张继伟，杨镇源，韩李霞，将振兴，邓强

（甘肃省中医院，甘肃 兰州 730050）

3D 打印是一种起源于20 世纪80 年代的新兴技术，已广泛应用于医疗、工业生产等领域，其中在医疗领域主要应用于脊柱外科、复杂创伤、颌面外科、神经外科等专业，为临床实践及辅助教学提供了更加直观的效果［1-2］。脊柱解剖复杂，周围毗邻脊髓、神经、大血管等重要结构，手术难度大，失败率高，手术操作的精准化与个体化越来越多的被广大脊柱外科医师所重视［3］；而3D打印技术的特点就是精准化与个体化，因而3D 打印技术在脊柱外科领域的应用发展迅速，在术前规划、3D 打印导板辅助置钉、内植物的个体化制作、临床教学等方面大大提高了脊柱外科手术效率［4］。现将3D 打印技术在脊柱外科的应用方面做一论述。

1 3D 打印概述

3D 打印技术又称为“增材制造”或“快速成型”技术，其原理是通过采集CT 等影像学数据经转换获得3D 打印所需的数字模型文件，将数据传送到3D 打印机，使用各种打印材料逐层附加制造出所需的打印对象［5］。目前3D 打印技术常用的材料加层方法主要有三种：①熔融沉积打印技术。该技术是将热塑性材料通过喷嘴加热至熔融态，在计算机控制下将材料经喷头挤出并按设定的模型沉积出实物，这种技术简单、经济，材料利用率高。②立体光固化成型技术。该技术利用液态光敏树脂为材料，通过控制激光照射液态树脂表面逐层固化，并获得完整的模型。这种技术具有成型快，精度高等特点，但打印设备造价高，材料昂贵，成型产品强度差，液态光敏树脂有污染等缺点。③选择性激光烧结技术。该技术以热塑性聚合物粉末为材料，通过二氧化碳激光对规划区域进行熔化和融合，不断重复铺粉烧结过程使粉末熔融堆积成三维模型，该技术打印材料广泛，制作工艺简单，材料可循环利用，缺点是打印产品表面粗糙，打印过程挥发异味等。

2 3D 打印在脊柱外科的应用类型

3D 打印作为一项新兴技术在脊柱外科中有重要应用价值，该技术以其个体化、精准化及可视化的特点在脊柱外科的临床治疗中发挥着重要作用。目前，3D 打印已广泛应用于脊柱外科的临床教学、术前规划、手术模拟、个体化导航模板及个体化内植物等多个领域。

2.1 实物脊柱模型

2.1.1 3D 打印脊柱模型在临床教学中的应用 脊柱外科是骨外科的重要分支，脊柱解剖辅助，周围毗邻血管、神经及重要组织结构，实物脊柱模型可以直观的反应各相邻结构之间的解剖关系，便于学生更好地掌握［6］。同时，3D 打印可以实现脊柱病变的实物模型，便于学生更好地理解病变脊柱的解剖，提高医学生对病变脊柱的认知［7］。李曙明等［8］发现在复杂脊柱畸形教学中，通过3D打印实体模型与影像学资料对比与反思后，极大地提高了学生对疾病的阅片和诊断能力，而且在教学效率和效果上显著优于传统教学。

2.1.2 3D 打印脊柱模型在术前方案制定及模拟手术中的应用 脊柱解剖结构复杂，尤其当病变涉及上颈椎、颈胸段及脊柱肿瘤、严重脊柱侧凸或后凸畸形等情况时，能够了解患者病理情况下的解剖结构对疾病的诊治至关重要［9］。以往只能通过传统影像手段X 线、CT 或MRI 来了解脊柱的病理基础，往往不能提供复杂脊柱疾病的全面解剖信息［10］。而依靠3D 打印技术所呈现的病理状态下的脊柱实物模型可以为临床提供更好的可视化信息及触觉反馈，可以帮助制定精准、个体化的手术方案，在术前可以通过模拟手术增强术者的信心，术中通过对照脊柱实物模型可以更快、更精准地找到对应的解剖结构及病变部位，进而有效缩短手术时间，减少术中出血及透视次数［11］。PACIONE 等［12］通过应用3D 打印模型，对上颈椎畸形并颅底凹陷症患者病变区域的骨性畸形、脊髓受压情况及椎动脉走向进行了全面的评估，通过实物模拟操作，制定最佳的手术方案，术后患者恢复良好。

