3D打印技术在脊柱个体化手术中的应用进展

余定华，李科，廖世亮

(重庆市江北区中医院骨伤一科，重庆 400020)

3D打印技术出现于20世纪80年代，又被称作增材制造[1]。随着现代材料与计算机科学的不断发展，3D技术在心血管内科、骨科、颌面外科等医学领域的使用越来越广泛，并成为当今临床医学的研究重点与热点[2]。3D打印技术以基础影像学数据为素材，借助医学图像处理技术建立模型，并经逆向工程技术软件实施三维模型重建，在计算机软件辅助下实施个性化设计并重建模型，随后将数据录入带有计算机辅助制造软件的3D打印机，经过可黏合材料的逐层堆积形成具有高精密性、快速成型、个体化等特点的三维实体，目前，此技术已在临床得到应用[3-5]。

脊柱解剖结构复杂，毗邻重要血管、神经，故脊柱外科手术耗时长，且术中需反复透视，对操作者临床素养与手术经验的要求较高。目前，制订有效且合理的个体化手术方案、提高手术准确性与安全性、帮助简化手术流程、降低医护工作者术中的放射损伤是我国脊柱外科领域需要解决的难题[6-7]。随着医学影像学、计算机、数字化骨科等技术的飞速发展，利用3D打印技术在疾病早期诊断、制订手术方案、模拟手术、定植支具、定制内置物、术中导航等方面具有很大的优势和应用前景[8-10]。现就3D打印技术在脊柱个体化手术中的应用进展予以综述。

1 3D打印技术概述

3D打印技术是以物体三维数字模型为基础的快速成型技术，该技术利用计算机控制分层加工、逐层叠加制造所需物体。在产品成形中，与传统减材制造技术相比，3D打印技术不需要使用模具，只需根据导入计算机的计算机辅助设计图形制作所需成品，可大大节省产品制造原料，并可显著缩短产品制作周期，提高产品制造效率，降低产品制作成本。利用3D打印技术能够制造出计算机辅助设计图形分辨率与3D打印机精度允许范围内的所有形态复杂物体，目前主要用于教育、医疗、土木工程等领域。

近30多年来，3D打印技术在原材料、打印精度、打印速度等多方面得到了不断发展。3D打印技术的三维数据信息主要经计算机建模获得，使用粉末状可黏合材料(塑料、金属等)逐层打印获得快速、精准的构造实体模型[11]。近年来，3D打印技术的应用范围日趋广泛，已应用于电子、医疗、航天航空等领域[12]。随着3D打印技术相关研究的不断深入，3D打印机的制造成本逐渐降低，器械性能不断提高，3D打印技术作为工业4.0代表之一，在医学领域的应用价值逐渐受到关注。

2 3D打印技术在脊柱外科的应用

脊柱解剖结构复杂，椎管内有脊髓、神经、血管走形，手术操作风险较大[13]。由于术前无法准确评估病灶位置及其与周围脏器、血管的位置关系，限制了传统脊柱外科手术的适应证，且手术风险较高，部分患者还存在手术禁区[14]。随着3D打印技术的出现与应用，外科手术医疗模型，如Peek、人工椎体等个体化内置物逐渐用于脊柱外科手术，对实现脊柱外科手术精细化与个体化过程具有积极的指导作用，使脊柱外科手术技术得到重大的突破性进展[15]。

3D打印技术具有前瞻性，且精准度更高，三维仿真模型的建立使手术操作者可以获得大量常规影像学检查无法获得的信息，可直观显示病变的结构范围，全面了解手术部位及其周围组织的细节可大大降低误诊率，有助于准确地诊断疾病；操作者还可经三维模型构建进行术前评估与诊断，选择更理想的手术路径，确定精确的手术部位，制订更具个体化的手术方案，大大降低手术风险。通过构建三维模型还可向家属与患者讲解手术过程，从而更利于患者和家属充分了解自身病情与治疗方案，消除其疑虑，提高治疗依从性。3D打印技术在脊柱个体化手术中的应用主要体现为模型个体化、导板个体化、内置物个体化、生物打印个体化。

