3D打印技術(shù)在骨腫瘤手術(shù)治療中的應(yīng)用

安超，王優(yōu)麗，張成

淄博市第七人民醫(yī)院 a. 骨科；b. 藥學(xué)部，山東 淄博 255000

引言

3D打印，又稱為添加制造或快速成型技術(shù)，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，利用黏合材料，通過逐層打印的方式來創(chuàng)建實體的技術(shù)。在臨床上當(dāng)對骨腫瘤進行手術(shù)切除時，切除面積不足會導(dǎo)致腫瘤復(fù)發(fā)；切除面積過大會對患者造成很大創(chuàng)傷，甚至?xí)绊憴C體的功能。此外，對于骨科醫(yī)生來說如何填充骨腫瘤切除后的巨大骨缺損是相當(dāng)棘手的問題。3D打印技術(shù)應(yīng)用于骨腫瘤的手術(shù)治療，為臨床醫(yī)生提供了一種新思路，轉(zhuǎn)變了對傳統(tǒng)骨腫瘤治療的概念，彌補了傳統(tǒng)手術(shù)方法中的許多不足，在提高手術(shù)質(zhì)量的同時，能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)的個性化治療。

1 3D打印技術(shù)的研究進展

3D打印技術(shù)最早出現(xiàn)在20世紀80年代[1]。3D打印技術(shù)最早應(yīng)用于足踝外科是在1997年對跟骨關(guān)節(jié)內(nèi)骨折進行了評估[2]。其后，應(yīng)用3D打印技術(shù)打印出人造肝臟組織，標(biāo)志著3D打印技術(shù)首次進入醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[3-4]。制作內(nèi)植物或假體對3D打印技術(shù)工藝或材料要求較高，所以出現(xiàn)較晚，而早期主要用于制作不規(guī)則骨的個性化假體[5]。從最初的3D打印模型到應(yīng)用于臨床手術(shù)操作的各類3D打印導(dǎo)板、3D打印假體，現(xiàn)如今該技術(shù)在骨科中的應(yīng)用越來越廣泛。

2 3D打印技術(shù)在骨腫瘤手術(shù)治療中的應(yīng)用進展

2.1 3D打印新型模型在骨腫瘤手術(shù)治療中的應(yīng)用

3D打印解剖模型可以用于明確骨腫瘤的邊界及周圍復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系，能夠用于術(shù)前規(guī)劃設(shè)計和模擬手術(shù)的過程。在骨科中最常見的3D打印模型是由一種材料打印的純骨骼模型。在Kazuyuki等[6]的研究中提出了一種新型3D打印模型，創(chuàng)建了由下頜骨（白色ZP151粉末）、腫瘤（RTV硅膠）和下牙槽神經(jīng)組成的混合3D打印模型。這個模型能夠更好地幫助他們了解腫瘤與周圍骨骼和下牙槽神經(jīng)之間的位置關(guān)系。將3D打印模型技術(shù)應(yīng)用于骨腫瘤的切除，該患者術(shù)后病理提示腫瘤切除干凈徹底，腫瘤切除范圍及假體放置位置最大誤差不超過4 mm[7]?？捉鸷５萚8]在術(shù)前模型中將腫瘤周圍的大動脈、靜脈和神經(jīng)或者神經(jīng)根分別用紅、藍、黃三色進行標(biāo)注，打印出其精確的解剖位置，術(shù)中有效輔助并完整地沿邊界切除了骶骨脊索瘤。

當(dāng)骨腫瘤周圍解剖的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜時，例如骨盆、脊柱等部位的骨腫瘤，再加上患者個體化的差異，增加了完整切除腫瘤的操作難度，在實施手術(shù)時不僅要明確骨腫瘤的邊界，還要避免對周圍重要解剖結(jié)構(gòu)的損傷，減少術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生率。新型3D打印解剖模型能夠真實反映出骨腫瘤的大小、邊界以及周圍重要神經(jīng)、血管的分布情況，有利于術(shù)前制定更加詳盡的手術(shù)規(guī)劃。對于復(fù)雜的病例，可通過在模型上預(yù)演實施手術(shù)對不同手術(shù)方案的優(yōu)劣進行比較，針對術(shù)中可能出現(xiàn)的問題進行術(shù)式調(diào)整并且可以預(yù)測手術(shù)術(shù)后效果[9]。將3D打印新型模型用于手術(shù)輔助治療可以更快地完成手術(shù)操作。

