三维打印技术在脊柱外科的研究与应用

禤天航，曹正霖，王刚

(1.广州中医药大学附属佛山市中医院脊柱外科，广东佛山528000；2.广州中医药大学，广东广州510006)

三维打印技术在脊柱外科的研究与应用

禤天航，曹正霖，王刚

(1.广州中医药大学附属佛山市中医院脊柱外科，广东佛山528000；2.广州中医药大学，广东广州510006)

三维打印技术是21世纪产生的新技术，已逐步应用于医疗卫生领域，与过往的二维打印技术不同，其采用层层堆积的方法“打印”出三维立体成品，打印物具有精度高、匹配度好等特点。目前该技术在脊柱外科主要应用于术前导航模板的制定、手术植入物的研究和医疗教学等方面。本文总结了三维打印技术在脊柱外科的研究与应用进展，并指出其不足之处及未来发展前景。

三维打印技术；快速成型技术；脊柱外科；研究进展

doi∶10.3969/j.issn.1003-6350.2015.12.0646

三维打印技术是根据快速成型技术原理，输入相关信息进入电脑，用CAD制作出三维模型，将模型资料通过STL格式输进三维打印机，并应用相关金属、高分子材料、甚至生物细胞作为“墨盒”，通过逐层打印产生各种三维实物。这些实物有的可以指导手术及教学，有的可以直接植入体内使用，早在20世纪80年代，Charles Hull已经制造出三维打印机，而目前国内外应用于医疗领域还处于起步状态。虽然在脊柱外科领域的研究引起人们广泛关注，但临床上实际应用缺乏广泛的报道。本文就国内外三维打印技术在脊柱外科方面的研究及应用综述如下：

1 三维打印脊柱模型及导航模板

现时越来越多医生通过三维打印技术制造术前术中导航模板，其原理是术前通过CT扫描患者资料并保存为DICOM格式导入Mimics程序软件中，在电脑中完成三维模型并模拟手术，建立带有进针导向孔的模板，之后输出STL格式并进行三维打印。目前主要应用较多的是颅颈交界、上颈椎、上胸椎、脊柱侧弯、肿瘤的手术，临床上因为这些区域较复杂，手术风险、难度大，通过三维打印模板来指导手术会大大增加其安全性。在颅颈交界方面的手术中，若病灶区的生理解剖学上有变异常常难以处理[1]，有学者[2-3]在置入枕骨髁螺钉时采用个体化三维打印技术指导手术，取得不错的效果，同时他们认为改用FDM技术替代光固化成型技术可获得更高的精确性与更低的成本。而寰枢椎脱位在临床上非常常见，复杂的寰枢椎脱位对于脊柱外科医生来说相当棘手，因为C1、C2之间通过各种韧带构成三维关节复合体[4]。在术前通过常规的影像学不容易全面观察术区病灶情况，同时在术中通过G臂或者C臂定位对上颈椎周围组织结构也难以准确的知道，医生通过结合三维打印技术可以有效地弥补这一缺陷。相关国内外学者也先后报道了他们的应用情况，Kawaguchi等[5]在进行后路寰枢椎融合固定手术时术前通过模板设计钉道，清楚了解术区情况，手术置钉准确无误。国内章凯等[6]学者术前把三维导航模型打印出来，指导术中行寰枢脱位TARP钢板固定术，手术风险大大下降，其指导作用值得肯定。在颈椎前路手术方面，该入路对肌肉剥离小，能充分直接减压，往往加前路钉板加Cage或者植骨均能取得相当理想的效果。若患者三柱损伤，前路手术后也可能造成脊柱的不稳，使我们不得不行前后路联合手术，但是手术时间偏长及出血量偏多对众多医师的身心来说是一大考验。目前人们把眼光放向前路椎弓根螺钉，其集中了前后路手术的优点，临床上值得推广，但其进针点及钉道对于初学的医生比较困难，而三维打印技术再一次发挥它的优势。付茂庆[7]术前用Geomagic以及UG软件建立自带模拟钉道的颈椎3D模板，并用RP技术打印出来指导前路置钉，其准确率高达91.7%。在上胸椎研究当中，其椎弓根狭小、节段变异较大，偶伴椎体旋转，出血量偏多[8]等特点使得手术难度较腰椎高，其危险性不言而喻。所以术前详细的规划对手术顺利进行大有帮助，Sugawara等[9]尝试用三维打印模型指导置入椎弓根钉58枚，椎弓根皮质均未有破裂。在脊柱肿瘤方面，尤其是颈椎脊髓瘤，临床上偶有因手术方位不清而致手术失败的临床报道，故如何保证安全准确完整地切除，一直是脊柱外科的难题。马立敏等[10]对两例多节段颈椎脊索瘤患者通过三维打印机打印出1∶1三维病变椎体，用以便指导术前术中肿瘤的切除及置钉以维持稳定。他们也认为目前三维打印主要用于打印骨骼模板，而打印肿瘤等软组织模板还存在技术上的缺陷。所以，综上所述，三维打印导航模板在脊柱外科的应用还是比较广泛的，也已经积累了丰富的经验，有助于更好指导手术的进行。

