3D打印技术在神经外科领域的应用与发展方向

钟世镇

3D打印技术是极具发展潜力的新型制造技术。近年来，3D打印技术在神经外科的应用显示出巨大的优势，如利用3D打印技术显示颅底肿瘤与周围血管、神经的复杂解剖关系，为手术提供可视化手术计划方案；利用3D打印技术修复颅骨缺损，实现“颅面”的自然重塑；利用细胞3D打印技术制造出集功能生物支架、神经干细胞和血管单元为一体的神经组织，开创神经损伤修复的新模式。本文就3D打印技术在神经外科应用进行述评。

一、3D打印技术的概念

3D打印技术也称为增材制造技术或快速成型技术，是一种以计算机三维模型为基础，通过逐层打印的方式来制造物体的技术。它通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出机械产品或人体组织[1]。全球首台3D打印机是由美国人查克·霍尔在1983年发明的，当时还没有“3D打印”这个名词，直至1986年查克·霍尔成立了3D System公司并开始销售这种“快速成型”机器，这类机器才被称为“3D打印机”或“增材制造”。与传统制造业以模具、车铣等机械加工方式对原材料进行定型切削生产最终成品不同，3D打印将三维实体变为若干个二维平面，通过对材料处理并逐层叠加进行生产，大大降低了制造的复杂程度。这种数字化制造模式不需要复杂的工艺、庞大的机床或众多的人力，直接从计算机图形数据中便可生成任何形状的部件。

医药生物领域是3D打印技术发展最为迅猛的行业。3D打印技术能够为临床医疗提供更完整的个性化诊疗方案，如颅底肿瘤3D手术预规划模型、3D打印颅骨、3D打印活体神经组织等。中国的3D打印技术起步较晚。2015年8月21日，卢秉恒院士在国务院的集体学习会议上作了3D打印技术专题报告，引起了国家层面的高度重视，并提出“3D是制造业有代表性的颠覆性技术，实现了制造从等材、减材到增材的重大转变，改变了传统制造的观念和模式，具有重大价值”。此后，在国家重大项目资助支持下，3D打印技术应用研究取得较快发展，尤其是在临床医学领域的发展更加快速。

二、3D打印技术在神经外科领域的应用

目前3D打印在神经外科的应用主要集中在精确大脑整体复制、复杂颅底脑肿瘤切除、颅内动脉瘤的手术及颅骨缺损修复等方面。

（一）精确大脑整体复制

对于帕金森病、癫痫、强迫症和慢性神经疼痛等疾病，可通过向大脑内插入微电极、对脑内特定靶点进行刺激的方式（深部脑刺激）来进行治疗。尽管这种手术的危险程度并不太高，但大脑本身解剖结构复杂，要精确定位电极插入的方式和位置是一个复杂的过程。在手术实施过程中，医生所能借助的参考标准只有非常细小的脑部微孔和屏幕上的脑扫描图，手术靶点定位困难。2015年，加拿大萨斯喀彻温大学神经外科Ivar Mendez医生将3D打印全脑模型用于帕金森病脑立体定位术前规划，借助3D打印技术成功地将大量的大脑扫描数据转化成了精确的大脑模型文件，找到了合适的合成橡胶材料并打印出了人类历史上首个精确的等比例人类大脑复制品。利用该模型模拟其手术过程，极大地提高了治疗靶点定位的精准性和可视化程度。

（二）颅底肿瘤手术

颅底肿瘤切除术难度极高，传统治疗方法主要依据CT和MRI扫描的二维图像，但影像学数据之间难以有效对接，临床医生往往只能根据影像资料在脑海中自行构建空间图像，一旦切除时留下死角，很可能导致肿瘤残留及复发。2014年1月2日，中国湘雅医院神经外科专家团队在3D打印技术的支持下，将颅底肿瘤患者的CT和MRI等多模态影像学数据无缝融合，经进一步处理获取精确的空间数据并转化重建为三维模型，采用高分子材料完成3D打印。该模型边界清晰，形似克隆，对肿瘤及周边结构的不同形态、不同质地及不同密度的组织均实现了精确复制，并成功为患者实施了肿瘤精准切除手术[2]。2016年，该团队又对颅颈交界区（颈静脉孔区）哑铃状肿采集了高清晰的影像，重建患者脑部3D模型，模拟制定了最合适的手术方案，有选择性地切除最少的骨头，精准直达肿瘤所在位置并全部切除肿瘤，减小手术创伤。

（三）脑血管成型

颅内动脉瘤显微外科手术有较高的致残、致死风险，手术治疗对术者的要求较高。目前颅内动脉瘤术式主要有显微手术夹闭和血管内栓塞。显微外科手术最大的难点在于手术夹闭材料的选择，动脉瘤解剖位置的准确把握和手术并发症的预防，对复杂、宽颈的囊状动脉瘤患者来讲，术前计划对减少术中操作损伤及减少手术时程尤为重要，这些因素均与动脉瘤破裂、术后感染、致残率和病死率有密切关系。1999年，D’Urso等[3]报道第1例快速成型技术制作的颅内动脉瘤模型，该模型对颅内动脉瘤治疗提供了很大的帮助。3D打印动脉瘤模型可用于术前诊断、手术模拟、术中参考及医患沟通。借助3D打印动脉瘤模型，术者可以从各个角度近距离地研究复杂的脑血管解剖结构，进而增强术者的理解，提高手术安全性和精准性。近年来这一技术已在临床较广泛的应用。

