3D打印技术在脊柱畸形矫正手术中的应用进展

李良生，芮 钢，林 山

近年来随着脊柱外科技术的不断发展和进步，运用现代脊柱三维矫形理论、技术以及改良内固定系统几乎能够矫正所有复杂的脊柱畸形，实现可靠稳定的骨性融合[1]。但脊柱畸形常常涉及到多种解剖结构的变异，且周围毗邻脊髓、神经、血管等重要组织结构，置钉难度及风险远远大于非脊柱畸形，手术失败率较高[2-3]。可喜的是，随着数字骨科学的不断发展和成熟，3D打印技术已越来越多地深入到脊柱畸形矫正手术中，通过制作脊柱实体模型、置钉导向模板、个性化内植物等，在术前规划、术中辅助置钉、内植物个性化设计、医患沟通等方面实现其独特的临床价值，有力保证了手术的准确性和安全性。

1 3D打印技术

1.1 历史与发展

3D打印技术又称“添加制造”（additive manufacturing）技 术 或 快 速 原 型（rapid prototyping，RP）技术。根据美国材料与试验协会2009年成立的3D打印技术子委员会F42公布的定义，3D打印是指一种与传统材料去除加工方法相反，基于三维数字模型，通常采用逐层制造方式将材料结合起来的工艺。也就是说，3D打印以数字模型文件为基础，运用粉末状、液态金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式快速制造（rapid manufacturing，RM）所需实物[4]。

该技术的提出可追溯到1979年，日本东京大学生产技术研究所的中川威雄教授发明了叠层模型造型法[5]。1986年，Hull等首次利用计算机建模并打印出三维实体，标志着3D打印技术的诞生[6]。医学领域的首次应用是在1990年，当时开发者基于CT扫描获取的颅骨解剖数据，通过3D打印技术成功复制出颅骨解剖模型[7]。经过20余年的发展，目前应用于医学研究领域中的各种先进加工与制造技术已日臻成熟，如支撑平台硬件设备，主要包括RP机、数控万能铣床、三坐标测量仪等，软件技术，即RP技术和反求技术、计算机辅助设计（computer-assisted design，CAD）和制造技术等，为3D打印技术的临床应用铺平了道路。在骨科领域，3D打印技术目前已广泛应用于骨肿瘤治疗与重建、髋膝关节置换、复杂创伤骨折、小儿骨科、骨组织工程以及高难度脊柱外科手术[8-13]。

1.2 原理和流程

3D打印技术主要包括数据采集、数据处理、3D打印3个步骤。其原理为离散/堆积成形：产品三维CAD模型→分层离散→按离散后的平面几何信息逐层加工堆积原材料→生成实体模型。

医学应用中的一般流程为：首先获得高分辨率CT扫描的三维图像数据，然后将DICOM格式的CT扫描数据导入Mimics等图像处理软件中，构建出形态曲面，由近似三角形的“碎片”构成三维模型并保存为STL格式，重建模型的精细程度与三角形“碎片”的大小成负相关，最终以“分层制造、逐层叠加”的方式完成RP制造。

1.3 技术类型

目前应用较多的3D打印技术主要包括光固化立体印刷（stereo lithography appearance，SLA）、熔融沉积成型（fused deposition modelling，FDM）、选择性激光烧结（selective laser sintering，SLS）、电子束熔融成型（electron beam melting，EBM）、三维喷印（three-dimensional printing，3DP）以及直接携带细胞打印的生物打印技术等。值得一提的是，三维喷印与3D打印技术的英文缩写虽同为3DP，但前者包含于后者，且三维喷印因所粘结零件的强度有限，往往需要后续处理以获得三维原型材料。

1.4 生物医学材料

现阶段应用于3D打印技术的生物医用材料主要包括医用金属材料、医用无机非金属材料、医用高分子材料和复合生物材料。其中金属材料主要有钛合金、钴铬合金、不锈钢和铝合金等；无机非金属材料主要包括生物陶瓷、生物玻璃、氧化物及磷酸钙陶瓷和医用碳素材料；高分子材料目前有聚富马酸丙二醇酯（propylenefumarate，PPF）、聚乳酸（polylactic acid，PLA）、聚己内酯（polycaprolactone，PCL）、聚醚醚酮（polyetheretherketone，PEEK）等；而复合生物材料主要包括PCL/PLA/β-磷酸三钙（tricalcium phosphate，TCP）、PEEK-羟基磷灰石（hydroxyapatite，HA）等。

