三維打印技術(shù)在脊柱外科的研究與應(yīng)用

禤天航，曹正霖，王剛

(1.廣州中醫(yī)藥大學附屬佛山市中醫(yī)院脊柱外科，廣東佛山528000；2.廣州中醫(yī)藥大學，廣東廣州510006)

三維打印技術(shù)在脊柱外科的研究與應(yīng)用

禤天航，曹正霖，王剛

(1.廣州中醫(yī)藥大學附屬佛山市中醫(yī)院脊柱外科，廣東佛山528000；2.廣州中醫(yī)藥大學，廣東廣州510006)

三維打印技術(shù)是21世紀產(chǎn)生的新技術(shù)，已逐步應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域，與過往的二維打印技術(shù)不同，其采用層層堆積的方法“打印”出三維立體成品，打印物具有精度高、匹配度好等特點。目前該技術(shù)在脊柱外科主要應(yīng)用于術(shù)前導航模板的制定、手術(shù)植入物的研究和醫(yī)療教學等方面。本文總結(jié)了三維打印技術(shù)在脊柱外科的研究與應(yīng)用進展，并指出其不足之處及未來發(fā)展前景。

三維打印技術(shù)；快速成型技術(shù)；脊柱外科；研究進展

doi∶10.3969/j.issn.1003-6350.2015.12.0646

三維打印技術(shù)是根據(jù)快速成型技術(shù)原理，輸入相關(guān)信息進入電腦，用CAD制作出三維模型，將模型資料通過STL格式輸進三維打印機，并應(yīng)用相關(guān)金屬、高分子材料、甚至生物細胞作為“墨盒”，通過逐層打印產(chǎn)生各種三維實物。這些實物有的可以指導手術(shù)及教學，有的可以直接植入體內(nèi)使用，早在20世紀80年代，Charles Hull已經(jīng)制造出三維打印機，而目前國內(nèi)外應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域還處于起步狀態(tài)。雖然在脊柱外科領(lǐng)域的研究引起人們廣泛關(guān)注，但臨床上實際應(yīng)用缺乏廣泛的報道。本文就國內(nèi)外三維打印技術(shù)在脊柱外科方面的研究及應(yīng)用綜述如下：

