基于三維打印技術(shù)制作鈦合金修復(fù)體修補(bǔ)兔顱骨缺損的研究

王蕾，張毅，嚴(yán)紅燕，王學(xué)建，堵俊

(1.南通大學(xué)第二附屬醫(yī)院，a 急診中心，b 神經(jīng)外科，江蘇 南通 226001;2.南通大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇 南通 226019)

顱骨成形術(shù)是對(duì)較大顱骨損傷進(jìn)行骨性修補(bǔ)的一種常見神經(jīng)外科手術(shù)。目前的顱骨缺損修復(fù)手術(shù)中，修補(bǔ)材料有時(shí)需進(jìn)行反復(fù)修剪，手工塑形時(shí)間長(zhǎng)，尤其在修復(fù)巨大及復(fù)雜部位缺損時(shí)問(wèn)題暴露諸多且較為棘手[1]。三維(3D)打印技術(shù)可根據(jù)計(jì)算機(jī)三維成像利用3D材料直接打印產(chǎn)品。本研究通過(guò)建立動(dòng)物顱骨缺損模型，3D打印技術(shù)輔助鈦網(wǎng)進(jìn)行修補(bǔ)，對(duì)相關(guān)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析進(jìn)行初步研究。

1 資料與方法

1.1試驗(yàn)動(dòng)物研究時(shí)間為2016年12月至2017年10月。選用健康新西蘭兔12只，3～4月齡，健康雄性，體質(zhì)量(2.5±0.5) kg，由南通大學(xué)醫(yī)學(xué)院動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中心提供[合格證號(hào)SYXK(蘇):2017-0046，許可證號(hào)SCXK(蘇):2008-0010]。實(shí)驗(yàn)動(dòng)物飼養(yǎng)于單獨(dú)的籠內(nèi)飼養(yǎng)7 d，并可在籠內(nèi)自由走動(dòng)，鈦修復(fù)體的化學(xué)成分符合中國(guó)國(guó)家對(duì)于手術(shù)植入修復(fù)材料的標(biāo)準(zhǔn)(GB/T13810-2007)。本實(shí)驗(yàn)符合倫理學(xué)原則。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1造模方法 新西蘭兔固定儀上制動(dòng)[2]。10%水合氯醛(1 mL·kg-1)經(jīng)耳緣靜脈麻醉，逐漸追加麻醉劑量，麻醉滿意后備皮暴露術(shù)處，美蘭標(biāo)記顱骨正中矢狀線及冠狀縫，經(jīng)正中線頭皮切開，顯露顱骨冠狀縫，電鉆直徑約1.5 mm于冠狀縫后0.5 cm處鉆孔，咬骨鉗咬開約2.0 cm×1.5 cm大小的骨性缺損，向前下延伸至眶緣，此骨窗的范圍包括部分頂骨、額骨及上眶骨，手術(shù)過(guò)程中避免破壞矢狀竇，保證硬腦膜完整性。造模型完成后再次分籠單獨(dú)飼養(yǎng)，并常規(guī)術(shù)后7 d內(nèi)給予青霉素(華北制藥，批號(hào)：H13020656)20 IU·kg-1，每天2次肌注預(yù)防切口感染，并注意觀察傷口定期換藥，7 d后切口拆線。

1.2.2修補(bǔ)手術(shù)方法 所有新西蘭兔顱骨缺損術(shù)后2周行頭部CT掃描獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行制作修復(fù)體，再行顱骨鈦網(wǎng)修補(bǔ)術(shù)。沿造模手術(shù)切痕分離新西蘭兔頭皮及皮下組織，暴露完整骨性缺損及其邊緣，取鈦網(wǎng)剪裁超出骨性缺損邊緣1～2 mm后置入，用鈦釘在顱骨骨緣周圍固定，逐層縫合頭皮并加壓包扎顱骨。術(shù)后7 d內(nèi)每天2次肌注常規(guī)青霉素20 IU·kg-1，避免創(chuàng)口感染，7 d后拆線觀察。

1.2.33D打印輔助鈦網(wǎng)的制作 進(jìn)行修補(bǔ)術(shù)前12只新西蘭兔頭顱全部進(jìn)行64排螺旋CT薄層無(wú)間距掃描，結(jié)合掃描獲得的顱骨重建所得圖像以DICOM格式進(jìn)行保存，并通過(guò)Mimics15.0軟件轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)三維顱骨立體模型，利用MakerWare軟件轉(zhuǎn)換為STL格式保存，傳遞給3D Makerbot Replicator 2.0打印機(jī)，通過(guò)加熱生物降解塑料聚乳酸細(xì)絲溶解后噴出熔融沉積快速構(gòu)造成型。我們利用制造出的1∶1精準(zhǔn)頭顱缺損和鈦合金修復(fù)體的三維立體解剖模型，將鈦合金補(bǔ)件修復(fù)安裝在缺損處，觀察修復(fù)體與所造模型的匹配契合程度。

1.2.4主要觀察指標(biāo) 新西蘭兔顱骨愈合情況、術(shù)后并發(fā)癥(出血、感染、腦脊液外漏、修復(fù)體排出)、外形評(píng)估、術(shù)后復(fù)查情況。