作为医用金属材料的一种，钛及其合金如Ti-6Al-4V、Ti-6Al-7Nb、Ti-24Nb-4Zr-8Sn等，因具有良好的生物相容性以及抗疲劳、耐腐蚀特性[14]，能够形成微孔结构，降低弹性模量，减少应力遮挡并发症，目前已广泛应用于骨科内植物的制造。其中Ti-6Al-4V合金是目前3D打印医用内植物应用最普遍的材料，相对于PEEK材料，能更好地促进成骨细胞黏附与分化[15]。镁及其合金在体内具有骨诱导性，在促进骨生长的同时不会产生炎性反应，作为骨科内植物材料潜力巨大，但其在体内降解过快，力学性能不足，不利于承重部位的骨组织生长以及骨力学结构的动态平衡重建[16]，故尚不适用于脊柱手术。能够以粉末形式用于打印的生物相容性材料还有不锈钢316L和钴铬合金等，也受到业内的广泛关注，但目前主要用于齿科内植物的打印，尚未应用于打印脊柱内植物。

医用高分子材料的发展从最开始仅能利用现成的高聚物，到通过合成反应在分子水平上设计合成具有特殊功能的高聚物[17]，再到寻找具有主动诱导、刺激人体损伤组织再生修复的一类生物活性材料[18]，可谓成果颇丰。复合生物材料方面亦有所建树，有学者使用SLS方法烧结PEEK-HA混合粉末，用以制造多孔复合高分子材料支架，研究结果证实，该支架具有可控的微观结构和较高的稳定性，适用于脊柱椎间融合[19]。

尽管目前应用于3D打印技术的生物医用材料众多，但鉴于脊柱个性化内植物的特殊性，材料不仅需满足脊柱手术有效性、精准性的要求，更重要的是安全性指标，从这个角度上看，目前已量产并投入临床使用的医用生物材料还十分有限。

2 脊柱畸形与矫正

脊柱畸形是骨科领域中涉及解剖结构最复杂、精度要求最高的学科。其病情的复杂性体现在：①椎体形态结构多伴有旋转、楔变、滑脱、半椎体、蝴蝶椎等变异；②椎弓根细小、不规则；③伴椎管畸形如脊柱裂、椎管内骨赘压迫；④伴先天性肋骨融合、椎板融合等；⑤胸廓、脊髓、神经根以及周围毗邻肺、食道、主动脉、下腔静脉等重要脏器和大血管随脊柱畸形而发生形变；⑥脊柱稳定性严重失衡，同时还可能伴有心肺发育、循环呼吸、心理等障碍，甚至发生迟发型瘫痪，生存质量严重下降。

对于达到手术指征的重度脊柱畸形，外科治疗是有效的干预措施。20世纪60年代，Harrington完成脊柱后路一维棒钩矫形固定，被称为脊柱内固定及脊柱矫形的先驱[20]，而80年代Cotrel等[21]发明C-D钉棒系统（Cotrel-Duboussetinstrumentation），是脊柱矫形外科里程碑性的事件。但早期的CD系统操作比较复杂，后经过改良，逐渐形成由TSRH、Isola、CDH和Moss-Miami等支撑的三维矫形理论与技术，矫形效果进一步提高。

螺钉的准确置入是保障脊柱矫形手术安全性、提高成功率的关键所在。Liljenqvist等[22]报道，先天性脊柱侧凸患者置钉时有25%的椎弓根螺钉穿破椎弓根皮质，尽管未引起神经血管和肺并发症，但仍有1枚螺钉紧靠胸主动脉；Minor等[23]在T5水平置钉时穿透了降主动脉壁；Papin等[24]报道1例后路脊柱侧凸矫正手术中出现的脊髓损伤，造成了腹痛及下肢神经症状；Belmont等[2]曾对40例脊柱侧凸和后凸患者进行手术治疗，发现43%的胸椎椎弓根螺钉穿破皮质，椎体前方皮质穿破率达8%；Modi等[3]在治疗脊柱侧凸患者时共置入854枚螺钉，结果发现，31.3%的螺钉位置不准确，调整后复查时置钉失败率仍达10.1%。为提高置钉准确率，人们采用计算机导航技术来辅助置钉，但该技术存在操作复杂、学习曲线长、经济投入大、手术时间长等劣势，未能在国内医院获得广泛推广。

3 3D打印技术在脊柱矫形手术中的应用

3.1 实物脊柱模型

3.1.1实物模型的构建和制作 对准备建模的脊柱部位行连续CT扫描，然后将影像学数据导入三维建模软件中，构建三维脊柱模型，最后将三维模型导入3D打印机中，打印出实物模型。

