3D 打印鈦合金椎間融合器在脊柱退行性疾病中的應用

朱軒灝，俞 陽，劉希麟

1.電子科技大學醫學院，成都 610054

2.四川省人民醫院骨科，成都 610072

脊柱退行性疾病通常表現為疼痛和神經根癥狀，極大影響患者的生活質量。椎間融合術是治療脊柱退行性疾病的常用術式，常用自體骨、同種異體骨或椎間融合器修復丟失的椎間隙高度，矯正畸形，實現神經根減壓［1-5］。但自體取骨可能會導致取骨區疼痛、感染等并發癥［6］；采用同種異體骨植骨可能產生排斥反應；椎間融合器如與病變椎間隙不匹配、與正常骨的彈性模量相差較大，術后可能發生椎體塌陷、融合器移位/沉降等并發癥［7］。3D 打印鈦合金椎間融合器利用CT 或MRI 等影像數據重建三維圖像，將數據輸入3D 打印機，將可黏合材料逐層堆積形成三維實體。與普通機械制造的融合器相比，3D 打印鈦合金椎間融合器具有個體化、高精密性、成型快等優點［8］。3D 打印鈦合金椎間融合器具有微孔結構，通過控制空隙率和空隙大小，可更好地模擬人體骨，降低彈性模量，使其彈性模量與人體骨相當，促進骨融合［9］。隨著3D 打印技術的發展，3D 打印鈦合金椎間融合器在臨床上的應用也逐漸增多。本文就3D 打印鈦合金椎間融合器的臨床應用、特點、存在的問題作如下綜述。

1 在頸椎退行性疾病中的應用

van den Brink 等［10］的研究發現，采用3D 打印鈦合金椎間融合器行頸椎融合術，術后2 年患者骨完全融合，且融合器上可觀察到骨小梁附著和生理重塑，表明3D 打印椎間融合器具有良好的生物相容性，可促進骨融合。楊旭等［11］在采用頸椎前路椎間盤切除融合術（ACDF）治療頸椎病患者的研究中對比了聚醚醚酮（PEEK）融合器和3D 打印鈦合金融合器的效果，結果顯示，2 種融合器在緩解患者臨床癥狀、恢復椎間隙高度上均有效，且使用3D 打印鈦合金椎間融合器的患者手術時間更短，術中出血量更少，而且術后椎間隙高度及頸椎生理曲度恢復較PEEK 組更有優勢。劉正蓬等［12］采用ACDF 治療脊髓型頸椎病患者63 例，其中31 例術中采用3D打印椎間融合器，32 例采用PEEK 椎間融合器及同種異體骨，結果表明，3D 打印椎間融合器應用于脊髓型頸椎病可減少并發癥，促進頸椎曲度、椎間高度恢復，提高頸椎穩定性，且機體應激反應、軸性癥狀輕。王彥金等［13］采用ACDF 治療頸椎病患者67 例，33 例采用3D 打印鈦合金椎間融合器，34 例采用PEEK 融合器，結果表明，3D 打印鈦合金椎間融合器可減緩椎體沉降、維持頸椎生理曲度、加速椎間融合，療效滿意。Jin 等［14］對在頸椎椎間融合術中使用3D 打印鈦合金椎間融合器的患者進行中長期隨訪，結果顯示，患者癥狀明顯改善，椎間隙高度增加，頸椎曲度恢復，椎間融合器無明顯沉降，融合率達100%。Singh 等［15］的研究顯示，采用3D打印鈦合金椎間融合器治療的患者報告結局和融合率與采用同種異體骨治療的患者相似，但在術后各隨訪時間點的沉降較少，能更好地維持節段性脊柱曲度。吳敏飛等［16］報道了3D 打印椎間融合器在治療脊髓型頸椎病中的應用效果，結果表明，3D 打印椎間融合器較普通同種異體骨可明顯減少手術時間、住院時間、術中出血量和術后并發癥，可逐步恢復患者生理曲度和椎間隙高度，可有效緩解患者神經受壓癥狀，促進神經功能恢復。Arts 等［17］的臨床研究結果也顯示，使用3D 打印鈦合金椎間融合器的患者有更好的融合率，臨床效果顯著改善。

3D 打印鈦合金椎間融合器可用于神經根型和脊髓型頸椎病的治療，相較于自體骨、PEEK 椎間融合器和同種異體骨，其在維持椎間高度、增加融合率和降低沉降率方面都更有優勢。楊旭等［11］及吳敏飛等［17］的研究還表明，使用3D 打印鈦合金椎間融合器能夠縮短手術時間，降低術中出血量。但其他學者［12-13］認為，使用3D 打印鈦合金椎間融合器在手術時間、術中出血量及住院時間方面與使用PEEK 融合器及同種異體骨并無明顯差異。筆者認為，相同術式中采用不同融合材料并不會對手術時間、術中出血量及住院時間產生明顯影響。

2 在腰椎退行性疾病中的應用

Mokawem 等［18］對采用3D 打印鈦合金椎間融合器治療的腰椎退行性疾病患者隨訪12個月發現，98.9%的患者融合器在位，骨融合良好。Adl Amini等［19-21］的多項研究顯示，3D 打印鈦合金椎間融合器應用于腰椎椎間融合術，沉降率低，融合率高，可長時間保持椎間高度。王彥金等［22］的研究比較了后路腰椎椎間融合術（PLIF）中采用3D 打印鈦合金椎間融合器和PEEK 融合器的療效，結果顯示，2種融合器在手術時間、術中出血量、并發癥、術后神經恢復和最終椎間融合率方面無顯著差異；但3D 打印鈦合金椎間融合器能有效減少椎體下沉，加速椎間融合。Kim等［23］的研究顯示，3D 打印鈦合金椎間融合器與PEEK 椎間融合器應用于微創經椎間孔入路腰椎椎間融合術（MIS-TLIF）中的總體融合率無顯著差異，但3D 打印鈦合金椎間融合器的融合等級優于PEEK 椎間融合器。