2.2 3D打印導(dǎo)板在骨腫瘤手術(shù)治療中的應(yīng)用

對于骨腫瘤來說，腫瘤切除范圍過大或過小都對會患者機體造成嚴重的損傷，如何準(zhǔn)確切除骨腫瘤對于臨床醫(yī)師來說是一個巨大的考驗。在Sallent等[10]的報道中指出腫瘤病灶內(nèi)切除的復(fù)發(fā)率高達92%，切除邊緣無腫瘤細胞時復(fù)發(fā)率在5%～17%之間。3D打印導(dǎo)板技術(shù)作為一種臨床應(yīng)用的新技術(shù)，與傳統(tǒng)術(shù)式相比，具有其獨特的優(yōu)越性。它可以根據(jù)患者自身的實際情況設(shè)計出復(fù)雜形狀和大小的導(dǎo)板，術(shù)中可以不借助導(dǎo)航實施快速精準(zhǔn)地截骨。

骨樣骨瘤中只有2%～10%的病例發(fā)生在足部，很少超過1.5 cm，因此難以定位。此外，切除不足常常導(dǎo)致復(fù)發(fā)。在Ren等[11]的研究中提到他們利用3D打印導(dǎo)板完整地切除了跟骨骨樣骨瘤，在2年隨訪中，患者未出現(xiàn)癥狀，骨樣骨瘤未見復(fù)發(fā)。在施鳳偉等[12]的研究中成功地在3D打印髖臼導(dǎo)板輔助下切除了骨盆腫瘤，術(shù)后隨訪效果良好。付軍等[13]對4種導(dǎo)板制作加工時間進行了對比，發(fā)現(xiàn)選擇性激光燒結(jié)導(dǎo)板制作加工時間明顯長于熔融沉積成型、光固化立體成型以及印刷工藝。并非所有的骨腫瘤手術(shù)都能進行導(dǎo)板的設(shè)計，導(dǎo)板在手術(shù)中的應(yīng)用需要有個定位點，所有長骨中段的手術(shù)一般不適用于導(dǎo)板治療。Limin等[14]指出將3D打印導(dǎo)板應(yīng)用于骨肉瘤的切除手術(shù)，可減少術(shù)中失血量，隨訪研究表明，患者恢復(fù)良好，平均骨骼肌肉腫瘤術(shù)后評分達到27.125。

在實際手術(shù)操作時，要考慮到附著在骨骼上的軟組織的問題，一般情況下設(shè)計的導(dǎo)板是緊貼骨骼設(shè)計的，所以術(shù)中要仔細干凈地剝離骨骼表面的軟組織，這樣可以提高截骨的精確性和準(zhǔn)確度。在脛骨遠端、尺骨近端等特殊解剖位置，因軟組織不容易發(fā)生形變，也可以設(shè)計貼附于皮膚的導(dǎo)板[15]。導(dǎo)板的不同材料也決定了其設(shè)計方案，使用ABS樹脂及石膏時，厚度不應(yīng)小于5 mm，光敏樹脂不應(yīng)小于3 mm，一般采用4 mm，金屬材料應(yīng)更薄[13,15]。導(dǎo)板的導(dǎo)孔設(shè)計也有一定技巧，非金屬導(dǎo)孔一般設(shè)計成孔狀引導(dǎo)克氏針，金屬導(dǎo)孔一般設(shè)計成槽狀，直接擺鋸進行截骨處理。

3D打印導(dǎo)板可以實現(xiàn)術(shù)中精準(zhǔn)定位，保證精確截骨，臨床療效也已經(jīng)得到驗證，相比傳統(tǒng)手術(shù)方式，它可以縮短手術(shù)時間、減少術(shù)中射線放射次數(shù)、減少出血量并且能夠有效控制并發(fā)癥的發(fā)生率，減少學(xué)習(xí)的曲線。

2.3 3D打印假體及內(nèi)植入物在骨腫瘤手術(shù)治療中的應(yīng)用

骨腫瘤切除后會造成局部骨質(zhì)的缺損，不僅會造成外形不美觀也會造成功能受限，目前對于骨缺損的重建方法有許多，包括異體骨植骨、自體骨移植、假體修復(fù)等，最佳治療方式還存在爭議。假體重建具有能夠?qū)崿F(xiàn)早期活動、外形美觀、長期穩(wěn)定性好、術(shù)后功能恢復(fù)好等優(yōu)點。3D打印技術(shù)假體有助于改善解剖結(jié)構(gòu)的恢復(fù)，3D打印假體個性化的設(shè)計符合“量體裁衣”標(biāo)準(zhǔn)。

