三維打印技術在脊柱外科的研究與應用

禤天航，曹正霖，王剛

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

三維打印技術在脊柱外科的研究與應用

禤天航，曹正霖，王剛

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

三維打印技術是21世紀產生的新技術，已逐步應用于醫療衛生領域，與過往的二維打印技術不同，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。目前該技術在脊柱外科主要應用于術前導航模板的制定、手術植入物的研究和醫療教學等方面。本文總結了三維打印技術在脊柱外科的研究與應用進展，并指出其不足之處及未來發展前景。

三維打印技術；快速成型技術；脊柱外科；研究進展

doi∶10.3969/j.issn.1003-6350.2015.12.0646

三維打印技術是根據快速成型技術原理，輸入相關信息進入電腦，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，并應用相關金屬、高分子材料、甚至生物細胞作為“墨盒”，通過逐層打印產生各種三維實物。這些實物有的可以指導手術及教學，有的可以直接植入體內使用，早在20世紀80年代，Charles Hull已經制造出三維打印機，而目前國內外應用于醫療領域還處于起步狀態。雖然在脊柱外科領域的研究引起人們廣泛關注，但臨床上實際應用缺乏廣泛的報道。本文就國內外三維打印技術在脊柱外科方面的研究及應用綜述如下：

1 三維打印脊柱模型及導航模板

現時越來越多醫生通過三維打印技術制造術前術中導航模板，其原理是術前通過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，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。目前主要應用較多的是顱頸交界、上頸椎、上胸椎、脊柱側彎、腫瘤的手術，臨床上因為這些區域較復雜，手術風險、難度大，通過三維打印模板來指導手術會大大增加其安全性。在顱頸交界方面的手術中，若病灶區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指導手術，取得不錯的效果，同時他們認為改用FDM技術替代光固化成型技術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，復雜的寰樞椎脫位對于脊柱外科醫生來說相當棘手，因為C1、C2之間通過各種韌帶構成三維關節復合體[4]。在術前通過常規的影像學不容易全面觀察術區病灶情況，同時在術中通過G臂或者C臂定位對上頸椎周圍組織結構也難以準確的知道，醫生通過結合三維打印技術可以有效地彌補這一缺陷。相關國內外學者也先后報道了他們的應用情況，Kawaguchi等[5]在進行后路寰樞椎融合固定手術時術前通過模板設計釘道，清楚了解術區情況，手術置釘準確無誤。國內章凱等[6]學者術前把三維導航模型打印出來，指導術中行寰樞脫位TARP鋼板固定術，手術風險大大下降，其指導作用值得肯定。在頸椎前路手術方面，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，前路手術后也可能造成脊柱的不穩，使我們不得不行前后路聯合手術，但是手術時間偏長及出血量偏多對眾多醫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的優點，臨床上值得推廣，但其進針點及釘道對于初學的醫生比較困難，而三維打印技術再一次發揮它的優勢。付茂慶[7]術前用Geomagic以及UG軟件建立自帶模擬釘道的頸椎3D模板，并用RP技術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、節段變異較大，偶伴椎體旋轉，出血量偏多[8]等特點使得手術難度較腰椎高，其危險性不言而喻。所以術前詳細的規劃對手術順利進行大有幫助，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，臨床上偶有因手術方位不清而致手術失敗的臨床報道，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，用以便指導術前術中腫瘤的切除及置釘以維持穩定。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用還是比較廣泛的，也已經積累了豐富的經驗，有助于更好指導手術的進行。