1 三維打印脊柱模型及導航模板

現(xiàn)時越來越多醫(yī)生通過三維打印技術(shù)制造術(shù)前術(shù)中導航模板，其原理是術(shù)前通過CT掃描患者資料并保存為DICOM格式導入Mimics程序軟件中，在電腦中完成三維模型并模擬手術(shù)，建立帶有進針導向孔的模板，之后輸出STL格式并進行三維打印。目前主要應(yīng)用較多的是顱頸交界、上頸椎、上胸椎、脊柱側(cè)彎、腫瘤的手術(shù)，臨床上因為這些區(qū)域較復(fù)雜，手術(shù)風險、難度大，通過三維打印模板來指導手術(shù)會大大增加其安全性。在顱頸交界方面的手術(shù)中，若病灶區(qū)的生理解剖學上有變異常常難以處理[1]，有學者[2-3]在置入枕骨髁螺釘時采用個體化三維打印技術(shù)指導手術(shù)，取得不錯的效果，同時他們認為改用FDM技術(shù)替代光固化成型技術(shù)可獲得更高的精確性與更低的成本。而寰樞椎脫位在臨床上非常常見，復(fù)雜的寰樞椎脫位對于脊柱外科醫(yī)生來說相當棘手，因為C1、C2之間通過各種韌帶構(gòu)成三維關(guān)節(jié)復(fù)合體[4]。在術(shù)前通過常規(guī)的影像學不容易全面觀察術(shù)區(qū)病灶情況，同時在術(shù)中通過G臂或者C臂定位對上頸椎周圍組織結(jié)構(gòu)也難以準確的知道，醫(yī)生通過結(jié)合三維打印技術(shù)可以有效地彌補這一缺陷。相關(guān)國內(nèi)外學者也先后報道了他們的應(yīng)用情況，Kawaguchi等[5]在進行后路寰樞椎融合固定手術(shù)時術(shù)前通過模板設(shè)計釘?shù)溃宄私庑g(shù)區(qū)情況，手術(shù)置釘準確無誤。國內(nèi)章凱等[6]學者術(shù)前把三維導航模型打印出來，指導術(shù)中行寰樞脫位TARP鋼板固定術(shù)，手術(shù)風險大大下降，其指導作用值得肯定。在頸椎前路手術(shù)方面，該入路對肌肉剝離小，能充分直接減壓，往往加前路釘板加Cage或者植骨均能取得相當理想的效果。若患者三柱損傷，前路手術(shù)后也可能造成脊柱的不穩(wěn)，使我們不得不行前后路聯(lián)合手術(shù)，但是手術(shù)時間偏長及出血量偏多對眾多醫(yī)師的身心來說是一大考驗。目前人們把眼光放向前路椎弓根螺釘，其集中了前后路手術(shù)的優(yōu)點，臨床上值得推廣，但其進針點及釘?shù)缹τ诔鯇W的醫(yī)生比較困難，而三維打印技術(shù)再一次發(fā)揮它的優(yōu)勢。付茂慶[7]術(shù)前用Geomagic以及UG軟件建立自帶模擬釘?shù)赖念i椎3D模板，并用RP技術(shù)打印出來指導前路置釘，其準確率高達91.7%。在上胸椎研究當中，其椎弓根狹小、節(jié)段變異較大，偶伴椎體旋轉(zhuǎn)，出血量偏多[8]等特點使得手術(shù)難度較腰椎高，其危險性不言而喻。所以術(shù)前詳細的規(guī)劃對手術(shù)順利進行大有幫助，Sugawara等[9]嘗試用三維打印模型指導置入椎弓根釘58枚，椎弓根皮質(zhì)均未有破裂。在脊柱腫瘤方面，尤其是頸椎脊髓瘤，臨床上偶有因手術(shù)方位不清而致手術(shù)失敗的臨床報道，故如何保證安全準確完整地切除，一直是脊柱外科的難題。馬立敏等[10]對兩例多節(jié)段頸椎脊索瘤患者通過三維打印機打印出1∶1三維病變椎體，用以便指導術(shù)前術(shù)中腫瘤的切除及置釘以維持穩(wěn)定。他們也認為目前三維打印主要用于打印骨骼模板，而打印腫瘤等軟組織模板還存在技術(shù)上的缺陷。所以，綜上所述，三維打印導航模板在脊柱外科的應(yīng)用還是比較廣泛的，也已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗，有助于更好指導手術(shù)的進行。

