3D打印技術在脊柱個體化手術中的應用進展

余定華，李科，廖世亮

(重慶市江北區中醫院骨傷一科，重慶 400020)

3D打印技術出現于20世紀80年代，又被稱作增材制造[1]。隨著現代材料與計算機科學的不斷發展，3D技術在心血管內科、骨科、頜面外科等醫學領域的使用越來越廣泛，并成為當今臨床醫學的研究重點與熱點[2]。3D打印技術以基礎影像學數據為素材，借助醫學圖像處理技術建立模型，并經逆向工程技術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計并重建模型，隨后將數據錄入帶有計算機輔助制造軟件的3D打印機，經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，此技術已在臨床得到應用[3-5]。

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

1 3D打印技術概述

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

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

2 3D打印技術在脊柱外科的應用

脊柱解剖結構復雜，椎管內有脊髓、神經、血管走形，手術操作風險較大[13]。由于術前無法準確評估病灶位置及其與周圍臟器、血管的位置關系，限制了傳統脊柱外科手術的適應證，且手術風險較高，部分患者還存在手術禁區[14]。隨著3D打印技術的出現與應用，外科手術醫療模型，如Peek、人工椎體等個體化內置物逐漸用于脊柱外科手術，對實現脊柱外科手術精細化與個體化過程具有積極的指導作用，使脊柱外科手術技術得到重大的突破性進展[15]。

3D打印技術具有前瞻性，且精準度更高，三維仿真模型的建立使手術操作者可以獲得大量常規影像學檢查無法獲得的信息，可直觀顯示病變的結構范圍，全面了解手術部位及其周圍組織的細節可大大降低誤診率，有助于準確地診斷疾??；操作者還可經三維模型構建進行術前評估與診斷，選擇更理想的手術路徑，確定精確的手術部位，制訂更具個體化的手術方案，大大降低手術風險。通過構建三維模型還可向家屬與患者講解手術過程，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打印技術在脊柱個體化手術中的應用主要體現為模型個體化、導板個體化、內置物個體化、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。傳統脊柱外科手術常根據不同個體術前X線片、核磁共振、CT等檢查結果制訂手術方案，對脊柱外科醫師的閱片經驗、手術操作經驗、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，影響對脊柱解剖結構的判斷，導致對病灶認識難度的增加，往往需要操作者結合既往手術經驗進行判斷，增加了手術難度，導致手術時間延長、患者術中出血風險增加、手術安全性降低。

與單純依靠思維想象、手術經驗虛擬設計手術方案的方法相比，3D打印技術可直接準確打印出病灶區域的三維物理模型，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，操作者還可在術前利用3D打印模型進行手術模擬操作，驗證各種手術方案，以此提高手術設計的合理性和有效性，使手術方案的個體化差異更強，不僅可提高手術操作的精確度，在一定程度上縮短手術時間、減少術中失血量，還可擴寬脊柱外科手術適應證，使不符合傳統脊柱外科手術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模擬操作，根據不同患者的情況分別設計個體化手術方案，研究顯示，所有患者術后恢復良好。由此可見，3D打印技術在指導制訂手術方案方面的應用價值極高，手術安全性和手術成功率的提高，可在一定程度上減少醫患糾紛，對促進醫患溝通也具有現實意義。尹一恒等[19]應用3D打印技術治療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打印模型對數據采集的影像學要求相對較高，建模費用較高，尚無法在基層醫院普及。

2.2導板個體化 目前各類脊柱手術均需置入椎弓根螺釘，目前常用的置釘方法仍以術者徒手置釘為主。由于部分上頸椎畸形、先天性脊柱側凸等患者的椎體形態規則性不佳，且多伴發育畸形或旋轉，故徒手置釘風險大、難度高，置釘失誤將損傷血管、脊髓，部分可誘發嚴重并發癥，甚至致命[20-21]。Upendra等[22]的研究發現，徒手置入椎弓根螺釘的錯位風險為20%～30%，損傷神經、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例寰樞椎不穩定患者的術中寰椎側塊釘置入，并置入樞椎椎弓根螺釘的研究顯示，螺釘全部成功置入，骨皮質無損傷；術后影像學復查顯示，置釘路線較術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的應用優勢?？梢?，3D打印技術打印導航模板可幫助臨床醫師術前充分了解患者置釘部位的三維解剖結構，可提高手術的精確性、減少置釘失誤、促進解剖面完全吻合，對指導手術順利實施、增加置釘安全性的意義重大[25]。