2 結(jié)果

12只新西蘭兔進(jìn)行顱骨缺損均造模成功，進(jìn)行二次手術(shù)鈦合金修復(fù)體植入后平穩(wěn)，未觀察到顱內(nèi)感染、頭皮潰爛、鈦合金外露、排出及移位等不良現(xiàn)象。術(shù)后顱骨外形與健側(cè)相比更美觀、功能修復(fù)滿意，并邀請(qǐng)三位同行醫(yī)師評(píng)估修復(fù)滿意度，以100%為滿意，取平均值，滿意率為98.78%。另外修補(bǔ)邊緣結(jié)構(gòu)未見壓迫，明顯變性、增生及壞死。術(shù)后復(fù)查顱骨平片和三維螺旋CT顯示修復(fù)體和缺損處契合良好，骨面修復(fù)邊緣曲度過(guò)渡自然(圖1)。

3 討論

現(xiàn)代顱骨成形手術(shù)常見修補(bǔ)材料包括硅橡膠、骨水泥、自體骨瓣、鈦網(wǎng)、聚醚醚酮等，它們均有各自不同的特點(diǎn)及利弊，材料的選擇對(duì)于顱骨修補(bǔ)手術(shù)的成敗及預(yù)后均有影響。其中鈦合金具有良好的組織生物相容性、高強(qiáng)度的堅(jiān)韌性，較低的感染率，術(shù)后有利于后期肉芽組織貫穿生長(zhǎng)固定[3]，且不影響CT、磁共振及腦電圖掃描檢查，干擾因素較小[4]，已成為目前臨床運(yùn)用較為廣泛的顱骨修復(fù)材料。

3D打印技術(shù)又稱快速成型技術(shù)或增材制造技術(shù)，利用相關(guān)計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行逐層掃描圖像轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)儲(chǔ)存進(jìn)行立體形態(tài)塑造后通過(guò)可黏合性材料如粉末、液態(tài)塑料或金屬等，用3D打印機(jī)掃描并1∶1精準(zhǔn)打印構(gòu)造模型的一種新興技術(shù)[5-7]。目前3D打印技術(shù)廣泛運(yùn)用于醫(yī)學(xué)研究及臨床方面，尤其在外科手術(shù)領(lǐng)域運(yùn)用較為活躍，主要包括口腔頜面外科、整形科、神經(jīng)外科、骨科、肝膽腹腔科等[8]，可幫助術(shù)者從術(shù)前規(guī)劃設(shè)計(jì)到手術(shù)操作過(guò)程立體構(gòu)造重建，亦有利于醫(yī)患充分溝通。

顱頜面骨解剖結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，布滿各種竇腔，包括諸多不規(guī)則的骨性突起以及神經(jīng)、血管進(jìn)出于骨的各種出入口，復(fù)制在動(dòng)物模型中亦如此，尤其對(duì)于顴突、眼眶上緣等骨性平面不規(guī)則、曲度變化大的部位，在缺損形成后無(wú)法準(zhǔn)確進(jìn)行形態(tài)塑形及鈦網(wǎng)剪裁，需進(jìn)行多次調(diào)整及塑形。與健側(cè)相比，鈦網(wǎng)修補(bǔ)容易出現(xiàn)外形差異大、鈦網(wǎng)翹邊、皮下積液等并發(fā)癥，嚴(yán)重時(shí)鈦網(wǎng)可外露并造成周圍軟組織創(chuàng)傷[9-10]。我們研究認(rèn)為，基于CT數(shù)據(jù)，3D重建通過(guò)快速成型技術(shù)預(yù)制個(gè)體化顱骨缺損修復(fù)較傳統(tǒng)顱骨缺損修補(bǔ)的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的。根據(jù)術(shù)前骨性缺損的定位、面積、形狀制定個(gè)體化修補(bǔ)方案可使術(shù)中修復(fù)體與骨性缺損區(qū)域尤其是骨緣達(dá)到完美的契合，且術(shù)中避免反復(fù)塑剪，直接將修復(fù)體植入拼接并固定即可，對(duì)不同面積尤其復(fù)雜解剖部位骨性缺損均能適用。術(shù)后功能恢復(fù)良好，外觀修復(fù)滿意較對(duì)側(cè)對(duì)稱，能達(dá)到1∶1精確修復(fù)骨性頜面形態(tài)，較大程度恢復(fù)解剖構(gòu)造，大大縮短了手術(shù)時(shí)間，降低麻醉風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)在術(shù)前對(duì)手術(shù)效果預(yù)見，能大幅度減少手術(shù)操作風(fēng)險(xiǎn)和相關(guān)并發(fā)癥[11]。

綜上所述，我們使用3D打印新西蘭兔顱骨并進(jìn)行預(yù)制骨性缺損的修復(fù)，修復(fù)體既保留了普通二維鈦網(wǎng)的優(yōu)良特性外，又利用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)高度還原了顱骨正常三維解剖結(jié)構(gòu)及容積，在術(shù)中能直接銜接不規(guī)則骨窗邊緣，較少鈦釘即可牢靠固定，操作阻力小，后期塑形較滿意，麻醉時(shí)間顯著縮短，更加利于術(shù)后恢復(fù)。3D打印技術(shù)的快速性、精準(zhǔn)性特點(diǎn)，特別是對(duì)于復(fù)雜解剖形態(tài)的等比例模擬特性使其具有獨(dú)特的運(yùn)用前景，值得臨床推廣應(yīng)用。