3D打印技術在脊柱外科的應用及其未來前景

廖穗祥, 陳露明

1中山陳星海醫院骨科(廣東中山 528415); 2廣州市番禺中心醫院脊柱外科(廣東廣州 511400)

3D打印技術是一項革命性的技術，正對脊柱外科領域產生極大的影響，并具有難以估量的發展潛力。本文就3D打印技術在脊柱外科中的應用現狀、臨床療效、未來發展方向及其局限性進行全面性的論述。自上世紀90年代以來，3D打印技術已用于制定復雜脊柱手術的術前規劃。如今，該技術的應用已擴展至術中。術前，3D打印技術主要用于創建脊柱畸形患者的精確解剖模型，以便于制定周全的手術方案，同時也有利于住院醫生術前對患者進行直觀清晰的講解。與此同時，高年資醫生可通過3D打印模型的模擬手術對規培醫師和實習醫師進行生動的教學。在過去，脊柱外科醫生通常通過讀取二維圖像后在大腦中自己構建三維模型，來評估手術操作的難易程度，3D打印的解剖模型更趨于真實的手術場景，提供完美的三維視覺輔助，便于術者理解與思考，這是CT或MR無法比擬的優勢所在[1]。在術中，3D打印技術已用于創建脊柱外科的引導系統、置釘模板和定制的個性化植入物方面。盡管3D打印技術具有多方面卓越的優勢，如改善患者的手術療效和減少醫患的術中輻射暴露等，但它也一直面臨著阻礙其廣泛應用于臨床實踐中的挑戰。盡管如此，3D打印技術仍然是一種有望改變脊柱外科手術實踐的重要技術。

1 技術特點

增材制造(additive manufacturing，AM)俗稱3D打印或快速成型，它是利用了計算機輔助設計，同時融合材料加工與成型技術，以數字模型文件為基礎而重建的實體模型。具體操作步驟是：(1)患者的解剖模型源于CT或MRI圖像的二維數據和矢量數據，同時應用專業的3D或多平面建模軟件將它們轉換為3D數字模型；(2)運用專業的打印機將上述的3D數字模型通過薄層截面打印疊加方式進行實體重建。最早的3D打印技術被稱為立體光固化成型技術(SLA技術)，由Charles Hulk在20世紀80年代發明，它是利用了紫外激光和光固化樹脂來完成打印的[2]。從那以后，3D打印科技得到了長足的發展，從外科手術模擬到個性化的手術器械設計以及組織工程的支架和細胞打印等多個新興工藝方面都有所涉及。

3D打印是一種橫截面逐層打印疊加重構三維模型的技術。它在組織結構支架或框架重建方面是有著天然的優勢，能很好地重建物體內部高孔隙率的微觀結構，這是傳統鍛造工藝技術無法比擬的[3]。該技術可以打印出含磷酸鹽或鍶鹽的支架，以刺激血管的形成和促進成骨細胞增殖[4-5]。有些學者曾成功研究出3D打印的羥基磷灰石支架以促進骨細胞的增殖[6-7]。其中Seitz等[8]用羥基磷灰石粉末制備了適合骨細胞生長和潛在骨細胞移植的多孔陶瓷支架。Qian等[9]還通過3D打印鈦合金與羥基磷灰石涂層的復合材料進一步證明了該技術在構建功能梯度植入物方面的可行性問題。

然而，不同的3D打印工藝之間差異性是很大的。熔融沉積建模法(fused deposition modeling,FDM)是一種將各種熱塑性材料加熱熔化進而堆積成型的3D打印方法[3]。該技術近年來通過不斷地工藝改進已可將生物相容性良好的材料打印出醫生所需要的組織支架。在骨組織工程中，FDM工藝可支持使用軟骨細胞和成骨細胞打印生成支架[3]。同樣，FDM工藝也可以打印出含有羥基磷灰石的支架。由于兩親性聚合物親和效應的作用，羥基磷灰石支架具有良好的骨傳導性[10]。光敏樹脂選擇性固化(stereo lithography appearance，SLA)是一種利用紫外激光束在液態光敏樹脂表面勾畫出物體的第一層形狀，然后制作平臺下降到設定的距離，再讓固化層浸入液態樹脂中，如此反復直到成型的3D打印方法。SLA技術的缺點在于很難尋找到具有光誘導特性的生物相容性材料。該工藝最近的醫學進展主要是不斷地尋覓和擴充這種相關的材料[3]。其他新近發展的3D打印工藝包括選擇性激光燒結工藝和計算機的3D繪圖，所有這些工藝技術在醫學組織重構方面都顯示出巨大的潛力，尤其是在骨組織工程領域[11-13]。