2 三維打印植入材料及外固定物

目前國內(nèi)外報道三維打印直接用在患者身上的主要有兩種：（1）三維打印的內(nèi)植入物；(2)三維打印的外固定材料。有學者[11]認為骨內(nèi)植入物剛度過高會產(chǎn)生應(yīng)力遮擋，自體骨與原松質(zhì)骨得不到合適的力學刺激，從而引起植入物的松動；而剛度過低又會使植入物斷裂，欠缺力學強度。利用三維打印技術(shù)能通過不同人的骨模量去產(chǎn)生個體化植入物，各種生物力學均與人體相近。而三維打印內(nèi)植入物在脊柱醫(yī)療領(lǐng)域主要是人工骨組織及三維肌性復(fù)合組織，特別是我們在行椎體、錐板等切除時往往對本體骨組織進行一定程度的破壞，造成骨缺損導致不穩(wěn)，所以其有著廣闊的市場前景與傳統(tǒng)技術(shù)不可比擬的技術(shù)優(yōu)勢：第一，缺損的骨骼可通過三維打印機準確制造，準確植入缺損病灶處；第二，打印的骨頭與自身的骨頭有著非常相似的生物特性，有效避免了過往手術(shù)因植入物生物特性差異帶來的手術(shù)失敗及并發(fā)癥的出現(xiàn)，例如植入物的沉降、塌陷甚至臨近節(jié)段的退變；第三，這種人工骨組織有著豐富的孔隙，自體骨能有效地通過孔隙與打印骨牢固生長結(jié)合，其康復(fù)時間可大大縮短，而打印的人工骨頭能否真的通過這一方式應(yīng)用于臨床則引起廣泛的關(guān)注。北京三院劉忠軍教授等[12]率先嘗試在已經(jīng)簽了知情同意書的頸椎患者體內(nèi)植入直接打印出的人工骨骼，取得不錯的效果。但是，目前該項技術(shù)國內(nèi)外臨床上相關(guān)報道極少，因其還處于臨床觀察期，涉及眾多的技術(shù)難題，例如如何準確打印出不同患者的個體化硬度、密度的骨質(zhì)都存在研究難度，所以要大范圍推廣該項技術(shù)，任重而道遠。而在治療脊柱等全身骨性組織感染結(jié)核時，三維打印的載藥人工骨頭正逐步完成動物實驗，該技術(shù)準確而快速制造各種控釋型載藥人工骨。有學者[13-14]已經(jīng)對這種骨頭進行了溶血試驗、熱源試驗、皮膚刺激試驗、毒性試驗等一系列試驗以證實其安全性、有效性及生物相容性，為應(yīng)用于臨床上提供了可靠的生物學依據(jù)。與此同時，脊柱的骨質(zhì)缺損修復(fù)重建問題也是人們討論的熱點之一，隨著生物工程技術(shù)的發(fā)展，逐步出現(xiàn)一些性質(zhì)跟人體骨質(zhì)相似的生物學材料，其中磷酸鈣生物陶瓷材料[15-16]是人們較早研究的，它可以模擬人體骨組織結(jié)構(gòu)，適合細胞及骨組織生長。有報道[17]近來人們在研究一種三維打印雙管道聚乳酸/β-磷酸三鈣生物陶瓷復(fù)合材料支架，這種支架生物力學強度良好，具有可控的多孔結(jié)構(gòu)，能有效應(yīng)用于骨缺損。同時也有學者[18-19]嘗試用多孔鈦作為金屬材料骨骼進行骨缺損移植，因其彈性模量與人體相似、生物相容性良好，且耐腐蝕耐磨損，目前已經(jīng)逐步完成各種物理學及生物學性能的測試。而把正常的骨細胞混合在打印的骨骼中進行體內(nèi)移植則是另一種新理念。植入體內(nèi)后骨細胞可繼續(xù)生長，其他成分被人體吸收，雖然還在試驗期，但其在未來脊柱修復(fù)與重建中很有研究前景的。而肌肉的打印也進入了研究者們的視線，Trojani等[20]利用不同的細胞制成“墨盒”，打印出三維肌性復(fù)合組織，并保持體內(nèi)外的生長能力，這對脊柱的重建修復(fù)穩(wěn)定性有一定的啟示。而脊柱手術(shù)區(qū)血管的修復(fù)重建也有學者正在研究。Boland等[21]成功將牛的血管內(nèi)皮細胞和藻酸鹽水凝膠作為“墨盒”，打印出活性不錯的微脈管結(jié)構(gòu)三維復(fù)合物，成功對血管進行重建。而三維打印個體化的鋼板等內(nèi)固定物曾有國內(nèi)外學者設(shè)想過，但其工藝及技術(shù)更難，暫時還沒有相關(guān)報道。

直接打印的外固定支架便是人們對三維打印技術(shù)的另一種應(yīng)用，這種三維打印的固定支架輕便、舒適、合身，具有多個透氣孔，對目前密不透風的外固定物（如石膏，腰部支具等）是一種很大的改進。JAKE EVILL等設(shè)計由聚酰胺組成三維打印出的各種Cortex骨折康復(fù)支架，這種支架有仿生骨骼網(wǎng)狀形態(tài)，生產(chǎn)迅速，成本不高[22]。雖然目前設(shè)計主要以四肢骨折關(guān)節(jié)為主，但其設(shè)計理念也應(yīng)用于腰椎內(nèi)固定術(shù)后、腰椎保守骨折功能鍛煉，相信很快也有相關(guān)的產(chǎn)品，估計同時也有不俗的效果。

