3D打印技術在脊柱外科中的應用進展及其局限性

仵博宇，葉 開，王江華 綜述 滕 勇 審校

3D打印，又名增材制造，是20世紀80年代發展起來的一門新興技術，是指在計算機的控制下，根據物體的計算機輔助設計模型或計算機斷層掃描(CT)/磁共振成像(MRI)等數據，通過材料的精確堆積，制造原型的一種基于離散、堆積成型原理的新的數字化成型技術。3D打印可在短時間內“打印”出任意形狀與結構的物體，骨骼的形態結構相對穩定，采集CT等影像學圖像的數據轉換為3D打印所需的數字模型文件相對簡便，因此3D打印在骨科，尤其在脊柱外科中的應用早于醫學其他領域，發展也更為迅速[1]。目前3D打印技術在脊柱外科已用于術前規劃、醫患溝通、醫學教育、手術導向模板、個體化植入物及3D生物打印方面，在脊柱外科有著廣闊的發展空間。本文對目前3D打印技術在脊柱外科中的應用進展與未來方向作一綜述。

1 應用進展

1.1 術前規劃 術前規劃是3D打印技術在脊柱外科的早期應用之一。3D打印技術可將患者的CT/MRI數據精準地轉化為實物模型，幫助醫師全方位查看患者病患處的解剖，實現更精準的術前規劃。3D打印技術用于脊柱外科復雜病例中的優勢顯著，包括腫瘤切除、嚴重的脊柱畸形、兒科病例及微創脊柱外科等，可輔助實現精準的術前規劃[2,3]。

1.2 醫患溝通 良好的醫患溝通是建立醫患信任關系和取得患者知情同意的基礎。3D打印技術可將患者的個體解剖轉換為實物模型，為患者及家屬提供直觀、立體的實物模型，幫助患者及家屬了解疾病，便于醫師向患者及其家屬交代手術風險及術后相關并發癥，從而有利于進行良好的醫患溝通，增加醫患間的信任，降低醫療糾紛的發生風險。

1.3 醫學教育 3D打印技術用于醫學教育，有著可將復雜的脊柱病例轉化為實物模型的優勢，可提供出直觀、立體、典型的實物模型，與以往尸體標本用于教育相比，具有更好的安全性、可重復性、經濟性及更好的培訓效果，并且不用擔心倫理問題[4]。

在脊柱相關的醫學教育中，目前的3D打印技術只能構建脊柱的骨性結構，不能構建椎間盤、韌帶、神經血管等軟組織，因此脊柱的內生環境和生物力學不能重建，相信未來隨著生物打印技術的進步可以解決這個問題[5,6]。

1.4 輔助手術

1.4.1 用于引導椎弓根螺釘 在脊柱外科的手術中，常需要放置椎弓根螺釘，這種手術方式目前已經成熟，但在復雜手術中，準確放置椎弓根螺釘仍較為困難，并且容易損傷到周圍的血管神經，使用3D打印導向模板輔助放置螺釘可以很好地解決這一問題[7,8]。

自3D打印導向模板用于引導放置椎弓根螺釘以來，已將其用于輔助頸椎、胸椎、腰椎、骶椎的單節段和多節段椎弓根螺釘的置入[8-11]。3D打印導向模板主要用于復雜的脊柱手術中，以提高螺釘放置的準確性，降低并發癥的發生風險。多項研究數據表明，3D打印導向模板可以提高螺釘置入的準確性和效率。如胡勇等[9]將其用于輔助置入寰椎椎弓根螺釘治療寰椎骨折，術后通過CT評價螺釘位置，發現螺釘釘道與最佳釘道在進針點和方向上無統計學差異，且均未發生硬膜破裂、周圍重要血管損傷等并發癥。Guo等[10]比較了使用3D打印導向模板與傳統透視兩種手術方式輔助放置頸椎螺釘的手術效果，結果顯示前者使得椎弓根皮質穿孔率減少了20%以上，手術時間平均減少約17 min，透視次數減少了4倍。諸多研究表明3D打印導向模板輔助手術可提高椎弓根螺釘置入的準確率、縮短手術時間、降低術中透視頻次，減少術中出血量、降低并發癥發生的風險[8-11]。

