師的研究熱點之一。根據(jù)齊齊哈爾醫(yī)學(xué)院現(xiàn)有骨庫的情況，并借鑒一些教師的經(jīng)驗，研究團隊購買了超輕黏土、油泥、砂紙、顏料、膠水等材料，修復(fù)了一批破損的骨骼，結(jié)合3D打印修復(fù)技術(shù)，對這些骨骼標(biāo)本進行標(biāo)記，并添加了肌肉、神經(jīng)等組織，將其加工成可供展示和教學(xué)使用的教具。期望通過這種再利用方式，充分利用學(xué)校現(xiàn)有的骨庫資源，并借助這些形象的教具幫助學(xué)生更好地學(xué)習(xí)相關(guān)知識。同時，也希望能激發(fā)學(xué)生對骨骼修復(fù)與制作的興趣，讓他們參與其中。

【關(guān)鍵詞】 骨骼修復(fù)與組織再造；標(biāo)本；教具；3D打印

隨著科學(xué)的進步，醫(yī)療水平也在不斷提高，曾經(jīng)看似困難的“骨骼修復(fù)”如今已成為醫(yī)療領(lǐng)域的研究熱點。人體骨骼標(biāo)本已成為國內(nèi)各大醫(yī)學(xué)院校教學(xué)研究中必不可少的一部分，一副好的標(biāo)本模型能讓學(xué)生直觀地感受人體構(gòu)造的奧秘，從而激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生將抽象的知識具體化。因此，如何利用已有的骨骼標(biāo)本并通過創(chuàng)新的思維與技術(shù)對其進行修復(fù)，制作成教學(xué)模型用于實踐教學(xué)與展覽，成為各醫(yī)學(xué)院校面臨的重要問題。

一、骨骼修復(fù)的主要內(nèi)容與創(chuàng)新點

齊齊哈爾醫(yī)學(xué)院擁有數(shù)量眾多的骨骼標(biāo)本，利用3D打印技術(shù)結(jié)合手工修復(fù)的方式可以將其修復(fù)成型，用于臨床研究與教學(xué)實踐。其中，上頜骨、下頜骨、舌骨、顴骨等面顱骨，相較于人體其他部位的骨骼，如肱骨、股骨等，面顱骨體積較小，形態(tài)不規(guī)則，骨壁厚薄不均，易損傷，同時也不易保存。因此，在修復(fù)過程中首次加入了3D打印技術(shù)。修復(fù)完畢后，這些顱、頜面骨骼對剛接觸解剖學(xué)的臨床醫(yī)學(xué)生具有極大的引導(dǎo)作用。

（一）骨骼修復(fù)主要內(nèi)容與實際意義

骨骼修復(fù)涉及的不僅僅是骨骼本身，還包括骨骼上附著的肌肉、神經(jīng)等組織，因此對相關(guān)解剖學(xué)知識進行學(xué)習(xí)和理解有助于修復(fù)過程的推進和修復(fù)質(zhì)量的提高。本研究小組采購了類似陶泥、超輕黏土、油泥等材料并結(jié)合3D打印修復(fù)技術(shù)，用于修復(fù)骨骼破損部位，通過不斷嘗試進一步完善骨的修復(fù)。在修復(fù)中期，利用實驗室開放等形式吸引更多的學(xué)生加入骨骼修復(fù)的隊伍，并將已完成的骨骼模型進行展出，供學(xué)生參考，從而制作出更多不同類型的標(biāo)本。修復(fù)后期，將修復(fù)完成的骨骼標(biāo)本交給專業(yè)的解剖教研室工作人員進行認(rèn)定，指出錯誤與不足，并針對模型中存在的問題進行進一步優(yōu)化和完善。最終，制作較精美、修復(fù)程度較高的幾套模型將被推薦給校內(nèi)的教師，幫助他們應(yīng)用到日常教學(xué)與臨床研究中。同時，這些模型也會提供給齊齊哈爾醫(yī)學(xué)院形態(tài)學(xué)展館進行展出，既補充了展館的標(biāo)本資源，又讓學(xué)生參觀到更加豐富的骨骼標(biāo)本。

