郑烜琦，王向阳，吴爱悯

(温州医科大学附属第二医院骨科医院脊柱外科,浙江省脊柱外科中心,浙江省骨科学重点实验室,温州医科大学第二临床医学院,浙江温州325027)

0 引言

三维打印技术又称“增材制造技术”,是利用以计算机生成的3D图像数据文件或其他电子数据为来源制作3D打印对象的过程［1］。最初它被应用于工业生产,利用其逐层堆积打印实物的优势来打印出具有一定强度和性能的任何形状的个体化新产品实物。后来,随着医学影像学和计算机辅助三维成像、设计、制造技术,以及材料学的不断发展,3D打印技术被引入到医疗行业,并取得一定成果。目前,它在脊柱外科的各个方面都得到了广泛的应用。

1 解剖研究和教学

解剖学是医学的基础,熟练掌握解剖学知识是外科医生的基本要求。然而,由于脊柱结构复杂,且毗邻重要血管神经,在脊柱外科的诊疗过程中,尤其是高难度高要求的脊柱手术中,熟练掌握脊柱的解剖学结构尤为重要。

以往脊柱外科解剖教学的主要方式仍然是课堂讲解和尸体解剖［2－3］。传统解剖学教育中使用的脊柱骨骼模型可分为两种：一种是从尸体解剖出骨骼实物,经清理、腐蚀、脱脂、漂白、防腐等一系列特殊处理后,再通过连接组装成骨骼模型,但是由于制作工艺复杂,遗体来源有限,以及可能带来的伦理学和法律方面的问题,骨骼模型制作数量有限,显得较为珍贵,难以满足教学实际需要；另一种模型是模具制作的石膏模型,优点是可以通过制作模具批量生产,其缺点是精准性较差,模具制作复杂,而且模具制作的模型较为单一,同样不能满足教学需求［3］。两种模型并不能应用于案例分析和教学,基于人体解剖学、医学影像学数据和计算机辅助设计、制造的3D打印技术能够为我们提供准确的模型结构［4］。利用3D打印脊柱模型,可以研究一些内固定方式的可行性和最佳路径［5－6］,为临床医师提供参考。 3D 打印技术还可以帮助研究开发和设计一些新的脊柱内固定手术方式［7］。 同时结合 DR、CT、MRI等影像学资料可帮助临床教学［8］,包括分析患者的解剖结构,还原患者的受伤机制,判断损伤的分型和分级［9］,制定治疗方案和手术策略。不仅如此,解剖研究中使用3D打印脊柱模型的优点还包括以下几点：准确的脊柱形态测量；可接受的价格；可以利用医院图像存档和通信系统提供的CT或MRI数据；从同一患者的CT或MRI数据中建立度量模型可得到一致的形态学；避免使用尸体标本的伦理问题；克服低尸体捐赠率国家尸体标本供应有限的问题；没有尸体标本的气味；不需要特殊的存放条件和卫生防护措施等［10］。

另外,在学习手术技术方面,以往只能对着解剖图谱或者标本以及手术视频进行手术技术教学,然后在尸体标本上让青年医师进行模拟手术［3,11］。而现在,我们能够通过在高精度标准化的3D打印模型上进行操作培训,以期减少训练时间,缩短学习曲线,使青年医师实施关键手术技能,尽早掌握相关手术技巧［12］。但是目前很多模型缺乏准确的神经血管等毗邻结构,使模型的应用有着很大的局限性。

2 术前手术规划和医患沟通

脊柱解剖复杂,尤其当疾病位于上颈椎、颈胸交界区、脊柱侧凸/畸形、脊柱肿瘤等情况时,了解病例相关病理条件下的解剖结构尤为重要。传统上,对脊柱病理学条件的理解是以影像学为基础的,但是3D打印技术能够让病理条件下的解剖结构更加精确、直观、立体地呈现,并且可以以此制定详细的个性化手术方案,同时3D打印的模型可以为术者提供一致精度的可复制的病理模型以供术者进行手术方案的改进和训练,以此来提高手术的精准度和安全性。同时,在同行讨论和医患沟通时,能够更容易地为对方所接受,最大限度地减少分歧和失误。黄式环等［13］报道将3D打印技术应用在脊柱手术患者的个性化健康教育中,能够提高患者及其家属的依从性,提高患者术后功能锻炼的积极性,取得较好的健康教育成果。运用3D打印模型进行术前计划的优势主要体现在脊柱手术的准确性上。Wu等［14］将62例患者分为传统术中透视技术组(28例)和3D打印模型手术计划组(34例)。研究发现手术计划组的3D打印模型中螺钉的放置更准确。传统的术中透视技术组胸椎和腰椎螺钉的定位准确率分别为86.1%和82%,3D打印模型组则为94.4%和91.6%。而且3D打印模型组手术时间较短,脊柱侧凸矫正率较高。Guarino等［15］对外科医生使用3D打印模型辅助小儿脊柱和盆腔手术进行了一项前瞻性观察研究,研究发现3D打印的模型在术前计划和缩短手术时间等方面有显著的益处。三维打印模型用于术前手术规划也已应用于类风湿性关节炎所致的寰枢椎脱位、椎动脉高跨畸形和不可复性寰枢椎脱位,严重脊柱畸形,脊柱肿瘤等疾病中［16］。