目前3D打印科技仍有許多難以逾越的技術限制，但我們相信在不久的將來必然會有所突破。其中一個受限制的因素是：由于當前的工藝技術水平限制，打印過程中不可避免地會產生空氣氣泡從而形成空腔，并且無法在成品中清除；另一受限的因素是：盡管在骨骼和植入物3D模型重構方面取得了許多成功，但在神經、血管等軟組織重構方面仍需要進一步研發。此外，依據被模擬的組織質地紋理進行材料的改良，以求達到完美的仿生效果，也是未來3D科技所追尋的目標之一。

2 3D打印模型精準度的探討

3D打印科技具備著前所未有的精準度，可完美模擬患者的解剖結構，在脊柱外科領域有著相當重要的臨床應用價值。脊柱雖然是人體所有骨結構中最為復雜的骨組織，但既往國內外的研究成果表明：3D打印科技能精準地重構出脊柱任意部位復雜的解剖結構。有學者[14]將健康人體的頸椎、胸椎和腰椎的CT圖像與各自的3D打印模型進行了比較，發現3D模型具有很強的解剖相似度。另一項研究是將尸體骨盆的3D打印模型與之進行精準度評估，發現它們之間無顯著性差異[15]。McMenamin等[16]研究結果表明3D科技打印的模型不僅精確立體地顯示了解剖結構的放射學數據，而且還能準確地顯示出人體中氣、液體填充的空間?，F今的打印技術已可以依據患者骨組織的鈣含量進行解剖重建，從而更加清晰直觀地為術者提供患者的骨密度信息[17]。

3 3D打印在術前規劃中的應用

3D打印的脊椎模型最大的優勢是可以為術者提供貼近術中真實狀態的手術模擬場景，這對于準備處理復雜的脊柱病變手術是極有幫助的。我們可以利用3D打印脊柱模型進行術前視覺參考和模擬手術，有學者[18]成功地完成了復雜的頸椎原發腫瘤的整塊切除手術。他們在另一復雜的枕頸疾患案例里，運用3D打印模型進行術前小關節傾斜角度、假關節形成與否、椎弓根粗細和長度以及椎動脈走行等參數的研究。模型的數據便于醫生在術前對釘棒的尺寸以及置釘角度進行精準預判[19]。在一些需要手術糾正腦脊膜膨出癥的脊柱畸形患兒中，3D打印科技不僅可在術前創建手術模型，而且還能為患兒制訂個性化的脊柱器械[20]。醫生通過術前3D模型的矢狀位力線數據以及術前設計的椎弓根螺釘導航模板，可輕松地完成胸腰椎骨折脫位的手術治療。該疾患此種處理程序的優點在于縮短了手術治療的時間，減少術中的出血，有利于脫位的胸腰段脊柱更好地復位,術后Frankel分級更高[21]。3D快速成型科技目前也用于一些需要翻修處理的腰椎間盤突出癥案例術前計劃的制定，這樣做的好處在于縮短手術時間和減少術中的出血[22]。一項將Lenke Ⅰ型青少年特發性脊柱側凸(AIS)進行后路矯正手術的對比研究結果顯示：采用3D打印脊柱模型進行術前規劃與不用3D模型相比，它的手術時間明顯縮短，術中失血量和輸血量大幅減少，而且患者術后血紅蛋白數量遠高于不用3D模型進行術前規劃的。然而，兩組間的術中術后并發癥發生率，患者住院時間，術后影像學結果或椎弓根螺釘置偏率均無顯著差異[23]。

當下，術前3D打印科技的應用仍存在著一定的認知局限和技術局限性。盡管國內外許多研究確實證明了在術前規劃中使用3D打印模型有著多重優勢，但在許多實際臨床工作中，例如一些并不復雜的常見病，這種做法就顯得多余而且增加了患者的醫療成本。盡管這些模型可能會縮短術者的手術操作時間，但我們也要考慮到術前模型建立的設計和打印時間成本問題。最后，由于當前3D技術應用效率問題：術前設計和重建3D模型的時間延遲，如今該技術在脊柱外科急性創傷的急診手術情景下無法得到推廣。然而在創傷骨科的急診髖臼重建方面已有相關的應用案例[24]。我們相信在不久的將來，隨著3D快速成型科技的速度與實用性的提升，它必然會在脊柱創傷領域得到更為廣泛的應用。綜上所述，筆者認為只有在復雜的脊柱外科病案中，術前3D打印才會有更為現實的應用價值。