1.4.2 用于引導截骨 脊柱解剖結構復雜，毗鄰血管神經和脊髓，且存在較大的個體差異，使得脊柱截骨術的臨床實施較為困難，尤其是伴有嚴重脊柱畸形需要矯形截骨的手術。以往多采用影像繪圖法輔助截骨術，常面臨著術中的截骨角度難以達到術前設計角度的問題。將3D打印技術用于輔助截骨可以很好地解決這個問題，3D打印導向模板具有完美地契合脊柱結構的優勢，打印1∶1尺寸的模型，在術中輔助截骨，可實現術中精準截骨[12,13]。

3D打印技術用于脊柱外科復雜的截骨手術中，取得了良好的臨床效果。趙永輝等[12]使用3D導向模板輔助治療16 例強直性脊柱炎需要截骨矯形的患者，均順利完成手術，在術后隨訪12～36個月，僅1 例出現鄰近椎體壓縮骨折，且可以通過非手術治愈，余患者矯形維持良好，均未發生手術并發癥，患者的生活質量得到了明顯提高。Tu等[13]報道了9例使用3D打印鈦制導向模板輔助截骨的嚴重脊柱畸形患者，術后平均隨訪21.4 個月，均未出現并發癥。3D打印導向模板輔助手術為脊柱外科截骨矯形提供了一種安全可行且精確性較高的手術方式。

1.5 置入物應用

1.5.1 用于構造個性化椎間融合器 椎間融合器是脊柱外科手術常用置入物，主要用于置入椎間隙中以實現相鄰椎體間的融合。商業化的椎間融合器主要由鈦合金(TiAl6V4)及聚醚醚酮(PEEK)材料制成，因鈦合金材料融合器有應力屏蔽效應，PEEK材料融合器存在著生物活性和成骨能力差的問題，臨床上存在著融合器置入人體后發生塌陷、移位和脫出的情況。3D打印椎間融合器具有可定制化、表面附著物修飾、可控的剛度及孔隙率的優點，可降低其應力屏蔽效應、改善生物活性和解決成骨能力差的問題，從而降低融合器發生塌陷、移位和脫出的風險[14,15]。

McGilvray等[14]在綿羊腰椎融合實驗中，比較了3D打印多孔鈦合金(PTA)椎間融合器與商品化的PEEK及多孔鈦涂層PEEK(PSP)椎間融合器的成骨能力和生物力學性能。研究發現，PTA與PEEK及PSP融合器相比，在生物力學試驗中，PTA融合器的剛度顯著增加，屈伸運動范圍明顯減少；在置入綿羊體內后的第8周和16周時，PTA與PEEK和PSP融合器相比，前者成骨數量顯著增加，說明3D打印PTA融合器具有較好的成骨能力和生物力學性能。

另外也有關于3D打印可吸收椎間融合器的報道，研究認為3D打印聚乳酸/納米級β-磷酸鈣可吸收頸椎融合器具有較好的生物相容性和力學穩定性[16]。但也有關于可吸收椎間融合器崩解和發生排異反應的報道[17]，因而3D打印可吸收融合器的應用受到了限制，還需要進一步研究去探索其臨床價值。

1.5.2 用于構造個性化脊柱假體 脊柱腫瘤常見的外科治療方式是將椎體整塊切除。手術不僅要求遵循無瘤原則，還需要重建脊柱復雜的生物力學和功能[18]。商品化的脊柱假體常常難以精準匹配患者的個體解剖，難以較好地重建患者脊柱的穩定性和功能，而3D打印技術建造的脊柱假體具有個體化的優勢，可完美地匹配患者個體解剖，并且可對置入物材料及材料表面特性進行微調，從而實現促進其與人體骨骼融合生長。3D打印個體化脊柱假體已應用于頸椎、胸椎、腰椎、骶椎腫瘤切除手術之中，并取得了良好的臨床效果[19-24]。