2 三維打印植入材料及外固定物

目前國內外報道三維打印直接用在患者身上的主要有兩種：（1）三維打印的內植入物；(2)三維打印的外固定材料。有學者[11]認為骨內植入物剛度過高會產生應力遮擋，自體骨與原松質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。利用三維打印技術能通過不同人的骨模量去產生個體化植入物，各種生物力學均與人體相近。而三維打印內植入物在脊柱醫療領域主要是人工骨組織及三維肌性復合組織，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，所以其有著廣闊的市場前景與傳統技術不可比擬的技術優勢：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因植入物生物特性差異帶來的手術失敗及并發癥的出現，例如植入物的沉降、塌陷甚至臨近節段的退變；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合，其康復時間可大大縮短，而打印的人工骨頭能否真的通過這一方式應用于臨床則引起廣泛的關注。北京三院劉忠軍教授等[12]率先嘗試在已經簽了知情同意書的頸椎患者體內植入直接打印出的人工骨骼，取得不錯的效果。但是，目前該項技術國內外臨床上相關報道極少，因其還處于臨床觀察期，涉及眾多的技術難題，例如如何準確打印出不同患者的個體化硬度、密度的骨質都存在研究難度，所以要大范圍推廣該項技術，任重而道遠。而在治療脊柱等全身骨性組織感染結核時，三維打印的載藥人工骨頭正逐步完成動物實驗，該技術準確而快速制造各種控釋型載藥人工骨。有學者[13-14]已經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，為應用于臨床上提供了可靠的生物學依據。與此同時，脊柱的骨質缺損修復重建問題也是人們討論的熱點之一，隨著生物工程技術的發展，逐步出現一些性質跟人體骨質相似的生物學材料，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構，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，具有可控的多孔結構，能有效應用于骨缺損。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移植則是另一種新理念。植入體內后骨細胞可繼續生長，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”，打印出三維肌性復合組織，并保持體內外的生長能力，這對脊柱的重建修復穩定性有一定的啟示。而脊柱手術區血管的修復重建也有學者正在研究。Boland等[21]成功將牛的血管內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構三維復合物，成功對血管進行重建。而三維打印個體化的鋼板等內固定物曾有國內外學者設想過，但其工藝及技術更難，暫時還沒有相關報道。

直接打印的外固定支架便是人們對三維打印技術的另一種應用，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等設計由聚酰胺組成三維打印出的各種Cortex骨折康復支架，這種支架有仿生骨骼網狀形態，生產迅速，成本不高[22]。雖然目前設計主要以四肢骨折關節為主，但其設計理念也應用于腰椎內固定術后、腰椎保守骨折功能鍛煉，相信很快也有相關的產品，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展空間，國外有報道[23]已經有醫學院校投入使用。而在臨床上脊柱外科教學方面，低年資的醫生往往對復雜的顱頸交界上頸椎區各種分布結構熟悉度有限，且難以在術中找到置釘、進針點，因此，通過三維打印技術能立體地展示各種結構，能讓他們清楚看清術區內固定物與神經血管等毗鄰關系，模擬進針點、釘道、進針角度，這些對年輕的醫生都大有裨益，而且使用三維打印成本較低，根據變異、不同病種資料打印相關模型進行教學，對年輕醫生處理疑難病例能力的提高有巨大的幫助。

4 三維打印技術的不足與展望

三維打印技術雖然有著各種各樣的優點，也受到國內外學者的熱烈關注。但是，就目前的技術水平，其發展仍處于頸瓶期。(1)“墨水”的材料問題是制約其發展的因素，目前應用在脊柱外科主要是以三維打印導航模板輔助手術為主，往往其骨骼組織相對較易研制，但腫瘤，神經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。雖然國內外學者已有報道相關三維打印植入物試驗及臨床應用，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。就現在的技術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，也是該項技術的停滯的原因。(3)三維打印成品如何在人體內“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化成實體模型或植入物同樣是值得關注的問題，有學者[24]認為目前醫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三維打印的精度。

即便如此，三維打印技術在脊柱外科乃至整個醫療界仍有著光明的未來，隨著技術的不斷提高，研發力度的加大，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，直接打印定制的內固定物也使手術更加快捷、安全。而協同著數字化骨科技術、克隆技術、手術機器人技術的發展，脊柱外科的重建修復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成果。

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A

1003—6350（2015）12—1807—03

∶2014-10-28)

曹正霖。E-mail：fstcmcaozhenglin@sohu.com