3D打印技术在脊柱外科的应用及其未来前景

廖穗祥, 陈露明

1中山陈星海医院骨科(广东中山 528415); 2广州市番禺中心医院脊柱外科(广东广州 511400)

3D打印技术是一项革命性的技术，正对脊柱外科领域产生极大的影响，并具有难以估量的发展潜力。本文就3D打印技术在脊柱外科中的应用现状、临床疗效、未来发展方向及其局限性进行全面性的论述。自上世纪90年代以来，3D打印技术已用于制定复杂脊柱手术的术前规划。如今，该技术的应用已扩展至术中。术前，3D打印技术主要用于创建脊柱畸形患者的精确解剖模型，以便于制定周全的手术方案，同时也有利于住院医生术前对患者进行直观清晰的讲解。与此同时，高年资医生可通过3D打印模型的模拟手术对规培医师和实习医师进行生动的教学。在过去，脊柱外科医生通常通过读取二维图像后在大脑中自己构建三维模型，来评估手术操作的难易程度，3D打印的解剖模型更趋于真实的手术场景，提供完美的三维视觉辅助，便于术者理解与思考，这是CT或MR无法比拟的优势所在[1]。在术中，3D打印技术已用于创建脊柱外科的引导系统、置钉模板和定制的个性化植入物方面。尽管3D打印技术具有多方面卓越的优势，如改善患者的手术疗效和减少医患的术中辐射暴露等，但它也一直面临着阻碍其广泛应用于临床实践中的挑战。尽管如此，3D打印技术仍然是一种有望改变脊柱外科手术实践的重要技术。

1 技术特点

增材制造(additive manufacturing，AM)俗称3D打印或快速成型，它是利用了计算机辅助设计，同时融合材料加工与成型技术，以数字模型文件为基础而重建的实体模型。具体操作步骤是：(1)患者的解剖模型源于CT或MRI图像的二维数据和矢量数据，同时应用专业的3D或多平面建模软件将它们转换为3D数字模型；(2)运用专业的打印机将上述的3D数字模型通过薄层截面打印叠加方式进行实体重建。最早的3D打印技术被称为立体光固化成型技术(SLA技术)，由Charles Hulk在20世纪80年代发明，它是利用了紫外激光和光固化树脂来完成打印的[2]。从那以后，3D打印科技得到了长足的发展，从外科手术模拟到个性化的手术器械设计以及组织工程的支架和细胞打印等多个新兴工艺方面都有所涉及。

3D打印是一种横截面逐层打印叠加重构三维模型的技术。它在组织结构支架或框架重建方面是有着天然的优势，能很好地重建物体内部高孔隙率的微观结构，这是传统锻造工艺技术无法比拟的[3]。该技术可以打印出含磷酸盐或锶盐的支架，以刺激血管的形成和促进成骨细胞增殖[4-5]。有些学者曾成功研究出3D打印的羟基磷灰石支架以促进骨细胞的增殖[6-7]。其中Seitz等[8]用羟基磷灰石粉末制备了适合骨细胞生长和潜在骨细胞移植的多孔陶瓷支架。Qian等[9]还通过3D打印钛合金与羟基磷灰石涂层的复合材料进一步证明了该技术在构建功能梯度植入物方面的可行性问题。

然而，不同的3D打印工艺之间差异性是很大的。熔融沉积建模法(fused deposition modeling,FDM)是一种将各种热塑性材料加热熔化进而堆积成型的3D打印方法[3]。该技术近年来通过不断地工艺改进已可将生物相容性良好的材料打印出医生所需要的组织支架。在骨组织工程中，FDM工艺可支持使用软骨细胞和成骨细胞打印生成支架[3]。同样，FDM工艺也可以打印出含有羟基磷灰石的支架。由于两亲性聚合物亲和效应的作用，羟基磷灰石支架具有良好的骨传导性[10]。光敏树脂选择性固化(stereo lithography appearance，SLA)是一种利用紫外激光束在液态光敏树脂表面勾画出物体的第一层形状，然后制作平台下降到设定的距离，再让固化层浸入液态树脂中，如此反复直到成型的3D打印方法。SLA技术的缺点在于很难寻找到具有光诱导特性的生物相容性材料。该工艺最近的医学进展主要是不断地寻觅和扩充这种相关的材料[3]。其他新近发展的3D打印工艺包括选择性激光烧结工艺和计算机的3D绘图，所有这些工艺技术在医学组织重构方面都显示出巨大的潜力，尤其是在骨组织工程领域[11-13]。