2.1模型个体化 不同个体的临床特征存在差异。传统脊柱外科手术常根据不同个体术前X线片、核磁共振、CT等检查结果制订手术方案，对脊柱外科医师的阅片经验、手术操作经验、立体空间想象力的要求较高。由于脊柱病灶多侵蚀椎体及其附件，影响对脊柱解剖结构的判断，导致对病灶认识难度的增加，往往需要操作者结合既往手术经验进行判断，增加了手术难度，导致手术时间延长、患者术中出血风险增加、手术安全性降低。

与单纯依靠思维想象、手术经验虚拟设计手术方案的方法相比，3D打印技术可直接准确打印出病灶区域的三维物理模型，有利于操作者直观地了解患者病灶的具体情况，包括病灶位置、形状、与周围组织关系等，对提高疾病早期诊断精准度具有重要意义[16]。此外，操作者还可在术前利用3D打印模型进行手术模拟操作，验证各种手术方案，以此提高手术设计的合理性和有效性，使手术方案的个体化差异更强，不仅可提高手术操作的精确度，在一定程度上缩短手术时间、减少术中失血量，还可扩宽脊柱外科手术适应证，使不符合传统脊柱外科手术适应证的患者获得治疗机会[17]。Pacione等[18]利用3D打印模型全面评估上颈椎畸形合并颅底凹陷者的骨性畸形、脊髓受压、椎动脉走行等情况，并通过实物模型进行手术模拟操作，根据不同患者的情况分别设计个体化手术方案，研究显示，所有患者术后恢复良好。由此可见，3D打印技术在指导制订手术方案方面的应用价值极高，手术安全性和手术成功率的提高，可在一定程度上减少医患纠纷，对促进医患沟通也具有现实意义。尹一恒等[19]应用3D打印技术治疗10例颅底凹陷合并寰枢椎脱位者的研究也获得了良好的患者满意度。但3D打印模型对数据采集的影像学要求相对较高，建模费用较高，尚无法在基层医院普及。

2.2导板个体化 目前各类脊柱手术均需置入椎弓根螺钉，目前常用的置钉方法仍以术者徒手置钉为主。由于部分上颈椎畸形、先天性脊柱侧凸等患者的椎体形态规则性不佳，且多伴发育畸形或旋转，故徒手置钉风险大、难度高，置钉失误将损伤血管、脊髓，部分可诱发严重并发症，甚至致命[20-21]。Upendra等[22]的研究发现，徒手置入椎弓根螺钉的错位风险为20%～30%，损伤神经、血管的概率约为2%。故降低置钉失误率、提高置钉成功率和安全性成为脊柱外科医务工作者面临的重要问题之一。Sugawara等[23]使用3D打印导板辅助12例寰枢椎不稳定患者的术中寰椎侧块钉置入，并置入枢椎椎弓根螺钉的研究显示，螺钉全部成功置入，骨皮质无损伤；术后影像学复查显示，置钉路线较术前计划路线偏差较小。Lu等[24]的研究也证实了3D个体化导板打印技术的应用优势。可见，3D打印技术打印导航模板可帮助临床医师术前充分了解患者置钉部位的三维解剖结构，可提高手术的精确性、减少置钉失误、促进解剖面完全吻合，对指导手术顺利实施、增加置钉安全性的意义重大[25]。

2.3个体化内置物 脊柱解剖结构复杂且特殊，对内固定材料精细度的要求很高，但椎间融合器、椎弓根螺钉、钛网等现有内固定材料均为统一生产，不同型号内固定材料各异，无法完全满足所有患者的需求。目前，对定植个体化内置物脊柱外科应用的研究较少，仅为个案研究。

3D打印内置物个体化制订应用于脊柱外科的可行性尚不确定，还需大样本临床研究的确定。Xu等[26]对1例12岁男性C2尤因肉瘤患儿实施肿瘤全切术，采用3D打印技术成功为其制订个体化枢椎置入物，这种个体化枢椎置入物经过显微结构优化，与传统置入物相比，个体化枢椎置入物的生物力学稳定度较高，骨愈合效果也更好，可最大限度地保留患儿颈椎功能；术后随访1年，肿瘤未复发。Spetzger等[27]根据术前患者CT数据绘制了3D颈椎模型，并利用3D打印技术设计了椎间融合器，将融合器用于融合术的研究发现，融合器与相邻椎体终板的贴合性更理想；术后随访发现，椎体间稳定性良好，与传统椎间融合器相比，该椎间融合器未发生脱位和下沉，且不需要再次内固定，稳定性较好。综上所述，3D打印技术可制作较理想的手术内置物，明显提高手术成功率。