3.1.2应用效果 Mao等[25]将3D实物脊柱模型用于对16例严重脊柱畸形患者的矫形治疗中，发现其在术前谈话、规划手术方案以及模拟手术中起到独特作用，可以更好地了解病情，选择最佳螺钉置入角度，术后复查CT发现无一例椎弓根螺钉突破皮质；桑宏勋等[26]早年对34例重度先天性脊柱畸形患者的治疗经验也证实，3D打印模型能较好显示病变节段解剖信息，可用于指导术前评估和制定手术计划，提高术中操作精度，缩短手术时间，降低手术风险，辅助术后疗效评估；而复杂脊柱畸形矫正手术截骨线划定时需要综合考虑脊柱矢状位及冠状位的平衡、脊髓神经的松弛程度、有无序列堆积及过度牵拉、椎前血管顺应性等，实体模型可帮助医生设计更加科学严谨的截骨线，使截骨减压范围更加合理精确，保证手术疗效[27]。

一些有关3D模型与常规手术的比较研究也见诸报道。Yang等[28]对126例LenkeⅠ型青少年特发性脊柱侧凸的手术患者进行前瞻性对照研究，结果表明，与传统手术相比，运用3D实物模型辅助手术可缩短手术时间，降低术中出血量，复查血红蛋白水平也更高；Wu等[29]在治疗严重先天性脊柱侧凸时，通过术中参照脊柱模型辅助置钉，结果表明，3D模型组置钉准确率为胸椎94.4%、腰椎91.6%，明显高于C型臂X线机组的置钉准确率（胸椎86.1%、腰椎82.0%）；张树芳等[30]的随机对照试验结果亦证实，通过精确测量3D打印截骨模型，实现了术前个体化手术计划的精确制定和预测，术前演练也达到了提高手术融合率、增强手术安全性的目的。

3.2 置钉导向模板

导向模板之所以适用于辅助置钉手术，主要是由于其以椎体后柱骨性结构的数据为基础，故不会因患者手术前后体位、体重等因素的变化而出现导板不匹配的现象。自1998年Radermacher等[31]首次将RP导航模板用于腰椎椎弓根置钉操作以来，该技术在颈椎、胸椎、腰椎以及寰枢椎、脊柱矫形等的置钉研究中获得了广泛应用。

3.2.1制作流程 首先对目标椎体进行3D CT薄层扫描，设定扫描厚度（最好不超过1 mm），以DICOM格式保存并导入Mimics等3D图像生成及编辑处理软件，生成目标椎体的3D模型，以STL格 式导出 ；再导入 UG、Imageware、Geomagic Studio等逆向工程软件，设计最佳置钉通道，选择性提取椎板、棘突及关节突后方的表面解剖形态，反向建立与之相匹配的模板。将置钉通道与模板拟合成一体，形成带有导向孔的导航模板，并用3D打印机打印出来。

3.2.2分类和演变 导航模板简单来说可分为单椎体导板和多椎体导板，定位导向孔也有单侧和双侧之分；如果依据后柱结构，导航模板可分为以局部椎板、横突根部为解剖标志的单边单个局限型导航模板，以单边椎板、横突为解剖定位标志的双侧单边单个导航模板，及其以双边椎板、横突、棘突为解剖定位标志的双侧双边单个导航模板。

早期人们多采用多椎体导板，具有匹配面积大的优势[32]，但椎间关节存在微动，术前CT扫描体位与术中体位的差异将影响导板辅助置钉的准确性；单椎体导板可避免这一缺陷，术中操作时更具稳定性。在保证稳定性的前提下，追求较少的软组织剥离和更好的匹配程度，仍将是未来导板的发展方向之一。

为进一步提高置钉准确性，近年来Sugawara等[33]报道一种基于RP导板的多步置钉操作方法，辅助58枚胸椎椎弓根螺钉置入后无一例发生椎弓根皮质破裂。而在对导板贴合面的研究方面，有学者根据腰椎后方不同骨性解剖标志，将导板分成椎板-人字嵴型和椎板-棘突型，辅助置钉的随机对照试验结果表明，两组置钉可接受率无显著差异，但前者成功率为70%，明显低于后者95%的成功率 95%[34]，这与 Goffin 等[35]、胡勇等[36]的结论相似。提示在使用逆向工程软件设计匹配模板匹配面时，应选取曲率较高，最好是椎板中下部的曲面作为参考曲面，以避免生成的导板在使用过程中被上一节段的椎板遮挡，从而获取更好的贴合度。另外，作为置钉导向模板的关键组成部分之一的导板套管，有报道建议其长度以5 cm为宜[37]。