（二）骨骼修復(fù)實施方法與材料

骨骼修復(fù)需要陶泥、油泥、超輕黏土、彩色顏料等。謝麟祥在《修復(fù)骨標(biāo)本的簡易方法》中指出可以使用滑石粉或石膏粉，砂紙、剪刀、白乳膠（聚醋酸乙烯乳液）、光油、清漆、松節(jié)水、無水酒精、蟲膠漆等給顱各骨涂上不同顏色，將滑石粉或石膏粉加上白乳膠（聚醋酸乙烯乳液）調(diào)成糊狀，再將砂紙剪成小塊浸入糊狀物濕透進行修補，待干后再涂上顏色。為了美觀，可用手指蘸肥皂水將修補表面磨光滑。中南大學(xué)醫(yī)學(xué)形態(tài)學(xué)實驗中心也曾用膠粘劑、滑石粉、棉花、毛邊紙、細(xì)鐵絲、骨粉等材料進行破損骨的修復(fù)。

首先，對顱骨、四肢長骨、軀干椎骨等骨骼，若僅是骨表面破損或出現(xiàn)了空洞，可選擇使用油泥將其破損部位填補完整并用手按壓牢固；若按壓過程中出現(xiàn)反復(fù)脫落的情況，則使用膠水將油泥塊固定在骨表面。其次，填補完成后，放置24小時待其干燥。用紅藍(lán)兩種顏色的顏料在骨骼表面分別標(biāo)記肌肉的起點和止點；數(shù)小時后待顏料干燥，使用不同顏色的油泥在對應(yīng)的位置捏造出肌肉的形狀，以此更加直觀地展現(xiàn)肌肉的走行。再次，對破損較大的骨骼，如斷裂的肋骨，后期使用3D打印的方式，對骨標(biāo)本進行掃描和數(shù)字三維重建，用玉米淀粉打印成型。胡建光等在《介紹一種破損骨標(biāo)本的修復(fù)方法》中提到可使用以下兩種方法進行修復(fù)：1. 肋骨只是斷脫，無崩裂掉塊丟失，直接用膠粘劑涂在兩斷端口，原位對接斷端，并用雙手稍用力對壓，然后平放讓其干固。2. 在斷脫處有骨塊崩裂丟失，在兩段肋骨的斷口，用兩根長短相當(dāng)?shù)募?xì)鐵絲，兩端分別插入兩斷肋的對接斷口，使兩段肋用細(xì)鐵絲連接，將備用修補泥包埋外露的細(xì)鐵絲并填充其缺損，壓擠成肋該處的大小和形態(tài)，撒上骨粉待其干固。最后，骨之間與關(guān)節(jié)之間的連接，可用電鉆在相鄰骨及關(guān)節(jié)的連接部位打上小孔，使用細(xì)鐵絲將骨骼穿連在一起并進行捆綁固定，便于成套骨架的連接。

使用陶泥填補的骨骼標(biāo)本若保存不妥，放置時間長了會發(fā)生干裂、脫落等情況，尚未修復(fù)的標(biāo)本保存不妥也易發(fā)生反油、變黃、發(fā)霉、穿連鉛絲斷裂和骨塊散落等情況。王愛紅等在《骨骼標(biāo)本的修復(fù)方法》中總結(jié)：當(dāng)骨骼標(biāo)本散落時，大型骨骼標(biāo)本在關(guān)節(jié)處都鉆有小孔，可重新取合適的鋼絲連接起來。對體積較小的骨骼，散落部分可用黏結(jié)劑直接粘連起來。當(dāng)標(biāo)本反油、發(fā)霉，由于原先骨骼標(biāo)本脫脂不夠徹底，可以取一份氨水加三份水配置成脫脂液，將標(biāo)本浸泡36—48小時，對比較粗大的骨骼，脫脂液可配的濃些，浸泡時間可加長。如遇標(biāo)本發(fā)黃，可重新漂白，將標(biāo)本放入體積分?jǐn)?shù)為25%的雙氧水中浸泡48小時左右即可。當(dāng)骨骼呈乳白色、各個部位顏色很均勻，漂白工作即完成，注意時間不宜過久，以免骨骼分離甚至粉碎。

對修復(fù)好的骨骼進行大致拼接，觀察缺失部分，根據(jù)人體骨中段外部輪廓結(jié)構(gòu)和骨骼的內(nèi)部孔隙，建立人工骨骼支架三維模型并轉(zhuǎn)換為3D打印數(shù)據(jù)。由于人體骨骼存在個體差異性大的特點，因此選擇合適的修復(fù)材料至關(guān)重要。目前臨床上應(yīng)用最多的修復(fù)材料包括鈦金屬材料和PEEK材料兩種。鈦金屬由于具有良好的生物相容性和延展性，在顱骨和眶骨的修復(fù)上得到了廣泛應(yīng)用。