Wang等[16]研究顯示使用個性化3D打印半骨盆假體重建髖臼惡性骨腫瘤切除后骨缺損可實現(xiàn)良好的功能效果并且無嚴重并發(fā)癥發(fā)生。Liang等[17]在報道中提出使用3D打印骨盆假體重建骨盆腫瘤切除后骨缺損是安全可靠的，沒有額外的并發(fā)癥出現(xiàn)，短期功能結(jié)果良好。Ralph等[18]將3D打印設(shè)計植入物用于復(fù)雜脊柱外科手術(shù)，一例是患者進行C-1/C-2脊索瘤的腫瘤切除后用3D打印假體對椎體進行重建，另一個患者使用3D打印的個性化融合器來治療先天性脊柱畸形。Choy等[19]應(yīng)用個性化3D打印椎體成功重建了青少年T9原發(fā)性骨腫瘤切除術(shù)后的骨缺損。付軍等[20]應(yīng)用鈦合金3D打印假體復(fù)合帶血管帶腓骨及生物陶瓷的方式修復(fù)下肢瘤段切除后的長節(jié)段骨缺損，短期隨訪結(jié)果顯示該方法穩(wěn)定性可靠，安全性高，可獲得良好的下肢功能。胡巍然等[21]的研究指出鈦合金骨組織工程多空支架表面和孔內(nèi)在體外有大量成骨細胞存在。

3D打印假體可能會成為由感染、腫瘤或創(chuàng)傷引起的骨缺損重建的主流[22]。3D打印假體及內(nèi)植入物可以很容易地放置于骨質(zhì)缺損處，這有助于手術(shù)操作和縮短手術(shù)時間，當(dāng)用自體骨進行移植修復(fù)重建時，不管取腓骨、肋骨還是髂骨都需要對摘取的骨骼進行精細加工以便更加符合骨缺損的外形及大小，實現(xiàn)完美匹配。植入物的表面也可以涂有不同的材料，如羥基磷灰石等，以進一步促進假體與骨骼之間的連接。3D打印技術(shù)可以在假體表面制造多孔支架，多孔支架能夠允許宿主骨在其內(nèi)部進行生長。

2.4 3D生物打印在骨腫瘤手術(shù)治療中的應(yīng)用

3D生物打印技術(shù)作為一種前言技術(shù)，目前還處于研究階段，其應(yīng)用前景值得期待。例如，研究脂肪來源的干細胞復(fù)合3D打印的水凝膠支架在體內(nèi)的成骨性能，結(jié)果顯示在體內(nèi)試驗8周可觀察到類骨質(zhì)形成[23]。張明等[24]設(shè)計的基于3D打印技術(shù)的新型生物活性復(fù)合鎂骨修復(fù)支架，通過聚乳酸-乙醇酸共聚物（PLGA）/β-磷酸三鈣（β-TCP）／鎂（Mg）多孔支架的多參數(shù)制備技術(shù)研究，提高多孔支架的促成骨活性，以利于植入部位的骨再生及功能重建。Ma等[25]利用貽貝仿生納米結(jié)構(gòu)生物材料的3D打印及其在腫瘤治療和組織再生中的應(yīng)用，打印了一個物陶瓷支架并且在其表面涂上鈣磷/多聚多巴胺納米層，并利用多聚多巴胺的生物相容性、生物可降解性和優(yōu)良的光熱效應(yīng)，有效地誘導(dǎo)了腫瘤細胞在體外被殺死，發(fā)現(xiàn)3D打印生物陶瓷中的貽貝仿生納米結(jié)構(gòu)兼具了治療癌癥和骨再生的能力。將3D生物打印技術(shù)聯(lián)合3D打印假體應(yīng)用于骨腫瘤手術(shù)治療中會顯著地提高手術(shù)質(zhì)量，對于患者的功能恢復(fù)會起到巨大的推動作用。

3 總結(jié)與展望

綜上所述，3D打印技術(shù)在骨腫瘤手術(shù)中的應(yīng)用價值和臨床療效值得肯定。當(dāng)然，現(xiàn)在3D打印技術(shù)還存在一定的不足，比如：3D打印材料有限；打印時間較長；打印成本較高；許多研究還處于初始階段；許多技術(shù)還不成熟；還需要更多的、更高水平的研究來證實3D打印技術(shù)的有效性。目前臨床應(yīng)用研究中，無論是3D打印導(dǎo)板還是3D打印假體還需要進行長期隨訪觀察療效，3D打印技術(shù)在臨床中的應(yīng)用還需要進一步拓寬。3D打印在理論上可以實現(xiàn)組織或器官再生，盡管目前在皮膚、血管、肝臟方面已取得了相當(dāng)大的突破，但是構(gòu)建一個具有移植條件及生物活性功能的打印器官仍是一個長期努力的方向。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)在臨床中將會發(fā)揮出更大的作用。