2 三维打印植入材料及外固定物

目前国内外报道三维打印直接用在患者身上的主要有两种：（1）三维打印的内植入物；(2)三维打印的外固定材料。有学者[11]认为骨内植入物刚度过高会产生应力遮挡，自体骨与原松质骨得不到合适的力学刺激，从而引起植入物的松动；而刚度过低又会使植入物断裂，欠缺力学强度。利用三维打印技术能通过不同人的骨模量去产生个体化植入物，各种生物力学均与人体相近。而三维打印内植入物在脊柱医疗领域主要是人工骨组织及三维肌性复合组织，特别是我们在行椎体、锥板等切除时往往对本体骨组织进行一定程度的破坏，造成骨缺损导致不稳，所以其有着广阔的市场前景与传统技术不可比拟的技术优势：第一，缺损的骨骼可通过三维打印机准确制造，准确植入缺损病灶处；第二，打印的骨头与自身的骨头有着非常相似的生物特性，有效避免了过往手术因植入物生物特性差异带来的手术失败及并发症的出现，例如植入物的沉降、塌陷甚至临近节段的退变；第三，这种人工骨组织有着丰富的孔隙，自体骨能有效地通过孔隙与打印骨牢固生长结合，其康复时间可大大缩短，而打印的人工骨头能否真的通过这一方式应用于临床则引起广泛的关注。北京三院刘忠军教授等[12]率先尝试在已经签了知情同意书的颈椎患者体内植入直接打印出的人工骨骼，取得不错的效果。但是，目前该项技术国内外临床上相关报道极少，因其还处于临床观察期，涉及众多的技术难题，例如如何准确打印出不同患者的个体化硬度、密度的骨质都存在研究难度，所以要大范围推广该项技术，任重而道远。而在治疗脊柱等全身骨性组织感染结核时，三维打印的载药人工骨头正逐步完成动物实验，该技术准确而快速制造各种控释型载药人工骨。有学者[13-14]已经对这种骨头进行了溶血试验、热源试验、皮肤刺激试验、毒性试验等一系列试验以证实其安全性、有效性及生物相容性，为应用于临床上提供了可靠的生物学依据。与此同时，脊柱的骨质缺损修复重建问题也是人们讨论的热点之一，随着生物工程技术的发展，逐步出现一些性质跟人体骨质相似的生物学材料，其中磷酸钙生物陶瓷材料[15-16]是人们较早研究的，它可以模拟人体骨组织结构，适合细胞及骨组织生长。有报道[17]近来人们在研究一种三维打印双管道聚乳酸/β-磷酸三钙生物陶瓷复合材料支架，这种支架生物力学强度良好，具有可控的多孔结构，能有效应用于骨缺损。同时也有学者[18-19]尝试用多孔钛作为金属材料骨骼进行骨缺损移植，因其弹性模量与人体相似、生物相容性良好，且耐腐蚀耐磨损，目前已经逐步完成各种物理学及生物学性能的测试。而把正常的骨细胞混合在打印的骨骼中进行体内移植则是另一种新理念。植入体内后骨细胞可继续生长，其他成分被人体吸收，虽然还在试验期，但其在未来脊柱修复与重建中很有研究前景的。而肌肉的打印也进入了研究者们的视线，Trojani等[20]利用不同的细胞制成“墨盒”，打印出三维肌性复合组织，并保持体内外的生长能力，这对脊柱的重建修复稳定性有一定的启示。而脊柱手术区血管的修复重建也有学者正在研究。Boland等[21]成功将牛的血管内皮细胞和藻酸盐水凝胶作为“墨盒”，打印出活性不错的微脉管结构三维复合物，成功对血管进行重建。而三维打印个体化的钢板等内固定物曾有国内外学者设想过，但其工艺及技术更难，暂时还没有相关报道。

