3D 打印在脊柱外科的应用现状与未来

白博 白雪岭 赵小文 桑宏勋

·述评 Editorial·

3D 打印在脊柱外科的应用现状与未来

白博 白雪岭 赵小文 桑宏勋

打印，三维；脊柱；外科手术，计算机辅助；脊柱侧凸；骨和骨组织

3D 打印 ( three-dimensional printing，3DP ) 出现于 20 世纪 80 年代，又称增材制造 ( additive manufacturing，AM )。随着材料科学和计算机科学的发展，其在骨科、颌面外科、神经外科、心血管内科等医学领域的应用越来越广泛[1-2]，并成为研究的热点。3D 打印以 CT 或 MRI 等影像数据为素材，借助医学图像处理建模、逆向工程等特定软件建立三维模型，利用计算机辅助软件 ( computer aided design，CAD ) 进行个性化设计建模，将 STL 数据输入带有计算机辅助制造 ( computer-aided manufacturing，CAM ) 软件的 3D 打印机，再将可黏合材料逐层堆积形成三维实体，具有快速成型、高精密性、个体化等优点，目前已在临床上广泛应用并发挥重要作用[3-4]。

脊柱外科手术解剖结构复杂多变，毗邻重要神经、血管，手术时间长，术中需要反复透视，对外科医生临床素养和经验要求极高，因此，制订个体化治疗方案、提高手术准确性和安全性、简化手术流程并减少医务人员放射性伤害是目前脊柱外科手术需要克服的困难。随着数字骨科技术、计算机技术和医学影像学的飞速发展，3D 打印技术在术前诊断、制订手术方案、模拟手术、术中导航、个体化内植物和支具定制、骨组织工程及辅助教学等方面表现出极大优势，为脊柱外科制订个体化治疗方案、提高手术准确性和安全性、简化手术流程、减少手术时间提供创新思路并开创了良好局面。

一、在术前诊断、制订方案及模拟手术中的应用

传统的脊柱疾病术前诊断依赖于 X 线、CT 和 MRI 等二维影像学资料，难以对病灶及周围组织之间的关系进行精确的判断。脊柱解剖结构复杂，加之骨折、脱位、占位、畸形等因素对手术医生临床经验和空间想象能力提出很大挑战，对复杂疾病缺乏全面判断，甚至会忽略传统影像学资料显示的信息之外隐藏的风险。对医生来说，3D 打印技术的应用更具有精准度和前瞻性。3D 打印的三维仿真模型可发现大量隐藏的信息，能直观显示病变结构范围，使临床医生对手术部位毗邻组织和细节进行全面立体了解，降低误诊率。通过三维模型向患者和家属讲解手术过程，有利于其充分了解病情、治疗方案和手术过程，消除疑虑，提高治疗配合度。术者可通过三维模型进行术前评估、诊断、选择手术路径、精准手术部位、制订手术计划并评估术中风险，可就术中应避开的人体组织、血管、神经等复杂情况进行提前演练，确定钉道角度和深度，模拟复位、融合、固定等手术操作，选择合适的接骨板、螺钉、融合器和人工假体等内植物，制订合理手术方案，保护重要组织，减少术后并发症，可提高手术精准度和安全性，缩短手术时间、减少术中出血和副损伤。术前科学的手术方案可避免反复透视，从而有效减少术中射线暴露时间[5-6]。Guarino 等[7]运用 3D 打印技术治疗 10 例小儿脊柱侧凸，研究表明该技术可提高椎弓根螺钉置入准确率，减少术后并发症并缩短手术时间。李浩等[8]对 22 例颈椎畸形伴上颈椎不稳患儿建立个体化颈椎三维模型，通过模拟置钉和内固定手术获得钉道数据，进行一期后路矫形及内固定手术治疗，术后随访 13.5 个月，所有手术病例均获得成功，未出现神经血管损伤和内固定松动断裂，提高了置钉成功率，有利于保护椎动脉，提高手术安全性。