3.2.3实验研究和临床应用 Birnbaum等[38]在L2～L4共12个腰椎标本上进行个体化模板辅助置钉法和传统置钉法的比较研究，前者螺钉全部准确植入，传统置钉法有2枚螺钉穿破椎弓根皮质；Hu等[39-40]在尸体标本上分别进行3D打印导向模板辅助C2经椎板螺钉和C1～C2经关节突螺钉置钉试验，螺钉置钉位置均满意；成都军区昆明总医院的研究团队在脊柱尸体标本中亦验证了颈椎椎弓根螺钉置钉导板的安全性和准确性[41]。

诸多临床研究结果亦表明，采用3D打印导向模板辅助脊柱畸形患者椎弓根置钉，置钉准确率高，位置良好，神经、血管和内脏损伤并发症低，矫形效果满意，手术时间也大为缩短[42-45]。

针对脊柱导向模板的设计及其置钉准确性问题，人们进行了积极的临床探索。Takemoto等[46]制作的新型钛质导向模板，在减少接触面积的同时保证了操作稳定，提高术中匹配便利性，辅助36例脊柱侧凸置钉手术的准确率为98.6%（414/420）。陈玉兵等[47]采用个体化导航模板寻找胸椎矫形手术椎弓根螺钉的最佳进钉通道设计，他认为，对椎弓根宽度＞4 mm者，应使虚拟椎弓根螺钉位于椎弓根内，且尽可能位于椎弓根的中心位置，而椎弓根宽度≤4mm者则采用椎弓根旁固定方法，使虚拟椎弓根螺钉轻度穿破椎弓根外侧壁，经胸肋关节内侧进入椎体。这种设计既可避免椎弓根螺钉穿破椎弓根内侧壁，又可防止螺钉过分外移导致肺及胸膜损伤，术后矫形效果满意，同时最大限度地保证了手术安全。

3.3 个性化内植物

通过CAD和3D打印技术能快速制作个性化植入物，同时可以制造大小可控的微孔。这些微孔结构在植入体的实体部分可降低金属材料的弹性模量，减少应力遮挡；在植入体的表面则可促进金属与骨组织之间的骨整合。这一独特优势使其在骨科植入物研制方面前景可期[48]。

3.3.1个性化人工椎体 全脊椎整块切除术（total en bloc spondylectomy，TES）或称后路全椎体切除术（posterior vertebral column resection，PVCR），对重度脊柱畸形疗效肯定[49]，但术中必须重建患者脊柱结构以及生物力学的稳定性。传统以骨水泥、钛网、异体骨、自体骨等内植物联合前路钢板、后路椎弓根系统固定为主的手术，时间长，风险大，操作复杂，缺乏个性化，远期并发症发生率高[50]。

采用3D打印技术制作个性化人工椎体，为实现脊柱矫形个性化手术提供了新的思路。有学者通过3D打印技术制作猪人工椎体，结果显示，该人工椎体与猪原有相应节段椎体形态结构完全相符，置换后脊柱形态与术前未有明显变化[51]；亦有动物实验结果表明，TES术中置入3D人工椎体后猪双后腿活动、痛觉良好，假体位置、椎间高度及脊椎序列均完好[52]；北京大学第三医院研究团队设计了全微孔型3D打印钛合金人工椎体，动物实验证实该人工椎体与周围骨骨整合良好[53]。而在体外研究方面，有报道证实类似于松质骨蜂窝立体结构的复合支架有利于骨的直接附着，200～300 μm的孔径有利于骨细胞及血管长入，75%以上的孔隙率使材料具有骨传导性，85%以上的孔连通率能保证细胞的新陈代谢[54]，这些结果为3D打印人工椎体的规格设计提供了参考依据。2016年5月，北京爱康医疗公司基于3D精准构建技术（accurate construction technology，ACT）研发的人工椎体系统正式获得国家食品药品监督管理总局批准，得到上市许可，这也是全球首例经过临床验证的金属3D打印人工椎体。

3.3.2个性化椎间融合器 Beer等[55]的尸体研究结果表明，3D打印椎间融合器可与椎体表面几何参数良好匹配，使其沉降风险大为减少。FDA 2013年批准、Renovis公司研发的3D打印椎间融合器Tesera，利用微孔结构替代了传统的植骨方式，但在人体内的表现及骨整合效率，尤其是用于脊柱椎间融合的效果，仍有待长期临床结果证实。

