3D打印技術(shù)在脊柱個體化手術(shù)中的應用進展

余定華，李科，廖世亮

(重慶市江北區(qū)中醫(yī)院骨傷一科，重慶 400020)

3D打印技術(shù)出現(xiàn)于20世紀80年代，又被稱作增材制造[1]。隨著現(xiàn)代材料與計算機科學的不斷發(fā)展，3D技術(shù)在心血管內(nèi)科、骨科、頜面外科等醫(yī)學領(lǐng)域的使用越來越廣泛，并成為當今臨床醫(yī)學的研究重點與熱點[2]。3D打印技術(shù)以基礎(chǔ)影像學數(shù)據(jù)為素材，借助醫(yī)學圖像處理技術(shù)建立模型，并經(jīng)逆向工程技術(shù)軟件實施三維模型重建，在計算機軟件輔助下實施個性化設(shè)計并重建模型，隨后將數(shù)據(jù)錄入帶有計算機輔助制造軟件的3D打印機，經(jīng)過可黏合材料的逐層堆積形成具有高精密性、快速成型、個體化等特點的三維實體，目前，此技術(shù)已在臨床得到應用[3-5]。

脊柱解剖結(jié)構(gòu)復雜，毗鄰重要血管、神經(jīng)，故脊柱外科手術(shù)耗時長，且術(shù)中需反復透視，對操作者臨床素養(yǎng)與手術(shù)經(jīng)驗的要求較高。目前，制訂有效且合理的個體化手術(shù)方案、提高手術(shù)準確性與安全性、幫助簡化手術(shù)流程、降低醫(yī)護工作者術(shù)中的放射損傷是我國脊柱外科領(lǐng)域需要解決的難題[6-7]。隨著醫(yī)學影像學、計算機、數(shù)字化骨科等技術(shù)的飛速發(fā)展，利用3D打印技術(shù)在疾病早期診斷、制訂手術(shù)方案、模擬手術(shù)、定植支具、定制內(nèi)置物、術(shù)中導航等方面具有很大的優(yōu)勢和應用前景[8-10]?，F(xiàn)就3D打印技術(shù)在脊柱個體化手術(shù)中的應用進展予以綜述。

1 3D打印技術(shù)概述

3D打印技術(shù)是以物體三維數(shù)字模型為基礎(chǔ)的快速成型技術(shù)，該技術(shù)利用計算機控制分層加工、逐層疊加制造所需物體。在產(chǎn)品成形中，與傳統(tǒng)減材制造技術(shù)相比，3D打印技術(shù)不需要使用模具，只需根據(jù)導入計算機的計算機輔助設(shè)計圖形制作所需成品，可大大節(jié)省產(chǎn)品制造原料，并可顯著縮短產(chǎn)品制作周期，提高產(chǎn)品制造效率，降低產(chǎn)品制作成本。利用3D打印技術(shù)能夠制造出計算機輔助設(shè)計圖形分辨率與3D打印機精度允許范圍內(nèi)的所有形態(tài)復雜物體，目前主要用于教育、醫(yī)療、土木工程等領(lǐng)域。

近30多年來，3D打印技術(shù)在原材料、打印精度、打印速度等多方面得到了不斷發(fā)展。3D打印技術(shù)的三維數(shù)據(jù)信息主要經(jīng)計算機建模獲得，使用粉末狀可黏合材料(塑料、金屬等)逐層打印獲得快速、精準的構(gòu)造實體模型[11]。近年來，3D打印技術(shù)的應用范圍日趨廣泛，已應用于電子、醫(yī)療、航天航空等領(lǐng)域[12]。隨著3D打印技術(shù)相關(guān)研究的不斷深入，3D打印機的制造成本逐漸降低，器械性能不斷提高，3D打印技術(shù)作為工業(yè)4.0代表之一，在醫(yī)學領(lǐng)域的應用價值逐漸受到關(guān)注。

2 3D打印技術(shù)在脊柱外科的應用

脊柱解剖結(jié)構(gòu)復雜，椎管內(nèi)有脊髓、神經(jīng)、血管走形，手術(shù)操作風險較大[13]。由于術(shù)前無法準確評估病灶位置及其與周圍臟器、血管的位置關(guān)系，限制了傳統(tǒng)脊柱外科手術(shù)的適應證，且手術(shù)風險較高，部分患者還存在手術(shù)禁區(qū)[14]。隨著3D打印技術(shù)的出現(xiàn)與應用，外科手術(shù)醫(yī)療模型，如Peek、人工椎體等個體化內(nèi)置物逐漸用于脊柱外科手術(shù)，對實現(xiàn)脊柱外科手術(shù)精細化與個體化過程具有積極的指導作用，使脊柱外科手術(shù)技術(shù)得到重大的突破性進展[15]。