3 在脊柱畸形中的應用

由于骨質疏松的影響，部分老年患者椎體塌陷嚴重，會出現脊柱畸形，包括后凸和側凸［24］，從而導致兩側椎間隙不等高，椎間隙不規則，普通椎間融合器不能很好地滿足此類患者的手術需要。普通椎間融合器一般為“子彈頭”形狀，不能很好適配因椎體塌陷等導致變形的椎間隙，3D 打印技術可為脊柱畸形患者量身定制不規則形狀的椎間融合器，擴大融合器與終板的接觸面積，提高穩定性，促進骨融合。Siu 等［25］采用MIS-TLIF 治療骨質疏松性骨折導致終板凹形畸形的患者，結果表明，術中使用定制3D 打印鈦合金椎間融合器有助于矯正畸形。夏天等［26］短期隨訪使用定制3D 打印鈦合金椎間融合器治療的7 例先天性頸椎側凸患者，結果顯示，定制3D 打印鈦合金融合器與皮質骨之間接觸緊密，融合良好，融合器無位移或下沉，畸形矯正率為64.45%。上述研究表明，3D打印鈦合金椎間融合器可用于治療脊柱畸形，但報道相對較少，仍須開展更多的臨床研究加以證實。

4 應用優勢

在脊柱退行性疾病的治療中，3D 打印鈦合金椎間融合器較PEEK 融合器和同種異體骨，在提高融合率、降低沉降率、維持穩定性方面更具優勢。究其原因，鈦合金本身具有耐腐蝕、耐壓縮及較好的生物相容性等特點［27-28］，3D 打印鈦合金椎間融合器的微孔結構能促進骨組織長入，從而提高融合率。PEEK 融合器遠期沉降率較高，融合率稍有不足，是因為其表面有疏水層，不能被人體組織很好地吸附［29］，無法很好地與骨融合，影響遠期融合效果，容易導致融合器沉降和移位。PEEK 融合器的優點是透光性好，彈性模量與人體骨相當［19］，能減少應力屏蔽效應；但3D 打印鈦合金椎間融合器也可通過控制孔隙大小及密度使其彈性模量與人體骨相當［9］；因此，3D 打印鈦合金椎間融合器與PEEK融合器在恢復椎間高度方面并無顯著差異，但在增加和維持椎間孔高度上較PEEK 融合器更好［20］。

3D 打印鈦合金椎間融合器的優勢：①融合率高、生物相容性好。鈦合金具有良好的成骨效能，其表面的氧化層能促進細胞外基質蛋白與其結合，為成骨細胞的黏附及分化提供有利環境［31］；具有可控的孔隙大小、密度及粗糙的表面，能為骨組織的黏附、增殖和分化提供有利環境［32］，促進骨的快速融合。②鈦合金強度高、可塑性強且耐腐蝕［27］，術后遠期療效較PEEK 融合器及同種異體骨更好，融合器沉降、斷裂等情況均明顯減少，對生理曲度及椎間隙高度的恢復更有優勢，且維持時間較長。舒啟航等［33］在一項對3D 打印鈦合金椎間融合器的三維有限元研究中提出，與傳統融合器相比，3D 打印鈦合金椎間融合器能有效避免上下終板的應力集中，提高固定節段的穩定性，減少內置物下沉風險。③能更好地匹配脊柱畸形患者變形的椎間隙，使終板與融合器接觸面積更大，從而促進融合，更好地矯正畸形，但該作用仍需進一步的研究證實。

5 存在的問題

雖然3D 打印鈦合金椎間融合器具有很多優勢，但也有其局限性。①需要根據CT、MRI 等影像學數據來成型，影像學數據的精確度直接影響產品的精確性。②需要先獲取影像學數據再進行個性化定制，較傳統融合器直接在術中匹配增加了時間成本，可能導致手術延誤，對存在脊髓壓迫或損傷的患者影響較大。③影像學上會出現遮擋、偽影，影響術后對融合率的判斷［30］。④若術中減壓導致相關解剖結構發生改變，定制的3D 打印鈦合金椎間融合器是否還適用，或有無方法避免此情況，尚需進一步研究。有研究［14］報道可用銼刀和刮匙去除軟骨終板，保持終板的骨結構而減少誤差。⑤制作成本較高［34］，價格可能是普通椎間融合器的2 倍甚至更高，這也是限制其廣泛應用的原因之一。⑥雖然上述研究顯示了其在骨融合方面的諸多優勢，但均為小樣本量研究，且隨訪時間大多只有1 年，尚需大樣本量的臨床研究長期隨訪進一步證實。

6 結語與展望

3D 打印是一種將金屬、塑料、陶瓷甚至活細胞等材料逐層熔合、熔化，打印出三維物體的方法［35］，作為一項前沿技術，其在醫療領域的應用也越來越多［36-37］。3D 打印鈦合金椎間融合器在脊柱退行性疾病治療中的應用，均取得了良好療效，但也存在部分不足，如對影像學數據精確度要求高、制作成本高、制作時間長等。隨著3D 技術的發展，相信上述問題會得到有效解決；另外，融合器的材料也不一定局限于鈦合金，希望未來可發現更接近于人體骨的生物材料或混合材料，造福更多患者；同時，也希望3D 打印鈦合金椎間融合器能廣泛應用于脊柱畸形患者的治療，如特發性脊柱側凸等。