上述研究表明了3D打印的脊柱手术计划模型的有效性,尤其是该模型在螺钉放置方面具有更高的准确性,并减少了螺钉错位及并发症的发生率,同时也减少了手术时间、术中出血和辐射暴露的时间［17］。3D打印模型在术前规划中的成功应用归因于对病理解剖结构的真实呈现,从而使得主刀医生对患者手术区域解剖结构得以更充分地了解,并且能够以此来指定个性化的手术方案,具体包括螺钉的选择、钉道的确定、置钉深度的把握、骨切除和骨重建方案的制定等手术细节。Sugimoto等［18］认为3D打印带来的益处随着病理解剖的复杂性而增加,也跟外科医生对解剖的熟练程度有关,外科医生完全可以通过3D打印直视条件下了解患者的解剖结构,从而大大提高外科医生对复杂解剖结构的认知能力。但是,3D打印模型仅形态学相近［19］,没有椎间盘和韧带等,无法模拟真实的力学特性,因此还不能满足现今的脊柱生物力学研究。

3 术中辅助导航

有些特殊脊柱区域(如上颈椎、腰骶部)或者特殊脊柱疾病(如脊柱畸形、肿瘤)的解剖复杂多变,手术风险高。需要根据特定患者的影像学资料进行术中导航和评估,以减轻手术风险［2,20］。例如,椎弓根螺钉是脊柱手术中常用的一种固定技术,其准确置入可以降低螺钉误置等并发症。但椎弓根形态细长、粗细不一,基于表面解剖标志进行人工置钉的传统技术,在很大程度上取决于外科医生的经验,因此有很高的破坏椎弓根的风险,有可能造成潜在致命的神经血管损伤等问题［12］。以往术中常采用C臂来进行定位导航,对于复杂畸形、上胸椎、颈椎椎弓根螺钉有时采用导航系统提高准确度。但导航系统辐射大,定位过程繁琐,同时导航系统费用昂贵。为了克服这些缺点,研究者们设计了3D打印导航模板,提高术中置钉的准确性,减少脊柱术中螺钉误置率及其引起的并发症。Lu等［23］设计了一种不同患者个性化定制的导航模板和导向管引导颈椎弓根螺钉置入,即导航模板上有一个面和椎体后方骨性结构表面进行良好的面对面配合,从而准确地引导螺钉轨迹。他们将该导板用于25例患者的88枚螺钉置入手术中,发现71枚螺钉无偏差,14枚螺钉偏差＜2 mm；3枚螺钉出现偏差在2～4 mm之间；螺钉均未出现偏差＞4 mm。这项技术也可用于脊柱的其他区域和复杂脊柱解剖情况［24］。与基于CT的计算机辅助导航系统相比,3D打印个体化导航模板是一种廉价、准确的指导置钉的方法,且不受患者术中体位变化的影响。

值得一提的是,将3D打印导航模板运用到脊柱侧弯患者的个性化矫形手术治疗,不仅能大大提高置钉准确率［25］,而且,相比于传统C臂或CT计算机辅助导航,3D打印手术导航模板能大幅度减少手术时间,减少手术过程中的辐射量。Rong等［26］利用3D打印指导脊髓型颈椎病后路开门椎管成形术,可以准确控制椎板磨除位置和深度,有潜在的防止医源性脊髓或神经根损伤的作用。Lin等［27］报道采用定制的截骨工具指导切除巨大的骶骨神经鞘瘤,该技术可以在术中更精确地切缘定位,达到完全手术切除病灶的目的,并且2年随访时无并发症。

3D打印导航模板应用需做好骨表面处理工作,软组织必须完全去除,模板的表面必须与骨性表面很好地吻合,模板才能固定到正确的部位,这一操作可能会增加手术时间和术中出血量［22,28－30］。为了保证良好的骨接触吻合度的同时,尽可能减少手术时间和软组织剥离的程度。Takemoto等［29］使用钛模板,发明了一种只有7个小型圆形接触点的3D打印导航模板,但是这款钛模板的价格是聚合物基的导航模板的5倍。虽然与其他技术相比,总的来说成本一般是可接受的,近年来,用于外科计划的3D打印材料的价格大幅下降,但设计和制造过程所需的时间往往被忽略了,3D打印的模型和患者专用的导航模板是耗时的,它们的准备可能需要1～3天,时间的长短取决于模型的体积和使用的机器。而恰恰是这些因素限制了这项技术的用途［22,28－31］。其他相关问题包括生产、消毒或手术过程中的变形及需要复杂的模板设计过程,需要有软件支持来单独设计导航模板,操作软件需要较长的学习曲线［28,31］。