Tsunami和EIT等公司也相继推出了金属3D打印椎间融合器产品，这些产品的共同特点是采用多孔或表面多孔钛合金结构，降低了合金的弹性模量，减少了应力遮挡效应[56]；而开放的多孔结构允许骨组织长入内植物内部，提供更多的骨与材料结合位点，限制骨与内植物之间的微移动，从而增加内植物-骨结合的力学稳定性[57-58]。从铭、陈伯华[59]研发3D打印n-HA/PLA椎间融合器，并与传统碳纤维椎间融合器组进行比较研究，结果表明，该新型椎间融合器可提供抗压缩性能，能够满足临床植入的生物力学要求。

4 存在问题

在3D打印技术展示其临床价值的同时，我们亦需观其不足之处。对于3D脊柱实物模型而言，先前根据采集数据制作的等比例模型可能因体位变化而与实际脊柱形态不完全一致；囿于技术限制亦不能制作包含软组织的脊柱模型，因此在涉及软组织疾病时3D打印技术尚无法应用。对于置钉导向模板，术中贴合骨面时微小的位移都会带来置钉偏差的风险；而如果术前CT数据处理和CAD均交由医生负责，则势必要进行专门的培训学习，增加学习周期。这两种技术还存在制作精度不足、加重患者经济负担等问题，从数据采集到设备打印也需要一定的时间，不适合用于急诊手术患者。但随着3D打印技术的发展和成熟，以及新型制作材料的层出不穷，未来在优化设计、提高精度的同时，成本会更加低廉；而医疗机构借助与医疗器械生产企业通联合作建立公共平台，将数据采集、CAD-RP等技术服务外包给第三方专业公司代理，能够实现脊柱外科专业知识和CAD、计算机辅助制造（computer-aided manufacturing，CAM）的完美结合，提高效率，减轻医生负担，更易推广。

人工椎体置换的主要问题是，若仅单纯置换人工椎体，就破坏了上下椎间盘，导致脊柱高度的丢失；此外，手术创伤大，出血多，易出现硬膜囊过度变形、血管扭曲致缺血性损伤等，双下肢不全瘫、马尾神经症状、间歇性跛行等手术并发症也较为常见，术中使用临时固定棒是预防脊髓损伤的重要手段[60]。对于3D打印个性化内植物，除需证明其治疗的有效性、精准性外，还需证实其安全性，要求在材料强度、刚度、抗疲劳性、生物相容性等方面经得起时间考验，而其植入人体后能否满足这些要求，仍有待更多的临床研究及长期随访来进行评价。

任何技术的使用都包含着对技术潜在效益与潜伏危险的权衡。当前关于医疗器械审批的法律法规是根据产品批量生产的特点进行设计的，对于个体化3D制造的产品没有明确规定，个体化植入物未建立行政审批制度，无法获得医疗注册许可证，这对使用中的安全风险处理产生不利影响；同时也面临着伦理道德与技术的挑战[61]。从这个意义上讲，个体化生产既是3D打印技术的优势，也是其法律限制的瓶颈，需改革创新方能得以突破[62]。临床应用方面我国也缺乏相关的规范标准，今后应致力于建立相关监管制度，并推进其规范化和标准化进程，以有利于问题的解决[63]。

5 小结

脊柱矫形手术难度高、风险大，对医生的专业素养有着极高要求。利用3D打印技术精确打印脊柱实物模型、置钉导向模板和个性化内植物，并将其用于术前辅助诊断、了解复杂疾病的解剖特点、与患者及家属沟通、规划修正手术方案、模拟手术、预设截骨范围、设计个性化内植物，以及术中参照、设置最佳钉道、导航置钉、与同行交流等方面，能够在保证手术质量的同时，缩短手术时间，减少术中失血及X线暴露次数，增加手术便利性，降低手术难度及并发症发生率，提高置钉准确率和手术成功率。

日前在脊柱畸形矫正领域，3D打印技术的探索方兴正艾，如火如荼。相信未来随着硬件设备和影像学精度的提升、RP技术及计算机辅助工艺的发展、人体工程学的完善以及生物材料学的进步，3D打印技术必将在全国范围内普及，为广大脊柱畸形患者带来福音。4D打印的理念和技术目前已开始在医学领域崭露头角，其所带来的变革也必将对脊柱外科医生产生深远影响，而作为先进技术的使用者和实践者，医生主导设计产品并将其嵌入可变形的智能材料中，通过某些特定条件激活后以时间维度进行自我组装，获得紧密贴近临床的个性化产品，这一天应该不会太远。

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