4 3D打印在患者和醫學生教育中的應用

在3D打印問世之前，傳統上只能采用尸體標本實施教學和外科手術模擬。然而，由于尸體捐贈的短缺、健康與生物安全問題，它們的使用會受到很大程度的限制[14]。另外一些因素，諸如復雜病例所帶來的挑戰和醫生有限的精力問題都會對?？漆t生的手術治療自信心造成打擊。3D打印的脊柱模型不僅可以替代尸體標本，而且具有很強的個性化特點，有利于制訂術前規劃以及實施相關的醫療培訓。3D打印的模型在為醫學生甚至是資深的?？漆t生提供最先進的外科手術模擬訓練方面具有非常廣闊的前景[25]。

有研究[26]證實，術前3D模型在導航復雜脊柱畸形的內植物和提升術者對患者解剖特點的理解方面具有非常實用的價值。在一項尸體標本模擬手術的研究中，低年資住院醫師術前使用頸椎3D模型和應用該模型進行模擬開槽訓練，訓練完畢后他們均能成功并精確地在尸體上進行槽的定位并完成頸椎后路單開門成形術，這是該手術過程的關鍵點且技術要求很高的步驟[27]。具有特征仿真的脊柱3D打印模型可以模擬患者真實狀態的骨密度情況，從而協助低年資的住院醫生在影像學引導下進行脊柱疾患的診斷和手術置釘操作的定位[17, 28]。

3D打印的脊柱模型可應用于與患者及其家屬交流的手術知情同意簽署過程?；颊邆€性化的3D打印脊柱模型可以幫助和指導其做治療上的決策，同時醫生可用模型解釋和教育他們脊椎疾病的病理學成因和分析手術步驟[26, 29]。

5 3D打印在術中的應用——導航系統

3D打印技術在脊柱術中的初步臨床應用主要是為了準確置入椎弓根螺釘而創建鉆孔導板。利用患者脊柱CT薄層掃描數據，運用計算機軟件設計置入椎弓根螺釘的導板，進行術前3D打印并消毒，術中使用[30-31]。頸椎椎弓根螺釘由于其生物力學上的優勢，是頸椎后路內固定的最佳選擇。然而，頸椎椎弓根相對狹窄置釘時有損傷神經和椎動脈的風險，如果術中采用3D打印的導板進行椎弓根螺釘的置入是一種有效降低風險的解決方案(圖1)。在一項尸體標本的研究中，發現使用個性化的頸椎弓根導板進行置釘操作可以大大提高椎弓根螺釘置入的精準性[32]。這種術中3D導板引導椎弓根釘置入的方法適用于人體脊柱內任意部位的椎弓根置釘。關于頸椎椎弓根螺釘的固定方面，國內外多項研究比較了術中通過3D導板置釘的方法和通過術中透視檢查徒手置釘的方法，結果表明，3D導板置釘法不僅提高了術者置釘的精準度，而且減少了并發癥的出現。此外，筆者認為3D導板輔助下頸椎弓根置釘法還有縮短手術時間，方便使用，制作成本適中以及減少術中輻射次數的優點[30-33]。3D導板輔助下的胸椎弓根置釘法同樣具備了高精準性、安全性和便利性的特點[34-35]。有學者[36]對腰椎椎弓根螺釘置入的研究發現，3D導板引導法和術中透視置入法在準確性上沒有顯著差異，其準確率分別為100%和98.4%。但是，該研究發現3D導板組確實在手術時間、失血量和放射劑量方面有顯著減少。同樣，多項研究也表明在3D導板輔助下進行跨部位多節段的椎弓根螺釘固定，其置入的精準度獲得了很大的提升，縮短了手術操作時間，減少了輻射暴露，降低了椎弓根穿破的風險，同時也是一種成本低廉的方法[37-38]。