（三）骨骼修復(fù)方法與技術(shù)創(chuàng)新

修復(fù)方面，為節(jié)約學(xué)校購置標(biāo)本和材料的開支，并貼合學(xué)校教學(xué)和科研實際，本研究團隊以齊齊哈爾醫(yī)學(xué)院現(xiàn)有骨庫資源為主要標(biāo)本來源，從中選取破損的股骨、脛骨、頭骨等作為修復(fù)對象，購置如陶泥、油泥、彩色顏料、砂紙等材料，先使用陶泥和油泥來填補修復(fù)破損骨骼，并捏造出原本附著在骨骼表面的肌肉、動靜脈血管以及神經(jīng)，盡可能還原骨骼原貌。求取缺損部分模型，根據(jù)人體骨中段外部輪廓結(jié)構(gòu)和骨骼的內(nèi)部孔隙，建立人工骨骼支架三維模型并轉(zhuǎn)換為3D打印數(shù)據(jù)。本小組所使用的修復(fù)材料簡單易獲取，具有經(jīng)濟高效的特點，填補了國內(nèi)高校在此方面的技術(shù)空白。

應(yīng)用方面，骨骼標(biāo)本本身具有極大的利用和研究價值，修復(fù)完成后不應(yīng)當(dāng)繼續(xù)被擱置，而要投入實際應(yīng)用中。本研究團隊將修復(fù)完成后的骨骼與高校教學(xué)和科研緊密結(jié)合，不僅將其提供給教師，投入日常的解剖學(xué)課程使用中，同時還將這些標(biāo)本作為展品在齊齊哈爾醫(yī)學(xué)院生命科學(xué)館進行展出，供校內(nèi)外人員進行參觀學(xué)習(xí)，進一步了解和領(lǐng)略人體骨骼的奧秘與骨骼修復(fù)的成果。

（四）骨骼修復(fù)意義

首先，制作骨骼模型是一個不斷思考再創(chuàng)造的過程，在這一過程中學(xué)生的思維靈感能夠得到極大地激發(fā)，有助于提高學(xué)生解決問題的能力以及思維的多樣性。作為臨床醫(yī)學(xué)學(xué)生，實踐操作能力在今后的臨床工作中尤為重要。骨骼修復(fù)過程極大地鍛煉了學(xué)生的動手實踐能力，為不久后的臨床實習(xí)打下基礎(chǔ)。學(xué)生在制作模型的過程中需要不斷地翻閱書籍，查找相關(guān)的專業(yè)材料，這一過程能夠使學(xué)生對相關(guān)專業(yè)知識進行鞏固、達(dá)到進一步理解的效果，并了解到更多關(guān)于3D打印的相關(guān)知識，將醫(yī)學(xué)與科技時代的技術(shù)產(chǎn)物相結(jié)合，促其發(fā)展。其次，骨骼修復(fù)全過程需要學(xué)生之間，師生之間進行不斷的交流與討論，有利于加強學(xué)生之間的友誼、促進師生關(guān)系。再次，骨骼修復(fù)還能夠做到物盡其用、經(jīng)濟高效地緩解解剖標(biāo)本缺乏的難題。最后，因為所有的骨骼標(biāo)本都來自無聲的大體老師們，通過修復(fù)這些大體標(biāo)本也表達(dá)了學(xué)生對捐獻遺體的大體老師們大愛無私的敬意，也是敬畏生命的體現(xiàn)。

二、研究成果與分析

本研究團隊已成功利用油泥、超輕黏土、白乳膠（聚醋酸乙烯乳液）等材料，結(jié)合3D打印技術(shù)完成了頜面部骨、肱骨、肋骨、股骨、脛骨以及腓骨等因放置時間過久而風(fēng)化的破損部的修復(fù)。使用油泥充填骨破損部位并擠壓成骨原來的形狀，利用3D打印技術(shù)還原骨的精細(xì)結(jié)構(gòu)，并用彩色顏料重新展現(xiàn)原本的肌肉、韌帶、神經(jīng)、血管等，使齊齊哈爾醫(yī)學(xué)院生命科學(xué)館的標(biāo)本以及教學(xué)用具得以一定程度上的補充。此方法的優(yōu)勢在于修補材料易獲得、成本投入少、操作簡單易上手。此外，通過不同顏色的顏料可以更直觀地展示出貼骨處的肌肉、韌帶、神經(jīng)、血管的部位，有助于加深學(xué)生對這些部位的記憶。同時，在實驗室開放中，學(xué)生的參與可以培養(yǎng)動手實踐能力，增強學(xué)生的團隊意識，提升學(xué)生對解剖學(xué)的興趣。

