3D打印技术在脊柱外科中的应用进展

李 超，牛国旗，刘路坦，周乾坤

(1.蚌埠医学院第二附属医院骨科，安徽 蚌埠 233000；2.数字医学与智慧健康安徽省重点实验室，安徽 蚌埠 233000)

3D打印技术是当今的一种新兴技术，已被广泛应用在日常生活、工业制造，在医疗领域方面主要应用于如颌面外科、神经外科、骨伤科、脊柱外科等的临床操作及教学演练中。脊柱的解剖复杂，手术操作难度大，容易产生严重的术后并发症，且其治疗需要个体化和精准化。而3D打印技术的特点就是个体化和精准化，在临床教学、术前规划和培训以及术中3D打印导板和内植入物的应用，使得脊柱外科手术效率大大提高，现对3D打印技术及其在脊柱外科中的应用进展进行论述。

1 3D打印简介

1.13D打印概念及分类：3D打印(或增材制造)是指一种不依赖模具，而使用计算机辅助设计(CAD)文件来逐层添加地制造物理对象的技术[1]。3D打印技术起源于20世纪80年代，美国科学家Charles Hull于1984年发明了立体光刻技术用来3D打印模型[2]，1988年美国的3D Systems公司生产出了第一台3D打印设备，又被称之为“立体光刻设备”，开创了3D打印技术发展的新纪元[3]。 2012年4月，英国著名杂志《经济学人》发表专题报告指出，全球工业革命正在经历第三次工业革命，与以往不同，本次革命将对制造业的发展产生巨大的影响，其中一项具有代表性的技术就是3D打印(3D printing)技术[4]。 3D打印技术的发生、发展很大程度上降低了人们的工作成本，节省了劳动时间，并使劳动产品更加个性化、规模化。

根据美国材料与实验协会(ASTM)2009年成立的3D打印技术委员会(F42委员会)公布的定义，3D打印是指一种与传统的材料去除加工方法相反的、基于三维数字模型的、通常采用逐层制造方式将材料结合起来的工艺[5]。3D打印技术的内容涵盖了产品生命周期前端的“快速原型”(Rapid Prototyping)到全生产周期的“快速制造”(Rapid Manufacturing)以及其他所有相关的打印工艺、技术、设备类别和应用[6]。

对于3D打印技术来说，目前应用较多的材料加层方法有三种[7]：①Fused Deposition Modeling(FDM):又称熔融沉积打印技术，通过用计算机控制使喷嘴挤出软化聚合物，并沉积出设定的模型，这种打印技术是最为经济的。②Selective Laser Sintering(SLS):又称选择性激光烧结技术，指其通过聚焦的能量源(如电子束或激光)作用在包括尼龙、钛和不锈钢的各种材料组成的精细粉末机床上，绘制成2D切片的形状，每一层的几何形状都由此方法打造，然后对这些区域进行同时融化和融合，最终形成完整模型。③Stereo Lithography Appearance(SLA):又称立体光固化成型技术，其使用一种液态光敏树脂，光能源能在该树脂上工作，液体表面的选定区域被光照时固化，液体容器底部逐渐下降以增加材料的深度。随着模型的生成，连续的树脂层被固化在彼此的顶部，并形成最终形式的模型。

FDM 3D打印机具有快速、经济的优点，而SLA和SLS具有更高的打印精准度[8]。除了更加精准外，它们使用的材料往往能承受住手术前常用消毒程序，而FDM打印机通常使用的材料熔点都较低，不能达到术前消毒的标准，较多的用于打印术前规划的模型，但是同时SAL和SLS往往需要大量的培训时间以及更多的技术知识。这几种打印技术打印出的模型往往都会需要后期的处理，以便于临床工作中更精准的应用。

1.23D打印的步骤：尽管3D打印有各种不同的方法，但其打印模型的步骤是基本相同的。简单来说就是将物体微分成极薄的多层，通过分层完成，最后叠加达到要求的效果，3D打印的步骤如图1所示[9]。

图13D打印的步骤

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2 3D打印技术在脊柱外科的应用

近年来，3D打印技术作为成为一项新兴技术，已经广泛应用于骨伤科、颌面外科、颅脑外科以及脊柱外科等各个医学领域[19]。因为脊柱解剖及手术术式的特殊性，当今脊柱外科手术越来越趋于个体化及精准化。3D打印技术特点是打印实物的个体化及精准化，所以其在实现脊柱外科治疗个体化及精准化的过程中发挥着重要的作用[20]。目前，3D打印技术在脊柱外科的应用中虽然处于起步阶段，但在脊柱外科手术的教学和培训、个体化导航模板以及个体化内植入物等方面于一定程度上得到广泛应用。