2.1.3 3D 打印脊柱模型在医患沟通中的应用 在医患矛盾日益加剧的今天，如何能让没有医学知识的患者及家属更加直观的了解病情及手术方案成为摆在广大医务人员面前的一大难题。而3D 病理脊柱模型可以作为良好的讲解工具，帮助医生更好地阐明解剖异常，在医患交流中发挥有效的沟通作用。对于患者来说，3D 模型可以帮助他们可视化“内部情况”。从图像到手持模型的转变，让患者及家属听得懂、看得懂，提高医患之间的术前谈话效率，缩短术前准备时间，进而保证后续手术治疗方案的顺利实施。林钢等［13］在术前使用3D 打印模型与患者及其家属交流，提高了患者对手术的理解，提高了医患沟通效率。

2.2 3D 打印个体化导板

脊柱外科术式多样，其中椎弓根螺钉固定是最重要的方式之一，所以如何有效准确地植入椎弓根螺钉又能避免伤及脊髓、神经根及周围大血管是广大脊柱外科医生最为关心的问题之一［14］。而目前徒手置钉仍然是最常见的置入方式，对于严重的脊柱侧凸、脊柱骨折、脊柱肿瘤、上颈椎畸形等脊柱疾患，因椎体形态不规则，且多伴有椎体发育异常、椎体旋转，椎弓根解剖标志不明确时，徒手置钉螺钉极易突破椎弓根，造成脊髓、血管损伤等严重并发症，甚至危及生命。研究［15］表明，徒手置钉错位发生率为20%～30%，神经、血管损伤等严重并发症发生率占2%，因此如何提高置钉准确率，降低置钉风险越来越多地受到脊柱外科医师重视。AZIMI 等［16］发现颈椎手术中3D打印导航模板可以提高椎弓根钉置钉的准确性，从而改善手术效果。近年来随着3D 打印技术在脊柱外科应用普及，依据椎体表面形态数据结合工程设计制造出完美贴合骨性表面的3D 打印个体化导板，辅助椎弓根螺钉置入，可有效的避免对重要神经血管的损伤［17］。SUGAWARA 等［18］对12 例寰枢椎不稳定的手术患者应用3D 打印导板辅助置入寰椎侧块钉及枢椎椎弓根螺钉，左右螺钉均成功置入且未穿透骨皮质，术后复查影像学检查发现与术前计划的置钉路线偏差仅为（0.70±0.42）mm。卢炯炯等［19］通过手术对比，发现3D打印组螺钉置钉位置准确率高于CT 三维扫描组，且矫正率和并发症发生率均明显低于CT 三维扫描组。

2.3 3D 打印个体化内植入物

由于人体构造精密且复杂，在临床应用中，厂家提供的内固定植入器械常常不能与患者的生理解剖相匹配，内植入物不能与人体骨骼良好贴合，造成患者功能恢复预后不良，影响植入物的生物安全性，给患者造成生理痛苦和心理创伤。3D 打印可根据人体的生理构造特点制作出具有特殊解剖结构的假体，使骨质与内植入物完全融合，比普通假体更加贴合，大大提高了内植入物的生物力学性能和安全性［20］。椎体旋转、椎弓根缺失或畸形、节段异常这些复杂畸形都是脊柱侧凸的表现，破坏了椎弓根插入的解剖标志。3D 打印模板以图像为基础，通过术前对叶片进行CT 扫描和计算机辅助设计，将设计好的文件以固定格式导出到3D 打印设备中，从而打印出个体化、精准的手术辅助置钉工具。该模板通过与脊柱表面形成特定的贴合，达到导向钻孔和螺钉放置的目的［21］。WEI 等［22］在一例骶脊索瘤患者全骶骨整块切除术后3D 打印骶骨假体进行重建中发现：3D 打印骶骨假体有两个优点：①定制的植入物完成了腰骶骨盆环的最佳重建，提供了一个稳定、安全的力学支撑；②打印假体的多孔表面可诱导骨长入，促进假体与骨质的融合，增强功能结构的稳定性。徐会法等［23］在36 例3D 打印导板辅助置钉治疗先天性脊柱畸形中，采用19 例导航下置钉作为对比，发现3D 打印组手术时间、置钉时间较导航组明显缩短、且术中出血量显著少于导航组，随着术后时间推移，两组患者视觉模拟评分法（VAS）、Oswestry 功能障碍指数（ODI）、日本骨科协会（JOA）评分均显著改善。3D 打印组脊柱侧凸研究学会22 项（SRS-22）量表评分术后及末次随访均优于导航组。相比之下，3D 打印导板技术治疗先天性脊柱畸形在手术时间、置钉时间、术中出血量及患者满意度方面更具优势。