此修復(fù)方法還存在一些弊端。首先，填補修復(fù)材料如陶泥、油泥等受環(huán)境因素影響較大，單純使用手部進行按壓固定在后期容易造成脫落以及干裂。其次，由于骨骼表面并非十分光滑平坦，在手工捏造肌肉形狀時容易產(chǎn)生形變與位置偏差。再次，在關(guān)節(jié)部位的連接上，主要用金屬或其他材料來固定，連接處容易損壞，制作和修復(fù)工作比較煩瑣。由于缺少關(guān)節(jié)囊和韌帶，不能充分顯示骨聯(lián)結(jié)的整體觀。最后，干骨標(biāo)本中，長骨骨骼表面骨密質(zhì)極薄，在使用過程中極易破損，致使骨松質(zhì)外露，骨骼端許多結(jié)構(gòu)部分或全部脫落。由于長骨的諸多結(jié)構(gòu)（骨性標(biāo)志）都集中在兩端，骨骼破損后其標(biāo)本價值大打折扣，以致學(xué)生在使用過程中不能觀察到骨標(biāo)本的正常形態(tài)結(jié)構(gòu)。這一點在一開始的修復(fù)過程中并沒有被考慮到，有可能會對后續(xù)的修復(fù)產(chǎn)生影響。

三、研究成果的延續(xù)及應(yīng)用

骨骼修復(fù)這一技術(shù)目前更多地被專業(yè)科研及技術(shù)人員使用，很少走進高校，貼近高校學(xué)生，普及范圍十分有限；同時，破損骨骼修復(fù)完畢后利用價值十分有限，除了醫(yī)療領(lǐng)域的利用外常常只能用于標(biāo)本展示，在高校中的利用價值尚未挖掘，針對此現(xiàn)狀本研究團隊提出了以下幾點思考。

修復(fù)技術(shù)與方法及時與高校教學(xué)研究相結(jié)合。目前本研究團隊主要進行較基礎(chǔ)的修復(fù)，側(cè)重于骨骼本身及肌肉的還原。高校的教學(xué)內(nèi)容與形式會不斷發(fā)展改進，而骨骼修復(fù)的技術(shù)也應(yīng)當(dāng)與此相適應(yīng)，如增加更多神經(jīng)、血管等細(xì)節(jié)的復(fù)原，不斷探索更為經(jīng)濟、修復(fù)效果更好的材料，制作成套的骨架等。

重視實驗室開放項目。實驗室開放是一個很好的將此項技術(shù)以及已完成的模型展示、分享給更多學(xué)生的機會。課余時間可以被充分利用，以“骨骼修復(fù)與再利用”為主題，吸引更多對此感興趣的學(xué)生加入其中，為他們介紹本團隊所做骨骼修復(fù)的內(nèi)容、思路與意義，將骨骼修復(fù)與模型制作過程中遇到的問題與相應(yīng)的解決方法分享給他們，讓學(xué)生能夠更容易地接受這項技術(shù)、能夠更快地加入修復(fù)與制作的行列中來，使骨骼修復(fù)的技術(shù)與成果能夠得以延續(xù)與傳承。

與教師和學(xué)校生命科學(xué)館做好交接配合。最后完成的模型實際上可以分為兩大類，一類可供教學(xué)使用，另一類可作為展品進行展出。團隊成員需要盡力與教師和展館負(fù)責(zé)人進行溝通與配合，通過教師的日常教學(xué)使用、臨床研究以及展館對外宣傳的能力，使這項成果能夠被更多的人所看見，也能讓這項技術(shù)被更多人所了解。

嘗試與校外的機構(gòu)進行合作。本研究團隊將骨骼修復(fù)在高校中進一步創(chuàng)新與應(yīng)用的初衷就是要充分利用校內(nèi)現(xiàn)有的骨庫資源，物盡其用，讓這些靜置已久的骨骼標(biāo)本能重新發(fā)揮價值。因此，學(xué)?？梢耘c校外的機構(gòu)進行合作，將完成度較高、制作較精美的模型租借出去實現(xiàn)科普宣傳或臨床研究等目的，讓這些模型能夠發(fā)揮更大的價值。

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