因此,外科医生需要平衡使用3D打印模型和个体化导航模板的获益和成本。目前认为,在常规手术中使用这种技术可能会浪费时间和金钱,似乎没有优势,而且它的使用可能仅仅局限于某些复杂或特定的脊柱情况,例如解剖位置更为复杂的上颈椎、颈胸交界区,涉及脊柱全长的严重脊柱畸形、位置特殊的脊柱肿瘤等。虽然越是置钉风险高的区域可能越有应用价值,但同时我们需要关注到模板贴附不好等问题,尽量发挥3D打印的优势,克服其缺点。

4 3D打印内植入物

3D打印在脊柱外科中另一项开创性的应用是能够制造定制的、个体化内植入物(patient-specific implant,PSI)［32－34］。 由于解剖复杂和先天畸形等特殊需求,当“量产型”内植入物不能准确地适合骨缺陷的时候,Xu等［35］报道,一名12岁男孩患有颈2椎体Ewing肉瘤,采用3D打印内植入物治疗该患者,一年随访显示内植入物骨整合良好,无移位或塌陷。同年,Phan等［36］报道使用3D打印C1/2内固定植入物行C1/2融合术。作为一个新产品,PSI具有更均匀的载荷分布和更好的骨整合能力,且具有更好的耐久性。但目前为止,文献报道的病例仅限于解剖上具有挑战性的少见病例,在这些病例中,脊柱个体化内植入物范围从上颈椎到骶骨均有涉及［36－38］。有关PSI在脊柱外科手术中的研究文献报道的几个案例报告、案例分析及相关数据概述见表1。上述病例采用3D打印PSI的原因包括肿瘤切除术后缺乏合适的内植入物,退行性改变和先天性畸形特殊的解剖需求［23,38－39］。

这些定制的假体都是用钛合金制作的,钛合金的一个优点是可以通过孔隙度优化,在显微结构上匹配骨小梁结构,增强生物相容性和促进骨愈合的能力,增加种植体的稳定性,同时减少诸如应力屏蔽和下沉等并发症［35,40－41］。钛合金另一个优点是可以通过选择性激光烧结技术、选择性激光熔融技术、电子束熔融技术等将内植入物打印为特定外形。Xu等［35］建立了一个前部没有轮廓的假体,将患者吞咽困难的风险降到最低。Phan等［36］使用的PSI也有预先设计好角度和深度的螺钉孔,其目的是减低引起的神经血管并发症的风险。另外,Wei等［40］制作了3种不同大小的假体,以满足术中骨缺损的需要。Kim等［41］也描述了为确保解剖精度而对种植体进行的多次术前修改的过程。上述几项措施都将时间从术中转移到术前计划阶段,这对减少感染等并发症有积极作用。值得一提的是,不仅如此,定制植入物还可以减少手术时间,避免在手术中进行骨采集去填补骨缺陷［35－36,38］。

3D打印PSI的缺点类似于其他3D打印产品,即需要额外的时间和成本来设计这些高度专业化的PSI［36］,而且价格昂贵。精密的软件和生产植入物所必需的机器设备和专业的工程师支持也是该技术推广的障碍［38］。 Wei等［40］在文章中所报道仪器故障的情况,也表明3D打印需要技术支持,另外3D打印产品需要与标准的植入物进行更直接的比较,以证明这些假体植入物的有效性。关于这些假体使用的临床疗效和安全性尚缺乏大样本数据和长期随访临床结果［36］。尽管存在这些因素,但目前少数案例报道预后良好,没有出现严重的并发症,该技术为我们带来了一个可行的未来发展方向,特别适合特殊复杂病例的需求。除此之外,目前在脊柱外科手术中使用PSI还缺乏健全的规章制度,生产和植入这些装置的登记和批准制度需待进一步完善。

5 3D打印支具和康复治疗

3D打印可用于支具的定制和康复监测,在脊柱侧弯、胸廓畸形等方面有较好的应用,传统支具不能完全匹配患者实际情况,尤其是在复杂儿童脊柱疾病。3D打印技术可以针对不同患者的不同情况进行个性化定制支具,以此来高度贴合患者的实际病情。3D打印材料的多样性以及工艺的多样性也为脊柱外科医生提供了多种选择方案。借助3D打印定制支具可以对患者进行有效的功能锻炼,并可以检测术后的恢复情况,再制定下一步治疗方案。在非手术患者中,3D打印支具的应用范围也很广,其优点包括：①材料选择种类多样；②能设计出各种形状,且快速易成形；③定制支具符合人体工学特点,且轻便易携带；④能够外接多种检测设备,进行生物力学联合分析。但是,3D打印支具的缺点也同上述几类3D打印产品一样,数据测量收集、软件分析设计、成品打印制造等工作需要耗费时间,且有一定的技术含量,仍有很多改进的空间。