3 三維解剖教學

在解剖教學方面，對于初學者來說使用傳統(tǒng)的課本及多媒體教學往往比較困難，其二維性不能全面完整展示人體器官，而使用塑膠模型難以獲得1：1和真實感，同時使用尸體作為教學涉及眾多倫理及防腐劑影響健康等問題。所以，三維打印在這方面有很大的發(fā)展空間，國外有報道[23]已經(jīng)有醫(yī)學院校投入使用。而在臨床上脊柱外科教學方面，低年資的醫(yī)生往往對復(fù)雜的顱頸交界上頸椎區(qū)各種分布結(jié)構(gòu)熟悉度有限，且難以在術(shù)中找到置釘、進針點，因此，通過三維打印技術(shù)能立體地展示各種結(jié)構(gòu)，能讓他們清楚看清術(shù)區(qū)內(nèi)固定物與神經(jīng)血管等毗鄰關(guān)系，模擬進針點、釘?shù)?、進針角度，這些對年輕的醫(yī)生都大有裨益，而且使用三維打印成本較低，根據(jù)變異、不同病種資料打印相關(guān)模型進行教學，對年輕醫(yī)生處理疑難病例能力的提高有巨大的幫助。

4 三維打印技術(shù)的不足與展望

三維打印技術(shù)雖然有著各種各樣的優(yōu)點，也受到國內(nèi)外學者的熱烈關(guān)注。但是，就目前的技術(shù)水平，其發(fā)展仍處于頸瓶期。(1)“墨水”的材料問題是制約其發(fā)展的因素，目前應(yīng)用在脊柱外科主要是以三維打印導航模板輔助手術(shù)為主，往往其骨骼組織相對較易研制，但腫瘤，神經(jīng)血管等軟組織打印仍然較困難[10]，而直接植入物中如何找到合適的能基本與人體一致的材料，是一項艱巨的任務(wù)。雖然國內(nèi)外學者已有報道相關(guān)三維打印植入物試驗及臨床應(yīng)用，但這些都僅僅在測試水平，臨床上案例也只是個別報道，而人體組織的復(fù)雜性對不同的材料也有嚴格的要求，如何保證植入物各種性質(zhì)均達到人體要求水平，仍有待不斷研究。(2)“打印機”的研制。就現(xiàn)在的技術(shù)還比較難控制逐層打印時的精度及速度，而且不同材料混合打印往往難以完整打印出目標“產(chǎn)品”，同時，如何研制可以廣泛打印不同材料的打印機，也是該項技術(shù)的停滯的原因。(3)三維打印成品如何在人體內(nèi)“成活”，與正常組織和諧生長同樣是值得考究的問題。(4)如何使影響學資料準確轉(zhuǎn)化成實體模型或植入物同樣是值得關(guān)注的問題，有學者[24]認為目前醫(yī)療上三維打印更多的依賴CT及MRI，若這些資料分辨率較低可能影響生產(chǎn)三維打印的精度。

即便如此，三維打印技術(shù)在脊柱外科乃至整個醫(yī)療界仍有著光明的未來，隨著技術(shù)的不斷提高，研發(fā)力度的加大，三維打印機將能個體化三維打印骨性、肌肉、血管等組織，與此同時，直接打印定制的內(nèi)固定物也使手術(shù)更加快捷、安全。而協(xié)同著數(shù)字化骨科技術(shù)、克隆技術(shù)、手術(shù)機器人技術(shù)的發(fā)展，脊柱外科的重建修復(fù)研究將更上一個臺階，也會讓更多的患者享受到這一項技術(shù)成果。

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∶2014-10-28)

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