二、在个体化导航导板中的应用

椎弓根螺钉内固定术是目前治疗脊柱疾患的主要方法之一，具有维持脊柱三柱固定生物力学优势。对于脊柱外科严重脊柱侧凸、寰枢椎损伤、脊柱肿瘤、骨折等疾病，椎弓根变异较大，缺乏明显固定的解剖标志，手术部位周围邻近重要神经血管，给置钉带来很大风险。传统徒手置钉方法对术者手术操作技术要求很高，且存在钉道偏离、穿透椎弓根、需多次透视、副损伤风险高等不足之处。3D 打印技术尤其合适制造异型或个性化的导板，已经成为脊柱外科医生的利器，利用 3D 打印个体化椎弓根导板辅助螺钉置入，导板可与脊柱表面完全贴合，螺钉的大小、植入深度、角度得到科学计算，有效避免了对重要血管和神经的损伤，做到有的放矢。3D 打印手术导板的精准设计是手术取得成功的重要保证。Lu 等[9]在尸体标本上应用 3D 打印的导航导板置入 84 枚颈椎椎弓根螺钉并术后复查 X 线和 CT，实验证明利用导航导板置钉可显著提高手术安全性，缩短手术时间并减少术中透视频率。Merc 等[10]对 20 例多阶段腰骶椎手术患者置入 54 枚椎弓根螺钉，通过术后影像学检查对比，导航导板组较徒手置钉组螺钉偏移率和穿破骨皮质风险显著降低。覃炜等[11]对 8 具成人尸体寰枢椎标本 CT 扫描后，利用 Mimics 软件建立三维模型并测量相关参数，再进行曲面处理，通过Pro / Engineer 软件设计最佳进钉通道，提取寰枢椎解剖形态，建立反向模板，用 3D 打印机制作寰枢椎模型和导航导板，在标本上辅助寰枢椎椎弓根置钉 32 枚，术后 CT 扫描结果显示导航导板与相应椎体结合紧密，置钉准确率达 100%。Kaneyama 等[12]利用螺钉导航导板对 20 例颈椎畸形、骨折、类风湿关节炎患者 C3～6置钉80 枚，术后复查 CT 结果显示实际与术前规划钉道偏移 ( 0.29 ± 0.31 ) mm，无神经血管损伤等并发症。

三、在个体化内植入物和支具中的应用

临床工作中经常遇到脊柱先天发育畸形、个体差异或解剖变异、复杂骨折、肿瘤患者，厂家提供的内固定器械形态不能与患者个体解剖形态良好匹配，内植物与机体骨骼表面贴合度差，不能有效分散应力效应，甚至会引起固定位应力集中，影响固定的安全有效性和术后愈合效果。骨愈合的重要影响因素是植骨接触面积，目前使用的椎间融合器 ( cage ) 多为楔形笼装结构，植入后以齿状结构与终板嵌合，不能与终板形成良好接触界面，且点状接触会导致受力不均，术后会因不合理间隙造成无效腔引起潜在的并发症，还可能出现cage 沉降现象[13]。根据患者自身特点和实际需要定制个体化、符合解剖特性、生物力学特性和适于骨长入的内植物是亟待解决的问题。3D 打印内植入物较传统植入物最大优势是真正做到“量体裁衣”，术中不需要再次裁剪，具有良好的解剖形态匹配，并且能够打印出与植入物一体的仿生骨小梁微孔结构，从而有利于骨长入，实现真正意义的个体化和精准化治疗。这个意义在 3D 打印标准化植入物中也同样存在，以往骨小梁结构是通过对植入物进行涂层或表面改性来实现的，但无法保证假体的长期生存率。Xu 等[14]将钛合金粉末3D 打印的枢椎椎体植入 12 岁 II B 期尤文肉瘤患者体内，术后随访 1 年，患儿神经功能较前明显提升，无异常感觉残留并重返校园。Phan 等[15]将 3D 打印的个性化内固定材料应用于 1 例 65 岁女性后路 C1～2融合术，术前有利于制订详细的手术方案并评估术中风险，术后患者症状明显缓解，取得了良好的效果。张帆等[16]对10 具新鲜成人尸体颈椎 CT 扫描后，利用 Mimics 软件制作个体化 C5～6椎间融合器三维模型，3D 打印椎间融合器，行 C5～6椎间减压植骨术后复查 CT，通过融合器与终板间隙评价匹配性，研究证明 cage 与椎间隙嵌合度满意，稳定性确切，为实现颈椎椎间融合器的个性化定制提供了新思路。

青少年特发性脊柱侧凸是脊柱侧凸的最常见类型，佩戴矫形支具是治疗该疾病最主要的非手术方法[17]。传统的石膏外固定或其它材料的支具患者体验较差，影响不固定部位以外肢体正常的运动功能，不易被患者接受。3D 打印个体化支具制作简单、耗时和耗材少，并具有节能环保的优势，美观、轻便、透气性好，与人体皮肤很好贴合，提高患者舒适度和依从性，利于支撑保护和功能锻炼，便于医生观察，方便换药，减少压疮、松动移位等并发症。Visser 等[18]和 Desbiens-Blais 等[19]利用 CAD 软件对脊柱侧凸患者躯干建立三维有限元模型和生物力学仿真模拟，制作个体化矫形支具，取得满意的治疗效果。