6 3D生物打印技术

3D生物打印是在传统3D打印基础上,通过软件分层离散和数控成型的方法,定位装配生物材料或活细胞,制造生物支架、组织器官和个性化医疗器械等生物医学产品的3D打印技术［42］。3D生物打印的材料通常含有营养成分、基质成分和细胞的流体,又称之为“生物墨水”。生物墨水的主要成分是生物材料和细胞,也可根据用途适当添加包含如生长因子、蛋白质在内的生物活性物质。天然生物材料因具有很好的生物相容性被应用的最广泛,主要是有机凝胶类材料,如胶原、明胶、海藻酸盐、透明质酸等。人工聚合物最主要的特点是具有一定的机械强度,可为打印的生物支架提供一定支持,主要有聚己内酯、聚乳酸-羟基乙酸、聚乙二醇。细胞层面,为降低免疫排斥反应,生物打印的首选细胞是自体来源细胞,包括胚胎干细胞在内的多能干细胞和诱导多能干细胞是最有前景的细胞类型,因为它们同时具有高度的定向诱导分化能力和高度的增殖能力,而且人体干细胞来源广泛,存在于人体多种组织,如骨髓、脂肪、脐带脐血及皮肤组织等。

3D生物打印在心血管领域、神经外科领域［43］,都有很大应用,在骨科领域,生物打印应用最多的是骨与软骨的再生［44］。材料学方面的发展和3D打印工艺限制了3D生物打印在骨科领域以及脊柱外科的应用,原因包括：①生物材料的强度,耐磨损程度；②生物材料降解速度和骨再生速度的同步化；③骨再生相关的血管化是一个复杂的生理过程；④打印成品后的细胞活性的保持；⑤生物打印喷头和高通量打印以及多通道同时打印是未来发展目标。针对上述问题,在骨科应用领域,研究人员在传统金属材料的基础上,着力从微观角度改变其生物特性,主要改变包括多层级打印、纳米微粒制作、微孔隙率调整等［45］。最新研究［46－47］表明,将纳米粒径的金属结合3D打印可以取得一种多孔纳米金属,相比于传统方法制成的合金材料,其优势在于双连续结构,可调孔径,高孔隙率、结构稳定性高等,另外由于其粒径多在5纳米到几十纳米之间,粒子具有良好叠加性和均匀性,使其能够配合3D打印技术进行各种模型的设计和制作。

除了金属材料以外,研究人员们将目光投向了种类更为多样,设计潜能更大的高分子材料上面,主要可分为水凝胶、生物膜、生物陶瓷、生物玻璃、丝基材料、树脂、聚合物粉末和高分子凝胶等高分子聚合物材料［48－49］,这类材料往往具有化学稳定性、可靠耐磨性、较强的塑形性、生物相容性等特性。现有的研究不仅在于这些聚合物的制备,还包括对其化学基团的改性、表面涂层的修饰以及不同聚合物之间的组合应用,并以此来增强物理性能,降低生物毒性等［49－50］。Rosenzweig等［51］报道了使用丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)和聚乳酸(PLA)进行3D打印椎间盘支架,且实验结果显示髓核细胞生长良好。另外,Huang等［52］用水凝胶和丝基材料进行生物打印椎间盘,虽然该技术尚在实验室研究阶段,但是为临床解决椎间盘退化和椎间盘再生提供了一个新的思路,期待能在未来应用到临床。

7 结论

3D打印在脊柱外科的应用包括解剖研究和教学、术前规划、术中导航、3D打印内植入物、脊柱外科疾病的康复治疗和生物3D打印组织工程技术等。但作为一种新兴技术,3D打印技术目前发展的瓶颈主要表现在以下几方面：新材料的研究和打印工艺的限制上,包括材料合适的凝固时间、材料和细胞同时打印保持细胞活性又不污染等；3D打印模型如何模拟椎体、椎间盘、韧带等弹性模量达到模拟真实生物力学等问题；3D打印内植入物适应症掌握,内固定本身的孔隙率控制,骨界面长入优化和实现为临床快速、准确和普及应用等问题。总之,3D打印技术在脊柱外科的应用方兴未艾,3D打印的应用优势和缺点仍需进一步研究,其应用于临床之前也需要大样本长期观察来评估其疗效和安全性。

表1 目前报道的定制3D打印内植物列表