2.4 3D 生物打印

3D 生物打印是组织工程的重要技术之一，目前常用的3D 生物打印方法有喷墨打印、挤压生物打印和激光生物打印［24］。传统3D 打印中使用的生物材料被称为分为天然生物材料和合成生物材料［25］。3D 生物打印在骨科是最有发展潜力的生物医学领域之一，主要应用于骨与软骨及皮肤与软组织的修复，是连接生物材料和活细胞的一种新型技术，是组织工程中的一种重要方法［26］。骨缺损的修复一直是骨科医生面临的一个挑战。3D 生物打印机制是将细胞、生物材料、生物活性物质结合，在损伤部位打印假体直接修复组织缺损。随着老龄化社会的到来和伴随而来的慢性疾病，骨缺损的治疗越来越困难，特别是由外伤、感染、肿瘤导致的大范围的骨缺损，会发生骨不愈合，需要进行手术修复重建，常用的手术方式有骨移植、吻合血管移植等。3D 生物打印具有替换或修复受损组织和器官的优点，有望替代上述移植方式。3D 打印过程分为图像采集、数据导入计算机制作软件、打印机读取及处理文件、打印移植体四个步骤。“生物墨水”是3D 打印的重要介质，具有黏度低、低毒、低抗原性和生物降解性，可以通过特定的表面受体与细胞相互作用，促进细胞迁移和细胞外分子的产生，从而促进细胞增殖［27］。常用的生物材料为藻酸盐水凝胶、胶原蛋白和透明质酸等有机溶液。藻酸盐水凝胶具有良好的生物相容性，能形成有利于细胞再生的多孔结构，胶原蛋白是人体细胞外基质的主要成分，透明质酸可刺激骨细胞代谢，促进骨组织修复，抑制炎症反应［28］。要获得最佳的模型效果，不仅要选择合适的生物材料，而且印刷工艺的选择也是至关重要的［29］。金属基骨修复支架是骨科植入物的最佳选择之一，事实证明，制造能够复制组织和器官的结构和功能的金属基骨修复支架具有挑战性［30］。WU 等［31］通过模拟天然木材中的微/纳米结构层次，将三维打印技术与水热处理相结合，构建了多级多孔磷酸钙生物陶瓷骨组织仿生支架，这种支架具有多孔天然木材分级孔及良好的骨诱导活性。这表明微/纳米晶须涂层是调节细胞行为和骨诱导活性的关键因素。WILCOX 等［32］也证明了3D 目前用于脊柱外科定制假体以及“现成的”植入物，具有增强植入物性能、减少手术时间和改善患者预后的潜力。

3 总结与展望

3D 打印自问世以来，就已为人类社会带来了巨大福音，其不仅应用于脊柱疾病的手术治疗中，更涉及医学教育、医药发展、生物医学、外科整形等。3D 打印技术是一种创建计划的新技术，它为提高药品的功效、安全性和便利性创造了新的机会。在生物打印的广泛使用方面，生物安全性、免疫原性和不断上升的成本正日益受到关注。尽管如此，3D 打印模型无法同时满足合适的生物材料、生物相容性及机械性能三者并驾齐驱，也就是说，目前的打印技术除了生物材料与细胞相融合的打印技术相对成熟之外，体外环境难以模拟细胞外基质，组织支架的打印模型还不能实现营养物质的良好交换，目前的3D 打印技术还达不到将人体精密又复杂的构造完全仿生的水平。除此之外，限制3D 打印的另一个重要因素是打印材料价格昂贵，这限制了3D 生物打印可开发生物材料的范围。材料在组织支架生物打印中发挥着核心作用，大多数材料无法满足植入生物材料的特性，从而导致打印材料成本高昂，给患者及医疗主体造成巨大的经济负担，打击了研究者的积极性，影响其发展的前景。这也是3D 打印技术要应用于复杂脊柱畸形中才能最大价值地发挥其经济效益，在普通病例中应用该技术难以做到资源最大化的利用，所以开发新型材料以克服现有材料所面临的局限性是当务之急。如果这些局限性问题能得以解决，3D 打印技术的应用前景将会迈上更高的台阶。