圖1 根據薄層CT掃描圖像使用Mimics軟件三維重建頸椎

盡管如此，目前仍有諸多問題限制了3D打印技術在術中的廣泛應用。3D打印技術的運用通常需要有熟練掌握3D軟件背景的醫療專家來執行術前目標3D模型的分割。此外，3D影像數據的處理、重建、設計以及術中導板的打印都是一件時間非常緊迫的過程，這些是限制它在醫院廣泛使用的重要因素。另一因素就是3D打印技術會增加一些額外的醫療成本。然而，隨著目前3D軟件的升級改良以及3D打印機小型化的發展，已允許醫生從生成3D數字化模型到分割再到打印的所有步驟，均可在一臺界面友好的計算機上完成。因電腦自動化技術的進步，這個過程就顯得非常流暢和精簡。雖然圖像處理和3D導板的打印工序需要在手術前花費幾個小時，但導板系統已被證實可以減少手術時間，相比之下，筆者認為還是值得術前花工夫去完成的。一篇關于3D打印技術在脊柱手術應用的綜述里有這么一條結論：在手術室節省10 min與術前花1 h準備導板系統是等價的[39]。

6 3D打印在術中的應用——內植物

3D打印科技促進了個性化手術的發展。市場上的植入物并不總與患者的解剖特點相匹配，但3D打印科技為開發可定制的手術工具和植入物提供了條件。有學者[40]制作了一個3D打印的C2鈦合金假體，用于切除因尤文氏肉瘤破壞后上頸椎前中柱的重建。由于解剖結構的復雜性、廣泛切除的必要性，以及缺乏重建的特殊植入物，腫瘤切除在寰樞區域就顯得特別具有挑戰性[40]。Kim等[41]成功地設計了一款個性化的3D打印內植物，用于半骶骨切除術后的骨盆重建。目前，國內外已有多宗3D打印的內植物成功治療復雜脊柱疾患的案例報道，這些內植物包括后路固定物、前后路椎間融合器等各方面醫療耗材[42-44]。這些經過改良設計的內植物可以有效改善器材表面應力集中問題，降低了內植物脫位和下陷的速度，大幅提升內植物的初始穩定性，縮短手術時間，有利于術者對脊柱畸形的手術矯正，減少失血量，同時降低了神經血管損傷的風險[20, 39, 45]。隨著組織工程和3D打印科技的不斷進步，椎間盤的3D打印有望在不久的將來可以得到實現[46-47]。盡管目前3D技術已經可以打印出精準的個性化內植物，但國內外相關的文獻報道仍不多(圖2)。

目前仍有諸多問題限制了個性化3D打印內植物在脊柱外科的應用。由于3D打印個性化內植物是最近發展起來的新事物，這種內植物現今缺乏術后長期隨訪的臨床結果數據。因此，仍需要一定的時間獲取正面的臨床數據來積極支持和證明該內植物可在脊柱手術中推廣。為了確?；颊叩纳踩?，我國的食藥品監督管理局對3D打印的內植入有著一套極為嚴苛的審批準入制度。

7 展望

脊柱外科中的3D打印科技目前可用于作術前規劃、醫學生的培訓及手術演練展示，患者的宣教、術中導板設計、術中個性化內植物等方面，并正在引領著組織工程學的發展。然而，治療成本的增加、打印材料的限制以及打印模型造成的時間延遲也制約著3D打印技術的發展。

3D打印技術在打印復雜微觀結構內植物方面有著絕對的優勢，通過微尺度連續投影技術(μCPP)打印復雜的中樞神經系統支架并裝載神經前體細胞可促使脊髓軸索再生[48]；通過打印椎間盤支架并裝載生長因子可以促使椎間盤髓核及纖維環再生[49]。隨著生物打印技術的發展以及快速3D打印技術的應用，3D打印技術將不僅僅局限于打印非細胞類的手術工具以及內植物,3D打印活體細胞也已經成為現實。目前最有可能打印的是一些簡單的組織例如皮膚、骨及軟骨組織，對于更為復雜的器官組織，仍面臨巨大的挑戰。同時，由于打印活體細胞組織，在儲存以及運輸方面也將面臨巨大挑戰[50]。

在3D打印科技廣泛應用于脊柱外科臨床之前，打印設計流程的簡化、精準度的提升以及優良的臨床隨訪結果都是必不可少的前提條件。隨著3D打印技術、材料學、生物打印的發展，3D打印技術在骨科應用將會愈加廣泛。

利益相關聲明：所有作者共同認可論文無利益沖突。

作者貢獻說明：陳露明負責撰寫，廖穗祥負責修訂審閱。