2.3個體化內置物 脊柱解剖結構復雜且特殊，對內固定材料精細度的要求很高，但椎間融合器、椎弓根螺釘、鈦網等現有內固定材料均為統一生產，不同型號內固定材料各異，無法完全滿足所有患者的需求。目前，對定植個體化內置物脊柱外科應用的研究較少，僅為個案研究。

3D打印內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，采用3D打印技術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過顯微結構優化，與傳統置入物相比，個體化樞椎置入物的生物力學穩定度較高，骨愈合效果也更好，可最大限度地保留患兒頸椎功能；術后隨訪1年，腫瘤未復發。Spetzger等[27]根據術前患者CT數據繪制了3D頸椎模型，并利用3D打印技術設計了椎間融合器，將融合器用于融合術的研究發現，融合器與相鄰椎體終板的貼合性更理想；術后隨訪發現，椎體間穩定性良好，與傳統椎間融合器相比，該椎間融合器未發生脫位和下沉，且不需要再次內固定，穩定性較好。綜上所述，3D打印技術可制作較理想的手術內置物，明顯提高手術成功率。

3D打印技術內置物個體化設計的主要優勢有：①可完全滿足脊柱外科患者內置物的多樣性與個性化需求，且符合每例患者的解剖形態特征，在脊柱外觀與功能重塑方面效果更佳，對患者術后活動無明顯影響；②3D打印技術作為一種集光/機/電、計算機、數控及新材料于一體的先進制造技術，可直接打印出具有生物活性的模具，與人體器官解剖結構基本匹配；③3D打印技術結合多孔技術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合，有利于內置物穩定性的強化[28-30]。

2.4生物打印個體化 3D打印技術建立在數字三維模型基礎上，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，目前已通過該技術制造出器官、組織工程支架、醫療器械等醫用材料[31]。3D打印技術的個體化生物打印是材料學與生物醫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，現已用于脊柱外科手術。生物材料支架是3D打印技術在脊柱外科手術應用的基本內容，其良好的機械強度是幫助脊柱進行穩定性重建和三維支架分化增殖的關鍵[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，還可結合鈦網使用。羅文峰等[35]對3D打印技術的研究發現，3D打印技術可將支架材料、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，在生物醫學領域具有巨大的應用空間和良好的應用前景。

3 3D打印技術的局限性

3D打印技術將在未來引領大批量造模式向個體化制造模式發展，其突出優勢為節約制造成本、提高生產效率、實現復雜結構的一體化制造；其核心理念是逐層增加的增材制造，3D打印技術置入物的制作可一體成型，不需要嵌入其他零件來維持產品構建，故3D打印技術制作的置入物可用于構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系即可。

目前，3D打印技術已逐漸應用于脊柱個體化手術模具的制作，但其仍存在一定的局限性，主要表現為：①3D打印技術成本過高，缺乏大量應用環境。目前，3D打印技術的技術水平尚未發展成熟，打印過程必須依賴前期建立的準確坐標系統，整個打印過程需要軟件、設備與材料等許多領域相配合，但目前相關設備與材料的發展仍處于探索階段，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打印技術的普及和應用[36]。②打印質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品不能滿足脊柱外科個體化手術置入物的高精度要求。③打印材料的限制。目前，3D打印技術的工藝尚不成熟，導致打印成型產品的結構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打印技術的使用范圍。此外，3D打印技術目前仍無法實現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構相對單一的產品。隨著計算機技術及新型制造產業的進一步發展，3D打印技術將獲得更好、更快的發展[37]。3D打印技術在脊柱外科手術中的應用具有較理想的發展前景，但仍有諸多問題需進一步探索研究。

4 小 結

目前，3D打印技術已應用于脊柱外科領域，其在術前診斷、術中導航、醫患溝通、支具制作、內置物制作等方面的發展迅速，但我國3D打印技術骨組織工程的研究仍處于起步階段。隨著現代醫療技術和3D打印技術的發展，3D打印技術在脊柱外科個體化手術方案設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應用于醫學臨床各科室組織修復、重建、再生，顛覆了傳統脊柱外科手術方式。