目前3D打印科技仍有许多难以逾越的技术限制，但我们相信在不久的将来必然会有所突破。其中一个受限制的因素是：由于当前的工艺技术水平限制，打印过程中不可避免地会产生空气气泡从而形成空腔，并且无法在成品中清除；另一受限的因素是：尽管在骨骼和植入物3D模型重构方面取得了许多成功，但在神经、血管等软组织重构方面仍需要进一步研发。此外，依据被模拟的组织质地纹理进行材料的改良，以求达到完美的仿生效果，也是未来3D科技所追寻的目标之一。

2 3D打印模型精准度的探讨

3D打印科技具备着前所未有的精准度，可完美模拟患者的解剖结构，在脊柱外科领域有着相当重要的临床应用价值。脊柱虽然是人体所有骨结构中最为复杂的骨组织，但既往国内外的研究成果表明：3D打印科技能精准地重构出脊柱任意部位复杂的解剖结构。有学者[14]将健康人体的颈椎、胸椎和腰椎的CT图像与各自的3D打印模型进行了比较，发现3D模型具有很强的解剖相似度。另一项研究是将尸体骨盆的3D打印模型与之进行精准度评估，发现它们之间无显著性差异[15]。McMenamin等[16]研究结果表明3D科技打印的模型不仅精确立体地显示了解剖结构的放射学数据，而且还能准确地显示出人体中气、液体填充的空间。现今的打印技术已可以依据患者骨组织的钙含量进行解剖重建，从而更加清晰直观地为术者提供患者的骨密度信息[17]。

3 3D打印在术前规划中的应用

3D打印的脊椎模型最大的优势是可以为术者提供贴近术中真实状态的手术模拟场景，这对于准备处理复杂的脊柱病变手术是极有帮助的。我们可以利用3D打印脊柱模型进行术前视觉参考和模拟手术，有学者[18]成功地完成了复杂的颈椎原发肿瘤的整块切除手术。他们在另一复杂的枕颈疾患案例里，运用3D打印模型进行术前小关节倾斜角度、假关节形成与否、椎弓根粗细和长度以及椎动脉走行等参数的研究。模型的数据便于医生在术前对钉棒的尺寸以及置钉角度进行精准预判[19]。在一些需要手术纠正脑脊膜膨出症的脊柱畸形患儿中，3D打印科技不仅可在术前创建手术模型，而且还能为患儿制订个性化的脊柱器械[20]。医生通过术前3D模型的矢状位力线数据以及术前设计的椎弓根螺钉导航模板，可轻松地完成胸腰椎骨折脱位的手术治疗。该疾患此种处理程序的优点在于缩短了手术治疗的时间，减少术中的出血，有利于脱位的胸腰段脊柱更好地复位,术后Frankel分级更高[21]。3D快速成型科技目前也用于一些需要翻修处理的腰椎间盘突出症案例术前计划的制定，这样做的好处在于缩短手术时间和减少术中的出血[22]。一项将Lenke Ⅰ型青少年特发性脊柱侧凸(AIS)进行后路矫正手术的对比研究结果显示：采用3D打印脊柱模型进行术前规划与不用3D模型相比，它的手术时间明显缩短，术中失血量和输血量大幅减少，而且患者术后血红蛋白数量远高于不用3D模型进行术前规划的。然而，两组间的术中术后并发症发生率，患者住院时间，术后影像学结果或椎弓根螺钉置偏率均无显著差异[23]。

当下，术前3D打印科技的应用仍存在着一定的认知局限和技术局限性。尽管国内外许多研究确实证明了在术前规划中使用3D打印模型有着多重优势，但在许多实际临床工作中，例如一些并不复杂的常见病，这种做法就显得多余而且增加了患者的医疗成本。尽管这些模型可能会缩短术者的手术操作时间，但我们也要考虑到术前模型建立的设计和打印时间成本问题。最后，由于当前3D技术应用效率问题：术前设计和重建3D模型的时间延迟，如今该技术在脊柱外科急性创伤的急诊手术情景下无法得到推广。然而在创伤骨科的急诊髋臼重建方面已有相关的应用案例[24]。我们相信在不久的将来，随着3D快速成型科技的速度与实用性的提升，它必然会在脊柱创伤领域得到更为广泛的应用。综上所述，笔者认为只有在复杂的脊柱外科病案中，术前3D打印才会有更为现实的应用价值。