3D打印技術(shù)具有前瞻性，且精準度更高，三維仿真模型的建立使手術(shù)操作者可以獲得大量常規(guī)影像學檢查無法獲得的信息，可直觀顯示病變的結(jié)構(gòu)范圍，全面了解手術(shù)部位及其周圍組織的細節(jié)可大大降低誤診率，有助于準確地診斷疾病；操作者還可經(jīng)三維模型構(gòu)建進行術(shù)前評估與診斷，選擇更理想的手術(shù)路徑，確定精確的手術(shù)部位，制訂更具個體化的手術(shù)方案，大大降低手術(shù)風險。通過構(gòu)建三維模型還可向家屬與患者講解手術(shù)過程，從而更利于患者和家屬充分了解自身病情與治療方案，消除其疑慮，提高治療依從性。3D打印技術(shù)在脊柱個體化手術(shù)中的應用主要體現(xiàn)為模型個體化、導板個體化、內(nèi)置物個體化、生物打印個體化。

2.1模型個體化 不同個體的臨床特征存在差異。傳統(tǒng)脊柱外科手術(shù)常根據(jù)不同個體術(shù)前X線片、核磁共振、CT等檢查結(jié)果制訂手術(shù)方案，對脊柱外科醫(yī)師的閱片經(jīng)驗、手術(shù)操作經(jīng)驗、立體空間想象力的要求較高。由于脊柱病灶多侵蝕椎體及其附件，影響對脊柱解剖結(jié)構(gòu)的判斷，導致對病灶認識難度的增加，往往需要操作者結(jié)合既往手術(shù)經(jīng)驗進行判斷，增加了手術(shù)難度，導致手術(shù)時間延長、患者術(shù)中出血風險增加、手術(shù)安全性降低。

與單純依靠思維想象、手術(shù)經(jīng)驗虛擬設(shè)計手術(shù)方案的方法相比，3D打印技術(shù)可直接準確打印出病灶區(qū)域的三維物理模型，有利于操作者直觀地了解患者病灶的具體情況，包括病灶位置、形狀、與周圍組織關(guān)系等，對提高疾病早期診斷精準度具有重要意義[16]。此外，操作者還可在術(shù)前利用3D打印模型進行手術(shù)模擬操作，驗證各種手術(shù)方案，以此提高手術(shù)設(shè)計的合理性和有效性，使手術(shù)方案的個體化差異更強，不僅可提高手術(shù)操作的精確度，在一定程度上縮短手術(shù)時間、減少術(shù)中失血量，還可擴寬脊柱外科手術(shù)適應證，使不符合傳統(tǒng)脊柱外科手術(shù)適應證的患者獲得治療機會[17]。Pacione等[18]利用3D打印模型全面評估上頸椎畸形合并顱底凹陷者的骨性畸形、脊髓受壓、椎動脈走行等情況，并通過實物模型進行手術(shù)模擬操作，根據(jù)不同患者的情況分別設(shè)計個體化手術(shù)方案，研究顯示，所有患者術(shù)后恢復良好。由此可見，3D打印技術(shù)在指導制訂手術(shù)方案方面的應用價值極高，手術(shù)安全性和手術(shù)成功率的提高，可在一定程度上減少醫(yī)患糾紛，對促進醫(yī)患溝通也具有現(xiàn)實意義。尹一恒等[19]應用3D打印技術(shù)治療10例顱底凹陷合并寰樞椎脫位者的研究也獲得了良好的患者滿意度。但3D打印模型對數(shù)據(jù)采集的影像學要求相對較高，建模費用較高，尚無法在基層醫(yī)院普及。