四、在骨组织工程中的应用

生物科学领域最具革命性的是生物 3D 打印，可为细胞提供赖以生存的支架或基质，将不同功能类型细胞堆积在指定位置，产生生物因子控制生物行为。活性细胞、生物活性因子和支架材料是组织工程的三大必需要素，而组织工程支架是最主要的研究内容，其作为细胞生长、增殖和分化的载体，需具备易打印性、骨诱导性、可塑性、良好的生物相容性和可降解性，植入体内后组织细胞与机体相适应并实现功能重建[20-21]。生物 3D 打印技术能够建立可控的适于细胞生长、增殖和分化的组织工程支架结构，随着打印材料的发展以及细胞生物技术的进步，其在组织再生领域的重要价值引起国内外学者的持续关注。Whatley 等[22]用可降解聚氨酯作为材料 3D 打印出椎间盘弹性支架，其良好的宏观和微观结构对细胞黏附、增殖和排列具有重要影响。Bowles 等[23]完成大鼠 3D 生物打印的椎间盘置换术，术后观察证明 3D 打印椎间盘可维持正常高度并具有良好生物学性能。张维杰等[24]将 3D 打印的双相聚乙二醇 / β- 磷酸三钙骨软骨复合支架应用于兔骨软骨缺损模型中，发现软骨下骨微结构参数与软骨修复关系密切。Cui 等[25]应用 3D 打印将聚乙二醇 - 二甲基丙烯酸酯和软骨细胞混合制备生物支架，细胞可在生物支架内精确分布且成活率很高，支架与周围组织很好匹配且能修复损伤软骨。笔者所在团队也做了许多前沿研究，取得了一些成果并积累了宝贵经验。

目前，生物 3D 打印还处于研究初级阶段，真正应用于临床还有很长路要走，随着 3D 生物打印、生物组织培养技术和骨组织工程的发展，复杂组织器官的个体化定制成为可能，全球生物 3D 打印的研究与实验表明，其在骨组织工程领域具有广阔前景。

五、在医学辅助教学中的应用

人体解剖学是骨科的基础，也是让医学生感到学习难度极大的课程。传统解剖学的学习是通过尸体标本帮助医学生观察组织器官形态和相互关系，但这种方法不够快速、便捷。同时，尸体标本获取途径少，数量有限，不便于保存，受到伦理道德限制，不能重复使用，通过 3D 打印技术可以很好地解决这些问题。脊柱解剖结构复杂，X 线片、CT、MRI 等二维影像资料不能全面直观地反映脊柱病变范围、严重程度、畸形特点及与周围重要组织关系，不利于年轻外科医生积累经验。3D 打印技术借助患者影像学资料数据制作 1∶1 等比例个体化脊柱实物模型，可清晰准确显示脊柱的病变特点和形态，发现传统影像学资料隐藏的信息，便于手术团队之间交流，还可通过模拟手术过程发现手术方案设计缺陷及术中遇到的困难，提高年轻医生外科手术经验[26]，解决传统手术教学观摩的人数少、效率低、观摩视野、广度深度不够等难题，改变医学生和年轻医生的学习曲线。

六、目前现状、存在问题及未来展望

追求个体化、精准化和安全性是脊柱外科发展的目标和方向，3D 打印技术可贯穿脊柱外科疾病诊断、手术方案规划、术中导航、个体化内植入物定制等各个环节，给临床医生提供更多的便利并提高手术安全性，具有很大优势。术者在术前直观的观察三维仿真模型，了解椎管内情况和脊髓的代偿空间从而确定减压路径，制订详细的手术计划。可以在仿真模型上模拟椎弓根螺钉置钉以获得进钉体会，对于极为复杂和高难度的手术，导航导板的设计可以最大限度地降低手术操作的难度，使置钉操作更精准、安全、高效。在医患沟通过程中解决医患双方专业信息不对称的难题，有利于减少医患纠纷，还可以提高医学生、低年资医生的学习效率。术中可以反复观察、对比，掌握个体化的解剖结构和毗邻组织，减少因为个体差异、畸形和变异造成的操作失误，降低医疗风险。术后对有价值的疑难病例、典型病例可以永久的保存，在医学辅助教学和复杂手术培训中发挥重要的作用。