2.13D打印在脊柱外科手术的教学和培训的应用：脊柱外科是骨外科的一个重要学科分支，其解剖结构较为复杂。脊柱疾病大多数都会累及周围的血管神经及软组织结构，而且多种脊柱疾病及损伤都需要手术治疗。在进行脊柱手术时，需要更高的技术要求，因为一旦手术中出现失误，轻则导致患者出现感觉功能障碍，重则出现瘫痪甚至危及生命。脊柱外科手术的教学和训练一直是骨科教学的难点[21]，而把3D打印技术应用到教学中，可以很大程度上解决这个问题。

周华等将3D打印技术应用在脊柱侧凸教学研究中，结果显示实验组在判断脊柱侧凸的顶椎及拟手术固定融合节段的准确率方面要高于对照组(P<0.05)；两组教学效果的调查问卷评估，实验组在学习兴趣(P<0.01)、学习效率(P<0.01)与教师的互动(P<0.01)及团队合作能力(P<0.05)方面评分显著优于对照组[22]。赵波等将3D打印技术应用于脊柱外科手术教学和训练中，与传统培训方法相比，3D打印在脊柱手术教学中的应用使接受培训的青年医师能够独立自主地进行椎弓根螺钉的置入，且不出现较大的失误，且在时间上显著优于传统方法，使得青年医师牢记手术步骤和技巧，并且增加实际手术中的自信心[21]。李曙明等将3D打印及计算机辅助技术应用在复杂脊柱畸形治疗的研究中，通过先观察影像学资料并对资料进行讨论，再用3D打印的实体进行对比与反思，与传统方法相比，不仅能够极大地提高学生的阅片以及对该类疾病的临床诊断能力，而且有助于提高教学效率和效果[23]。孙伟等将3D打印模型在骨科住院医师规范化培训中的应用研究中，与传统教学法组相比，应用3D打印模型辅助临床教学的新教学法组的专业理论笔试成绩显著优于传统教学组(P<0.05)；新教学法组学生在有助于掌握、提高兴趣、调动积极性和教学满意度4个方面的教学效果评分均显著优于传统教学组(P<0.05)[24]。脊柱外科的手术及临床知识教学一直是难点和重点，由于其复杂的解剖结构，传统的教学方法使学生们感到抽象、难以理解，而3D打印技术的应用可以很大程度上提高术前培训及临床教学中的效率。

2.23D打印在个体化导板中的实验研究与临床应用：由于3D打印的个体化及精准化特点，3D打印技术制作患者个体化导板以辅助椎弓根置钉已在脊柱外科手术得到广泛的研究与应用。

Hu等对32具颈椎标本进行导板辅助下椎弓根置钉及在C1～C2置入 Magerl钉，术后CT发现实际进钉点与理想进钉点差异无统计学意义(P>0.05)[25-26]。严斌等的研究中，对37例正常人体腰椎(L1～5)的三维模型进行导航模块下椎弓根置钉，植入的228枚螺钉位置良好，无一例螺钉穿破椎弓根皮质，结果提示基于数字化的3D打印导航模块，可以实现个体化的微创下腰椎椎弓根螺钉精确置入[27]。张昊等研究发现3D打印导板辅助颈椎椎弓根螺钉的植入，使螺钉的长度和宽度均可达到良好的可控性，并且提高了颈椎椎弓根螺钉植入的安全性和准确性[28]。毛克政等在8具尸体上使用3D打印个体化导板对C3～6颈椎标本共置入64枚椎弓根螺钉，其中62枚完全在椎弓根内，置钉准确率达 97%，辅助置钉降低了操作难度，提高了置钉准确率[29]。