4 3D打印在患者和医学生教育中的应用

在3D打印问世之前，传统上只能采用尸体标本实施教学和外科手术模拟。然而，由于尸体捐赠的短缺、健康与生物安全问题，它们的使用会受到很大程度的限制[14]。另外一些因素，诸如复杂病例所带来的挑战和医生有限的精力问题都会对专科医生的手术治疗自信心造成打击。3D打印的脊柱模型不仅可以替代尸体标本，而且具有很强的个性化特点，有利于制订术前规划以及实施相关的医疗培训。3D打印的模型在为医学生甚至是资深的专科医生提供最先进的外科手术模拟训练方面具有非常广阔的前景[25]。

有研究[26]证实，术前3D模型在导航复杂脊柱畸形的内植物和提升术者对患者解剖特点的理解方面具有非常实用的价值。在一项尸体标本模拟手术的研究中，低年资住院医师术前使用颈椎3D模型和应用该模型进行模拟开槽训练，训练完毕后他们均能成功并精确地在尸体上进行槽的定位并完成颈椎后路单开门成形术，这是该手术过程的关键点且技术要求很高的步骤[27]。具有特征仿真的脊柱3D打印模型可以模拟患者真实状态的骨密度情况，从而协助低年资的住院医生在影像学引导下进行脊柱疾患的诊断和手术置钉操作的定位[17, 28]。

3D打印的脊柱模型可应用于与患者及其家属交流的手术知情同意签署过程。患者个性化的3D打印脊柱模型可以帮助和指导其做治疗上的决策，同时医生可用模型解释和教育他们脊椎疾病的病理学成因和分析手术步骤[26, 29]。

5 3D打印在术中的应用——导航系统

3D打印技术在脊柱术中的初步临床应用主要是为了准确置入椎弓根螺钉而创建钻孔导板。利用患者脊柱CT薄层扫描数据，运用计算机软件设计置入椎弓根螺钉的导板，进行术前3D打印并消毒，术中使用[30-31]。颈椎椎弓根螺钉由于其生物力学上的优势，是颈椎后路内固定的最佳选择。然而，颈椎椎弓根相对狭窄置钉时有损伤神经和椎动脉的风险，如果术中采用3D打印的导板进行椎弓根螺钉的置入是一种有效降低风险的解决方案(图1)。在一项尸体标本的研究中，发现使用个性化的颈椎弓根导板进行置钉操作可以大大提高椎弓根螺钉置入的精准性[32]。这种术中3D导板引导椎弓根钉置入的方法适用于人体脊柱内任意部位的椎弓根置钉。关于颈椎椎弓根螺钉的固定方面，国内外多项研究比较了术中通过3D导板置钉的方法和通过术中透视检查徒手置钉的方法，结果表明，3D导板置钉法不仅提高了术者置钉的精准度，而且减少了并发症的出现。此外，笔者认为3D导板辅助下颈椎弓根置钉法还有缩短手术时间，方便使用，制作成本适中以及减少术中辐射次数的优点[30-33]。3D导板辅助下的胸椎弓根置钉法同样具备了高精准性、安全性和便利性的特点[34-35]。有学者[36]对腰椎椎弓根螺钉置入的研究发现，3D导板引导法和术中透视置入法在准确性上没有显著差异，其准确率分别为100%和98.4%。但是，该研究发现3D导板组确实在手术时间、失血量和放射剂量方面有显著减少。同样，多项研究也表明在3D导板辅助下进行跨部位多节段的椎弓根螺钉固定，其置入的精准度获得了很大的提升，缩短了手术操作时间，减少了辐射暴露，降低了椎弓根穿破的风险，同时也是一种成本低廉的方法[37-38]。