各国学者虽然对 3D 打印技术做了大量研究，但此技术仍有很大的提升空间，当前阶段还面临以下瓶颈[27-28]：( 1 ) 价格昂贵，3D 打印设备、材料、人员培训成本高，虽然此技术目前应用广泛，3D 打印机售价不断下降，但用于临床的高分辨率仪器价格仍然较高，整个工艺流程的成本居高不下，且大多数医院未将其纳入医疗服务收费目录和医疗保险范围；( 2 ) 3D 打印模型建立在患者自身 CT、MRI 等影像学资料基础上，还需经过建模、软件设计、打印等，流程复杂，耗时较久，无法用于急诊手术；( 3 ) 打印材料选择性少，医用 3D 打印技术对材料要求高，需具备适宜的力学特性和良好的生物相容性，目前临床应用的医用 3D 打印材料有钛合金、生物陶瓷、高分子材料、尼龙等，种类少且严重依赖于进口，生物 3D 打印还处于实验研究阶段；( 4 ) 作为一种新兴技术，国家相关部门政策法规和技术标准相对滞后，同时，此技术目前仅在具备相应条件的大医院小范围开展，缺乏大规模临床资料对 3D 打印内植物长期安全性和有效性评价，限制了其临床应用。针对上述问题，需要临床医生、工程师、生产企业和政府相关部门共同合作，攻克技术难题，加快打印材料的研发和临床试验，通过举办培训班提高医生的专业水平，国家相关部门建立 3D 打印技术应用试点，制定相关政策法规和指导原则，从而促进 3D 打印技术的推广和应用，造福更多的患者。

总之，3D 打印技术利用数字化的设计实现脊柱个体化手术规划制定、假体和内植物定向导向置入、个体化内植物和支具定制和医学教学培训，已经从实验室走向临床，发展迅猛，为脊柱外科医生对复杂疾病的理解判断、个体化精准治疗等临床难题的解决提供了一种新思路，极大程度地促进了脊柱外科的发展。我国已经成为先行者，随着数字医学、组织工程、新工艺与材料的发展，国际范围大规模的研究和应用将极大程度推动了 3D 打印技术，3D 打印将会作为常规技术广泛应用，更好地服务于医务工作者和患者。

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( 本文编辑：王萌 )

Application of 3D printing technology in spinal surgery: status quo and future

BAI Bo, BAI Xue-ling, ZHAO Xiao-wen, SANG Hong-xun. Department of Orthopedics, Xijing Hospital, the fourth Military Medical University, Xi’an, Shaanxi, 710032, China

SANG Hong-xun, Email: hxsang@fmmu.edu.cn

The latest and fast-growing innovation in the orthopedic fi eld has been the advent of 3D printing ( 3DP ) technology, which has been recently applied in the production of low-cost, patient-specif i c medical implants. As the development of clinical medicine and other interdisciplinary areas, digital design and 3DP get combined, and the individualized treatment in the orthopedic fi eld has been signif i cantly improved. Currently, the applications of 3DP are cutting-edge in the fi eld of spinal surgery widely. Spinal surgery is very complex and the risk is extremely high considering its complicated anatomical structure and adjacency to important nerves and blood vessels. Signif i cantly, 3DP applications in spinal surgery have potential to improve surgical outcomes through the establishment of the preoperative diagnosis and surgical planning, surgery simulation, intraoperative neuronavigator, surgical education, custom manufacturing ( implants, prosthetics and surgical guides ) and bone tissue engineering. The 3DP technology can provide innovative ideas for developing individual treatment programs, improving the accuracy and safety of surgery, simplifying the surgical process and reducing the operation time. However, the development level of 3DP at present is not balanced, and there is no standard to follow, diff i culty in charging and other problems. The problems about policies and techniques are urgent to be resolved.

Printing, three-dimensional; Spine; Surgery, computer-assisted; Scoliosis; Bone and bones

10.3969/j.issn.2095-252X.2017.05.001

R687.3, TS941.26

国家自然科学基金面上项目 ( 81270959 )；深圳市科技计划项目 ( JCYJ20150401150223635 )

710032 西安，第四军医大学西京医院骨科 ( 白博 )；518055 深圳，中国科学院深圳先进技术研究院 ( 白雪岭 )；518052 深圳市艾科赛龙科技股份有限公司研究院 ( 赵小文 )；518000 深圳，南方医科大学深圳医院骨科中心 ( 桑宏勋 )

桑宏勋，Email: hxsang@fmmu.edu.cn

2017-03-14 )