2.2導板個體化 目前各類脊柱手術(shù)均需置入椎弓根螺釘，目前常用的置釘方法仍以術(shù)者徒手置釘為主。由于部分上頸椎畸形、先天性脊柱側(cè)凸等患者的椎體形態(tài)規(guī)則性不佳，且多伴發(fā)育畸形或旋轉(zhuǎn)，故徒手置釘風險大、難度高，置釘失誤將損傷血管、脊髓，部分可誘發(fā)嚴重并發(fā)癥，甚至致命[20-21]。Upendra等[22]的研究發(fā)現(xiàn)，徒手置入椎弓根螺釘?shù)腻e位風險為20%～30%，損傷神經(jīng)、血管的概率約為2%。故降低置釘失誤率、提高置釘成功率和安全性成為脊柱外科醫(yī)務工作者面臨的重要問題之一。Sugawara等[23]使用3D打印導板輔助12例寰樞椎不穩(wěn)定患者的術(shù)中寰椎側(cè)塊釘置入，并置入樞椎椎弓根螺釘?shù)难芯匡@示，螺釘全部成功置入，骨皮質(zhì)無損傷；術(shù)后影像學復查顯示，置釘路線較術(shù)前計劃路線偏差較小。Lu等[24]的研究也證實了3D個體化導板打印技術(shù)的應用優(yōu)勢?？梢姡?D打印技術(shù)打印導航模板可幫助臨床醫(yī)師術(shù)前充分了解患者置釘部位的三維解剖結(jié)構(gòu)，可提高手術(shù)的精確性、減少置釘失誤、促進解剖面完全吻合，對指導手術(shù)順利實施、增加置釘安全性的意義重大[25]。

2.3個體化內(nèi)置物 脊柱解剖結(jié)構(gòu)復雜且特殊，對內(nèi)固定材料精細度的要求很高，但椎間融合器、椎弓根螺釘、鈦網(wǎng)等現(xiàn)有內(nèi)固定材料均為統(tǒng)一生產(chǎn)，不同型號內(nèi)固定材料各異，無法完全滿足所有患者的需求。目前，對定植個體化內(nèi)置物脊柱外科應用的研究較少，僅為個案研究。

3D打印內(nèi)置物個體化制訂應用于脊柱外科的可行性尚不確定，還需大樣本臨床研究的確定。Xu等[26]對1例12歲男性C2尤因肉瘤患兒實施腫瘤全切術(shù)，采用3D打印技術(shù)成功為其制訂個體化樞椎置入物，這種個體化樞椎置入物經(jīng)過顯微結(jié)構(gòu)優(yōu)化，與傳統(tǒng)置入物相比，個體化樞椎置入物的生物力學穩(wěn)定度較高，骨愈合效果也更好，可最大限度地保留患兒頸椎功能；術(shù)后隨訪1年，腫瘤未復發(fā)。Spetzger等[27]根據(jù)術(shù)前患者CT數(shù)據(jù)繪制了3D頸椎模型，并利用3D打印技術(shù)設(shè)計了椎間融合器，將融合器用于融合術(shù)的研究發(fā)現(xiàn)，融合器與相鄰椎體終板的貼合性更理想；術(shù)后隨訪發(fā)現(xiàn)，椎體間穩(wěn)定性良好，與傳統(tǒng)椎間融合器相比，該椎間融合器未發(fā)生脫位和下沉，且不需要再次內(nèi)固定，穩(wěn)定性較好。綜上所述，3D打印技術(shù)可制作較理想的手術(shù)內(nèi)置物，明顯提高手術(shù)成功率。

3D打印技術(shù)內(nèi)置物個體化設(shè)計的主要優(yōu)勢有：①可完全滿足脊柱外科患者內(nèi)置物的多樣性與個性化需求，且符合每例患者的解剖形態(tài)特征，在脊柱外觀與功能重塑方面效果更佳，對患者術(shù)后活動無明顯影響；②3D打印技術(shù)作為一種集光/機/電、計算機、數(shù)控及新材料于一體的先進制造技術(shù)，可直接打印出具有生物活性的模具，與人體器官解剖結(jié)構(gòu)基本匹配；③3D打印技術(shù)結(jié)合多孔技術(shù)打印出的個體化置入物可使置入物與患處組織達到理想的骨性結(jié)合，有利于內(nèi)置物穩(wěn)定性的強化[28-30]。