杨泗华等将23名强制性脊柱炎合并胸腰椎骨折患者分为A组(3D打印组)和B组(非3D打印组)，进行经后路椎弓根钉棒内固定术，结果发现可显著提升手术的精度与疗效[30]。陈嘉华等在应用3D打印技术辅助椎弓根螺钉置入治疗腰椎滑脱症时，结果显示其手术时间及出血量少于传统手术方法，并且更有利于滑脱椎体复位、椎管及神经根充分减压，减少了置钉带来的神经并发症[31]。牛国旗等在个体化3D打印导向模板辅助上颈椎椎弓根螺钉置入的实验研究中，将徒手置入寰枢椎椎弓根螺钉定为对照组，应用导板辅助置入为实验组，结果显示实验组与对照组螺钉置入成功率分别为94.60%(35/37)和70.27%(25/37)(Z=-5.790，P<0.05)，实验组置入单枚螺钉用时和X光机透视次数均明显少于对照组(t=-14.078、-23.586，P<0.01)[32]。3D打印个体化上颈椎椎弓根螺钉导板体现了个体化置钉原则，置钉成功率高、安全、有效、可行，有临床推广价值。郝申申等[33]在3D打印个性化导板辅助在后路下颈椎椎弓根螺钉置入的应用价值的研究中，对20例需行后路下颈椎椎弓根螺钉内固定的患者，设计制造带钉道的3D打印个性化导航模板辅助置钉，共置钉132枚，结果提示其准确率较高，且修复效果较为满意。Sugawara等用3种不同的导板对10例胸椎或者联合有颈胸椎疾病的患者在导板辅助下进行椎弓根置钉，结果显示可显著提高置钉的精准性，而且可以减少手术及辐射暴露时间[34]。王威等对腰椎骨折患者应用导航模板进行椎弓根置钉，经过CT检查置入螺钉位置好，都处于腰椎椎弓根内部，无螺钉穿破椎弓根皮质现象[35]。结果提示其方法精准度高，能实现微创个体化椎弓根螺钉置入，方法简单，具有十分重要的意义。郝申申等在导航模板在脊柱侧凸矫形术中应用的研究[36]中，按照Lu等制定的测量方法[37]评估螺钉置入准确度，其中Ⅰ级螺钉136枚(80.95%)，Ⅱ级螺钉25枚(14.88%)，Ⅲ级螺钉7枚(4.17%)，置入准确率为95.83%；术中均无置钉相关的神经、血管损伤等并发症，脊柱主弯Cobb角术前术后分别为(55.8±20.4)、(20.6±13.9)度，差异有统计学意义(P<0.05)。

综上所述，3D打印技术在个体化导板的研究与应用中，不只是局限于颈椎、胸椎及腰椎的置钉手术中，其在脊柱侧弯矫形、腰椎滑脱等较为复杂的脊柱疾病中的应用也较为广泛，且其所处起的作用之大是不可忽略的。

2.33D打印在个体化内植入物的应用：在临床工作中经常遇到脊柱先天发育畸形、个体差异或者解剖变异、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，内植物与集体骨骼表面贴合度差，不能有效分散应力效应，甚至会引起固定部位应力集中，影响固定的安全有效性和术后愈合效果[38]。目前在脊柱手术中应用3D打印植入物，对这些特殊、复杂的脊柱病理情况具有一定的参考价值。钱文彬等对猪的T12、L1椎体进行后路全椎体切除术，置入3D打印假体后于T11、L2进行双侧椎弓根螺钉固定，结果显示假体位置、椎间高度、脊柱序列完好[39]。杨泽雨等在对应用3D打印人工椎体在猪脊柱置换前后的生物力学比较的研究中，置换后组运动节段在前屈、后伸、左右侧屈各向量的位移角度变化明显小于置换前组(P<0.05)，结果显示3D打印人工椎体的设计具有合理性和创新性，可获得良好的生物力学稳定性[40]。3D打印的内置性假体不单单只是局限于动物实验中，苏暄等2014年在全球首次应用3D打印人工定制枢椎作为脊柱外科内植物治疗寰枢椎恶性肿瘤[41]，为肿瘤切除后颈椎结构重建辟出了一条新途径，具有开创性意义。Phan等对1名65岁女性采取治疗时将3D打印的个性化固定材料应用于后路L1～2的融合手术中，手术效果比较满意，患者颈椎症状明显缓解[42]。目前，3D打印在脊柱手术内植物的应用中还处于初级阶段，内植物的置入后对机体契合度、生物力学、功能恢复以及后期生活中的功能维持时间都是应当重点研究的方面。

3 讨论

目前，3D打印技术在脊柱外科乃至整个医学领域的应用都拥有了不可忽略的地位。由于其个体化及精准化的特点，能很好地解决由于脊柱的解剖问题而引起的其手术复杂性的问题，而且对脊柱外科的教学及术前的培训都有着很大的帮助，这就使其在脊柱外科中的应用涉及到各个方面。但其同样存在一定的局限性：①由于打印设备和材料的价格昂贵，使得应用3D打印模型成本较高。②不能打印出软组织附着，如肌肉、血管和神经的走形和分布等；③在脊柱外科手术及个体化内植物的应用中，除了经费问题外，还有耗时及材料问题，根据患者术前影像学资料应用3D打印制作个体化内植物需要一定的耗时，这就对紧急手术的患者不能及时的应用，而且其材料的选择目前还处在研究阶段，选择更加契合人体组织的材料会使得内植物手术更加成功；除此之外，未来的3D打印不得不面临伦理问题，如果3D打印在以后的发展中制作出更契合人体的生物模型及内植物，这就使3D打印技术跟克隆技术面临的问题不谋而合了。总之，3D打印技术在脊柱外科的应用还有很大的发展空间，其前景值得期待。