图1 根据薄层CT扫描图像使用Mimics软件三维重建颈椎

尽管如此，目前仍有诸多问题限制了3D打印技术在术中的广泛应用。3D打印技术的运用通常需要有熟练掌握3D软件背景的医疗专家来执行术前目标3D模型的分割。此外，3D影像数据的处理、重建、设计以及术中导板的打印都是一件时间非常紧迫的过程，这些是限制它在医院广泛使用的重要因素。另一因素就是3D打印技术会增加一些额外的医疗成本。然而，随着目前3D软件的升级改良以及3D打印机小型化的发展，已允许医生从生成3D数字化模型到分割再到打印的所有步骤，均可在一台界面友好的计算机上完成。因电脑自动化技术的进步，这个过程就显得非常流畅和精简。虽然图像处理和3D导板的打印工序需要在手术前花费几个小时，但导板系统已被证实可以减少手术时间，相比之下，笔者认为还是值得术前花工夫去完成的。一篇关于3D打印技术在脊柱手术应用的综述里有这么一条结论：在手术室节省10 min与术前花1 h准备导板系统是等价的[39]。

6 3D打印在术中的应用——内植物

3D打印科技促进了个性化手术的发展。市场上的植入物并不总与患者的解剖特点相匹配，但3D打印科技为开发可定制的手术工具和植入物提供了条件。有学者[40]制作了一个3D打印的C2钛合金假体，用于切除因尤文氏肉瘤破坏后上颈椎前中柱的重建。由于解剖结构的复杂性、广泛切除的必要性，以及缺乏重建的特殊植入物，肿瘤切除在寰枢区域就显得特别具有挑战性[40]。Kim等[41]成功地设计了一款个性化的3D打印内植物，用于半骶骨切除术后的骨盆重建。目前，国内外已有多宗3D打印的内植物成功治疗复杂脊柱疾患的案例报道，这些内植物包括后路固定物、前后路椎间融合器等各方面医疗耗材[42-44]。这些经过改良设计的内植物可以有效改善器材表面应力集中问题，降低了内植物脱位和下陷的速度，大幅提升内植物的初始稳定性，缩短手术时间，有利于术者对脊柱畸形的手术矫正，减少失血量，同时降低了神经血管损伤的风险[20, 39, 45]。随着组织工程和3D打印科技的不断进步，椎间盘的3D打印有望在不久的将来可以得到实现[46-47]。尽管目前3D技术已经可以打印出精准的个性化内植物，但国内外相关的文献报道仍不多(图2)。

目前仍有诸多问题限制了个性化3D打印内植物在脊柱外科的应用。由于3D打印个性化内植物是最近发展起来的新事物，这种内植物现今缺乏术后长期随访的临床结果数据。因此，仍需要一定的时间获取正面的临床数据来积极支持和证明该内植物可在脊柱手术中推广。为了确保患者的生命安全，我国的食药品监督管理局对3D打印的内植入有着一套极为严苛的审批准入制度。

7 展望

脊柱外科中的3D打印科技目前可用于作术前规划、医学生的培训及手术演练展示，患者的宣教、术中导板设计、术中个性化内植物等方面，并正在引领着组织工程学的发展。然而，治疗成本的增加、打印材料的限制以及打印模型造成的时间延迟也制约着3D打印技术的发展。

3D打印技术在打印复杂微观结构内植物方面有着绝对的优势，通过微尺度连续投影技术(μCPP)打印复杂的中枢神经系统支架并装载神经前体细胞可促使脊髓轴索再生[48]；通过打印椎间盘支架并装载生长因子可以促使椎间盘髓核及纤维环再生[49]。随着生物打印技术的发展以及快速3D打印技术的应用，3D打印技术将不仅仅局限于打印非细胞类的手术工具以及内植物,3D打印活体细胞也已经成为现实。目前最有可能打印的是一些简单的组织例如皮肤、骨及软骨组织，对于更为复杂的器官组织，仍面临巨大的挑战。同时，由于打印活体细胞组织，在储存以及运输方面也将面临巨大挑战[50]。

在3D打印科技广泛应用于脊柱外科临床之前，打印设计流程的简化、精准度的提升以及优良的临床随访结果都是必不可少的前提条件。随着3D打印技术、材料学、生物打印的发展，3D打印技术在骨科应用将会愈加广泛。

利益相关声明：所有作者共同认可论文无利益冲突。

作者贡献说明：陈露明负责撰写，廖穗祥负责修订审阅。