直接打印的外固定支架便是人们对三维打印技术的另一种应用，这种三维打印的固定支架轻便、舒适、合身，具有多个透气孔，对目前密不透风的外固定物（如石膏，腰部支具等）是一种很大的改进。JAKE EVILL等设计由聚酰胺组成三维打印出的各种Cortex骨折康复支架，这种支架有仿生骨骼网状形态，生产迅速，成本不高[22]。虽然目前设计主要以四肢骨折关节为主，但其设计理念也应用于腰椎内固定术后、腰椎保守骨折功能锻炼，相信很快也有相关的产品，估计同时也有不俗的效果。

3 三维解剖教学

在解剖教学方面，对于初学者来说使用传统的课本及多媒体教学往往比较困难，其二维性不能全面完整展示人体器官，而使用塑胶模型难以获得1：1和真实感，同时使用尸体作为教学涉及众多伦理及防腐剂影响健康等问题。所以，三维打印在这方面有很大的发展空间，国外有报道[23]已经有医学院校投入使用。而在临床上脊柱外科教学方面，低年资的医生往往对复杂的颅颈交界上颈椎区各种分布结构熟悉度有限，且难以在术中找到置钉、进针点，因此，通过三维打印技术能立体地展示各种结构，能让他们清楚看清术区内固定物与神经血管等毗邻关系，模拟进针点、钉道、进针角度，这些对年轻的医生都大有裨益，而且使用三维打印成本较低，根据变异、不同病种资料打印相关模型进行教学，对年轻医生处理疑难病例能力的提高有巨大的帮助。

4 三维打印技术的不足与展望

三维打印技术虽然有着各种各样的优点，也受到国内外学者的热烈关注。但是，就目前的技术水平，其发展仍处于颈瓶期。(1)“墨水”的材料问题是制约其发展的因素，目前应用在脊柱外科主要是以三维打印导航模板辅助手术为主，往往其骨骼组织相对较易研制，但肿瘤，神经血管等软组织打印仍然较困难[10]，而直接植入物中如何找到合适的能基本与人体一致的材料，是一项艰巨的任务。虽然国内外学者已有报道相关三维打印植入物试验及临床应用，但这些都仅仅在测试水平，临床上案例也只是个别报道，而人体组织的复杂性对不同的材料也有严格的要求，如何保证植入物各种性质均达到人体要求水平，仍有待不断研究。(2)“打印机”的研制。就现在的技术还比较难控制逐层打印时的精度及速度，而且不同材料混合打印往往难以完整打印出目标“产品”，同时，如何研制可以广泛打印不同材料的打印机，也是该项技术的停滞的原因。(3)三维打印成品如何在人体内“成活”，与正常组织和谐生长同样是值得考究的问题。(4)如何使影响学资料准确转化成实体模型或植入物同样是值得关注的问题，有学者[24]认为目前医疗上三维打印更多的依赖CT及MRI，若这些资料分辨率较低可能影响生产三维打印的精度。

即便如此，三维打印技术在脊柱外科乃至整个医疗界仍有着光明的未来，随着技术的不断提高，研发力度的加大，三维打印机将能个体化三维打印骨性、肌肉、血管等组织，与此同时，直接打印定制的内固定物也使手术更加快捷、安全。而协同着数字化骨科技术、克隆技术、手术机器人技术的发展，脊柱外科的重建修复研究将更上一个台阶，也会让更多的患者享受到这一项技术成果。

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A

1003—6350（2015）12—1807—03

∶2014-10-28)

曹正霖。E-mail：fstcmcaozhenglin@sohu.com