2.4生物打印個體化 3D打印技術(shù)建立在數(shù)字三維模型基礎(chǔ)上，其生物材料、細胞單元等均依照增材制造原理進行裝配定位，目前已通過該技術(shù)制造出器官、組織工程支架、醫(yī)療器械等醫(yī)用材料[31]。3D打印技術(shù)的個體化生物打印是材料學與生物醫(yī)學相互交叉融合的學科，目前已用于較小組織單元的打印。3D打印技術(shù)的材料選擇多樣，可制備多種骨組織支架，可滿足所有個體的個性化需求，現(xiàn)已用于脊柱外科手術(shù)。生物材料支架是3D打印技術(shù)在脊柱外科手術(shù)應用的基本內(nèi)容，其良好的機械強度是幫助脊柱進行穩(wěn)定性重建和三維支架分化增殖的關(guān)鍵[32-33]。Zhao等[34]使用妥布霉素、左旋聚乳酸、左氧氟沙星等材料制備的人工骨，不僅可單獨使用，還可結(jié)合鈦網(wǎng)使用。羅文峰等[35]對3D打印技術(shù)的研究發(fā)現(xiàn)，3D打印技術(shù)可將支架材料、生物相容性細胞、信號分子、生長因子等打印得到具備活體器官生理功能的打印器官，目前處于動物實驗和細胞實驗階段，在生物醫(yī)學領(lǐng)域具有巨大的應用空間和良好的應用前景。

3 3D打印技術(shù)的局限性

3D打印技術(shù)將在未來引領(lǐng)大批量造模式向個體化制造模式發(fā)展，其突出優(yōu)勢為節(jié)約制造成本、提高生產(chǎn)效率、實現(xiàn)復雜結(jié)構(gòu)的一體化制造；其核心理念是逐層增加的增材制造，3D打印技術(shù)置入物的制作可一體成型，不需要嵌入其他零件來維持產(chǎn)品構(gòu)建，故3D打印技術(shù)制作的置入物可用于構(gòu)建任何角度定位的平臺，不需要考慮材料的加工方式。由此可見，3D打印技術(shù)的應用不受材料加工方式的限制，只需明確打印物體的空間位置關(guān)系即可。

目前，3D打印技術(shù)已逐漸應用于脊柱個體化手術(shù)模具的制作，但其仍存在一定的局限性，主要表現(xiàn)為：①3D打印技術(shù)成本過高，缺乏大量應用環(huán)境。目前，3D打印技術(shù)的技術(shù)水平尚未發(fā)展成熟，打印過程必須依賴前期建立的準確坐標系統(tǒng)，整個打印過程需要軟件、設(shè)備與材料等許多領(lǐng)域相配合，但目前相關(guān)設(shè)備與材料的發(fā)展仍處于探索階段，且高精度3D打印機的價格仍居高不下，構(gòu)建三維模型所用軟件需要復雜的操作技巧，需要耗費操作人員一定的時間去了解與學習，在一定程度上限制了3D打印技術(shù)的普及和應用[36]。②打印質(zhì)量與打印要求存在差異。目前，不同級別、不同廠家、不同材料制作的3D打印機的打印精確度差別較大，尤其是商品化的桌面級3D打印機，其打印精確度極差，這類打印機打印出的產(chǎn)品不能滿足脊柱外科個體化手術(shù)置入物的高精度要求。③打印材料的限制。目前，3D打印技術(shù)的工藝尚不成熟，導致打印成型產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強度普遍無法達到使用標準，仍需要熱處理等后置處理方法來增加材料的強度，極大地限制了3D打印技術(shù)的使用范圍。此外，3D打印技術(shù)目前仍無法實現(xiàn)跨類別材料的用時打印，故其最常見的使用范圍依然局限于制作功能與結(jié)構(gòu)相對單一的產(chǎn)品。隨著計算機技術(shù)及新型制造產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展，3D打印技術(shù)將獲得更好、更快的發(fā)展[37]。3D打印技術(shù)在脊柱外科手術(shù)中的應用具有較理想的發(fā)展前景，但仍有諸多問題需進一步探索研究。

4 小 結(jié)

目前，3D打印技術(shù)已應用于脊柱外科領(lǐng)域，其在術(shù)前診斷、術(shù)中導航、醫(yī)患溝通、支具制作、內(nèi)置物制作等方面的發(fā)展迅速，但我國3D打印技術(shù)骨組織工程的研究仍處于起步階段。隨著現(xiàn)代醫(yī)療技術(shù)和3D打印技術(shù)的發(fā)展，3D打印技術(shù)在脊柱外科個體化手術(shù)方案設(shè)計中將獲得重要進展，并取得具有歷史性意義的研究成果，將精準組織細胞復制技術(shù)應用于醫(yī)學臨床各科室組織修復、重建、再生，顛覆了傳統(tǒng)脊柱外科手術(shù)方式。