3D打印技术内置物个体化设计的主要优势有：①可完全满足脊柱外科患者内置物的多样性与个性化需求，且符合每例患者的解剖形态特征，在脊柱外观与功能重塑方面效果更佳，对患者术后活动无明显影响；②3D打印技术作为一种集光/机/电、计算机、数控及新材料于一体的先进制造技术，可直接打印出具有生物活性的模具，与人体器官解剖结构基本匹配；③3D打印技术结合多孔技术打印出的个体化置入物可使置入物与患处组织达到理想的骨性结合，有利于内置物稳定性的强化[28-30]。

2.4生物打印个体化 3D打印技术建立在数字三维模型基础上，其生物材料、细胞单元等均依照增材制造原理进行装配定位，目前已通过该技术制造出器官、组织工程支架、医疗器械等医用材料[31]。3D打印技术的个体化生物打印是材料学与生物医学相互交叉融合的学科，目前已用于较小组织单元的打印。3D打印技术的材料选择多样，可制备多种骨组织支架，可满足所有个体的个性化需求，现已用于脊柱外科手术。生物材料支架是3D打印技术在脊柱外科手术应用的基本内容，其良好的机械强度是帮助脊柱进行稳定性重建和三维支架分化增殖的关键[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备的人工骨，不仅可单独使用，还可结合钛网使用。罗文峰等[35]对3D打印技术的研究发现，3D打印技术可将支架材料、生物相容性细胞、信号分子、生长因子等打印得到具备活体器官生理功能的打印器官，目前处于动物实验和细胞实验阶段，在生物医学领域具有巨大的应用空间和良好的应用前景。

3 3D打印技术的局限性

3D打印技术将在未来引领大批量造模式向个体化制造模式发展，其突出优势为节约制造成本、提高生产效率、实现复杂结构的一体化制造；其核心理念是逐层增加的增材制造，3D打印技术置入物的制作可一体成型，不需要嵌入其他零件来维持产品构建，故3D打印技术制作的置入物可用于构建任何角度定位的平台，不需要考虑材料的加工方式。由此可见，3D打印技术的应用不受材料加工方式的限制，只需明确打印物体的空间位置关系即可。

目前，3D打印技术已逐渐应用于脊柱个体化手术模具的制作，但其仍存在一定的局限性，主要表现为：①3D打印技术成本过高，缺乏大量应用环境。目前，3D打印技术的技术水平尚未发展成熟，打印过程必须依赖前期建立的准确坐标系统，整个打印过程需要软件、设备与材料等许多领域相配合，但目前相关设备与材料的发展仍处于探索阶段，且高精度3D打印机的价格仍居高不下，构建三维模型所用软件需要复杂的操作技巧，需要耗费操作人员一定的时间去了解与学习，在一定程度上限制了3D打印技术的普及和应用[36]。②打印质量与打印要求存在差异。目前，不同级别、不同厂家、不同材料制作的3D打印机的打印精确度差别较大，尤其是商品化的桌面级3D打印机，其打印精确度极差，这类打印机打印出的产品不能满足脊柱外科个体化手术置入物的高精度要求。③打印材料的限制。目前，3D打印技术的工艺尚不成熟，导致打印成型产品的结构强度普遍无法达到使用标准，仍需要热处理等后置处理方法来增加材料的强度，极大地限制了3D打印技术的使用范围。此外，3D打印技术目前仍无法实现跨类别材料的用时打印，故其最常见的使用范围依然局限于制作功能与结构相对单一的产品。随着计算机技术及新型制造产业的进一步发展，3D打印技术将获得更好、更快的发展[37]。3D打印技术在脊柱外科手术中的应用具有较理想的发展前景，但仍有诸多问题需进一步探索研究。

4 小 结

目前，3D打印技术已应用于脊柱外科领域，其在术前诊断、术中导航、医患沟通、支具制作、内置物制作等方面的发展迅速，但我国3D打印技术骨组织工程的研究仍处于起步阶段。随着现代医疗技术和3D打印技术的发展，3D打印技术在脊柱外科个体化手术方案设计中将获得重要进展，并取得具有历史性意义的研究成果，将精准组织细胞复制技术应用于医学临床各科室组织修复、重建、再生，颠覆了传统脊柱外科手术方式。