個體化脊柱假體主要重建脊柱穩定性和連續性。個體化頸椎假體治療上位頸椎腫瘤切除后的重建頸椎，所有患者均無血管、神經、硬脊膜及脊髓損傷，術后愈合良好；在術后后的隨訪中，未見腫瘤殘留或復發，所有患者內固定穩定，未見螺釘松動及假體移位[19,20]。脊柱胸腰段腫瘤患者，手術給予腫瘤侵犯的椎體整段切除，以3D打印人工椎體重建患者的脊柱穩定性與連續性[21,22]。紀經濤等[21]將3D打印椎體與使用鈦網重建脊柱相比，術中出血量、手術時間、術后引流量及術后24 h和3個月時的疼痛視覺模擬評分，差異均無統計學意義，且術后隨訪中，使用3D打印椎體與相鄰椎體匹配情況良好、無松動、下沉、移位，也未出現斷釘、斷棒等內固定失敗情況。而使用鈦網重建脊柱的患者存在脊柱假體下沉移位的情況，差異有統計學意義。也有將3D打印個體化椎體用治療脊柱復發性腫瘤、脊柱轉移瘤、骶椎腫瘤的報道，效果較好，隨訪期未見腫瘤復發及并發癥的發生[23,24]。

綜上所述，3D打印個體化人工椎體可用于脊柱腫瘤切除后脊柱穩定性的重建，以恢復脊柱的穩定性與連續性，實現假體精準匹配相鄰椎體，有利于減少假體塌陷，且能促進骨長入和增加骨融合，是一種單或多節段脊柱腫瘤切除后脊柱穩定性重建的理想方法。

1.6 生物打印方面 3D生物打印技術在創造具有生理結構功能并能自我修復的組織器官方面，已經成為了一個極富有臨床轉化前景的工具，并且可以很好于應用于脊柱外科。近來有報道稱該項技術可用于打印為髓核細胞生長提供支架的生物基質，使得構造人工椎間盤成為可能[25]。也有研究將其應用于打印硬腦膜治療骶管囊腫，取得了良好效果[26]。Sun等[27]通過3D打印技術制作了由生物材料、細胞和生長因子組成的解剖學椎間盤支架，并將其植入裸鼠背部皮下，發現3個月后椎間盤支架有大量的軟骨細胞和軟骨組織生長，且周圍未見明顯炎癥反應。此外又有研究稱絲素蛋白、納米纖維增強(殼聚糖)水凝膠，以及聚乳酸和聚乙二醇二丙烯酸酯膠是3D打印椎間盤組織工程中極具前景的生物墨水[28]。然而目前3D生物打印技術也存在很大的挑戰：除需要高精度的打印機器以外，還需制備優良特性的生物墨水和仿生優化設計，以及如何實現不同材料、生長因子、種子細胞的組裝、合理分布、構建生物活性的微環境等[29]。諸如此類，都展示出3D生物打印技術的巨大應用潛力及進一步研究價值。

2 應用局限性

3D打印技術在脊柱外科的應用也具有一定的局限性[12,30]。(1)構建3D打印模型需要時間、成本和學習曲線是其廣泛應用的主要障礙，很多醫院沒有配備3D打印機及相關的技術人員；(2)使用3D打印建立模型需要經CT/MRI數據采集、計算機設計、模型打印等步驟，可能會延長患者的住院時間，增加患者的住院費用；(3)3D打印模型的設計、打印及術者在術中的操作都可能會影響手術的效果；(4)使用3D打印導向模板輔助手術時，往往需要充分地顯露導板的貼附區，可能會增加手術創傷。因此，考慮到3D打印的成本和收益，以及手術的風險，3D打印技術對于復雜或不典型的脊柱疾病可能是最有價值的。

在過去的十幾年中，3D打印技術一直是脊柱外科的研究熱點，以其獨特的優勢，使得脊柱外科中的一些疑難雜癥得到了很好的診斷與治療，是一項值得進一步研究的技術。3D打印技術用于醫學教育、醫患溝通及術前規劃較傳統的方法均有著顯著優勢。3D打印用于術中的導向模板和個體化假體，在獲得了更好臨床治療效果的同時也降低了手術并發癥的發生率，為臨床上提供了一種新的治療方案。3D打印結合生物技術的再生醫學研究與實踐正在不斷推進，為今后的骨缺損骨修復乃至打印人體器官移植提供了美好的愿景，或將成為撬動未來醫學技術發展的核心。