（四）颅骨修复

重型颅脑损伤、脑动脉瘤破裂出血、脑出血等手术行去骨瓣减压术后，颅骨缺损≥3 cm时可能会出现头痛、头晕等颅骨缺损综合征，颅骨修补则是首选的治疗方法。目前，颅骨修补术应用较多的是钛合金，但钛合金存在干扰MRI成像、导热、导电等缺陷，影响术后MRI复查扫描、脑电图、脑磁图检查，且会限制经颅磁刺激、直流电刺激治疗的实施。3D打印技术以CT或MRI影像数据为基础，利用塑料颗粒、生长因子、金属粉末及陶瓷等为原材料，通过材料的逐层打印、精确堆积，快速制造任意构型的颅骨板。3D打印技术通过控制孔隙率、孔隙分布及孔径尺寸，使植入材料拥有多孔结构，更接近于人体骨组织的弹性模量，减少应力遮挡效应，从而促进自体骨与植入材料更好地融合，提高生物组织相容性，并通过增加骨-材料结合位点，达到提高植入材料-自体骨的力学稳定性效果。近年来，3D打印聚醚醚酮植入材料已进入临床应用阶段，可以把患者原始的曲率完全重现，脸部、颧弓部都可以达到完美的重塑，更好地与人体颅骨组织融合、生长。

三、人造活体神经组织

生物3D打印的核心技术是生物砖，即一种新型的、精准的具有仿生功能的干细胞培养体系，以种子细胞（干细胞、已分化细胞等）、生长因子和营养成分等组成的“生物墨汁”，结合其他生物支架材料逐层打印出产品，打印后经培育处理，形成有生理功能的神经组织结构。美国密歇根理工大学研究人员开发出一款小型3D打印机，“墨盒”中有一个大注射器，里面装着一种红色胶状液体，只需装上针式打印头便可依据电脑设计打印不同的组织支架[4]。近期，乔治华盛顿大学的科学家发现，3D打印神经支架与低能量激光疗法相结合将产生一种新策略来修复神经变性。相比传统的支架制造方法，3D生物打印是一种效果更好的方法。3D打印可能会在神经组织工程中充当一种强大的工具。

生物3D打印的关键是要有合适的“生物墨水”可打印组织。神经需要生物兼容组织作为细胞支架，而细胞膜质纳米晶体有极佳的机械性质，是非常适合的选择。此外，神经具备传递电脉冲的功能，支架还要能导电，有研究人员在打印材料中加了石墨烯，造出一种生物兼容性良好的石墨烯聚合体，将其融化成胶状可在打印压力下迅速流出，形成神经组织，促进神经再生修复。脑创伤、脑出血、脑缺血及脑退行性疾病是导致神经细胞损伤的主要原因，神经再生即是神经组织、细胞或细胞产物的再生或修复，但修复大面积的损坏是一项极具挑战的任务。生物3D打印技术可能是解决大面积神经损伤修复的关键技术。

四、3D打印技术的发展方向

3D打印技术日趋成熟，其在神经外科领域应用也更加广泛[5]。主要重点发展方向：（1）深部脑肿瘤、脑动脉瘤等复杂疾病的3D打印手术模型模拟，提高诊断的精确度，精确了解解剖学病变部位并选择手术入路，预测术中突发情况及计划补救措施，提高术者对手术的把握程度，降低术后并发症的发生率；（2）技能培训，利用3D打印技术制造1∶1的全脑结构模型及脑肿瘤、脑动脉瘤模型等，可用于住院医师和规培医生的可视化手术技能训练；（3）利用生物3D打印技术制造含有多种活细胞的“脑组织块或脑叶”，解决大面积脑组织缺损的神经修复难题，这是未来生物3D打印技术最富有挑战性的发展方向。

[1] 杨新宇.3D打印技术在医学中的应用进展[J].复旦学报（医学版）,2016,43(4):490-494.

[2] 相海泉.3D打印辅助手术治疗--记湘雅医院数字化医疗应用[J].中国信息界-e医疗,2014,7(4):55-55.

[3] D’Urso PS,Thompson RG,Atkinson RL,et al.Cerebrovascular biomodelling:a technical note[J].Surg Neurol,1999,52(5):490-500.

[4] Cui X,Boland T,D’Lima DD,et al.Thermal inkjet printing in tissue engineering and regenerative medicine[J].Recent Pat Drug Deliv Formul,2012,6(2):149-155.

[5] Shafiee A,Atala A.Printing technologies for medical applications[J].Trends Mol Med,2016,22(3):254-265.