3D打印技术在骨肿瘤手术治疗中的应用

安超，王优丽，张成

淄博市第七人民医院 a. 骨科；b. 药学部，山东 淄博 255000

引言

3D打印，又称为添加制造或快速成型技术，是一种以数字模型文件为基础，利用黏合材料，通过逐层打印的方式来创建实体的技术。在临床上当对骨肿瘤进行手术切除时，切除面积不足会导致肿瘤复发；切除面积过大会对患者造成很大创伤，甚至会影响机体的功能。此外，对于骨科医生来说如何填充骨肿瘤切除后的巨大骨缺损是相当棘手的问题。3D打印技术应用于骨肿瘤的手术治疗，为临床医生提供了一种新思路，转变了对传统骨肿瘤治疗的概念，弥补了传统手术方法中的许多不足，在提高手术质量的同时，能够实现精准的个性化治疗。

1 3D打印技术的研究进展

3D打印技术最早出现在20世纪80年代[1]。3D打印技术最早应用于足踝外科是在1997年对跟骨关节内骨折进行了评估[2]。其后，应用3D打印技术打印出人造肝脏组织，标志着3D打印技术首次进入医学领域[3-4]。制作内植物或假体对3D打印技术工艺或材料要求较高，所以出现较晚，而早期主要用于制作不规则骨的个性化假体[5]。从最初的3D打印模型到应用于临床手术操作的各类3D打印导板、3D打印假体，现如今该技术在骨科中的应用越来越广泛。

2 3D打印技术在骨肿瘤手术治疗中的应用进展

2.1 3D打印新型模型在骨肿瘤手术治疗中的应用

3D打印解剖模型可以用于明确骨肿瘤的边界及周围复杂解剖结构的空间关系，能够用于术前规划设计和模拟手术的过程。在骨科中最常见的3D打印模型是由一种材料打印的纯骨骼模型。在Kazuyuki等[6]的研究中提出了一种新型3D打印模型，创建了由下颌骨（白色ZP151粉末）、肿瘤（RTV硅胶）和下牙槽神经组成的混合3D打印模型。这个模型能够更好地帮助他们了解肿瘤与周围骨骼和下牙槽神经之间的位置关系。将3D打印模型技术应用于骨肿瘤的切除，该患者术后病理提示肿瘤切除干净彻底，肿瘤切除范围及假体放置位置最大误差不超过4 mm[7]。孔金海等[8]在术前模型中将肿瘤周围的大动脉、静脉和神经或者神经根分别用红、蓝、黄三色进行标注，打印出其精确的解剖位置，术中有效辅助并完整地沿边界切除了骶骨脊索瘤。

当骨肿瘤周围解剖的结构比较复杂时，例如骨盆、脊柱等部位的骨肿瘤，再加上患者个体化的差异，增加了完整切除肿瘤的操作难度，在实施手术时不仅要明确骨肿瘤的边界，还要避免对周围重要解剖结构的损伤，减少术后并发症的发生率。新型3D打印解剖模型能够真实反映出骨肿瘤的大小、边界以及周围重要神经、血管的分布情况，有利于术前制定更加详尽的手术规划。对于复杂的病例，可通过在模型上预演实施手术对不同手术方案的优劣进行比较，针对术中可能出现的问题进行术式调整并且可以预测手术术后效果[9]。将3D打印新型模型用于手术辅助治疗可以更快地完成手术操作。

2.2 3D打印导板在骨肿瘤手术治疗中的应用

对于骨肿瘤来说，肿瘤切除范围过大或过小都对会患者机体造成严重的损伤，如何准确切除骨肿瘤对于临床医师来说是一个巨大的考验。在Sallent等[10]的报道中指出肿瘤病灶内切除的复发率高达92%，切除边缘无肿瘤细胞时复发率在5%～17%之间。3D打印导板技术作为一种临床应用的新技术，与传统术式相比，具有其独特的优越性。它可以根据患者自身的实际情况设计出复杂形状和大小的导板，术中可以不借助导航实施快速精准地截骨。

骨样骨瘤中只有2%～10%的病例发生在足部，很少超过1.5 cm，因此难以定位。此外，切除不足常常导致复发。在Ren等[11]的研究中提到他们利用3D打印导板完整地切除了跟骨骨样骨瘤，在2年随访中，患者未出现症状，骨样骨瘤未见复发。在施凤伟等[12]的研究中成功地在3D打印髋臼导板辅助下切除了骨盆肿瘤，术后随访效果良好。付军等[13]对4种导板制作加工时间进行了对比，发现选择性激光烧结导板制作加工时间明显长于熔融沉积成型、光固化立体成型以及印刷工艺。并非所有的骨肿瘤手术都能进行导板的设计，导板在手术中的应用需要有个定位点，所有长骨中段的手术一般不适用于导板治疗。Limin等[14]指出将3D打印导板应用于骨肉瘤的切除手术，可减少术中失血量，随访研究表明，患者恢复良好，平均骨骼肌肉肿瘤术后评分达到27.125。

在实际手术操作时，要考虑到附着在骨骼上的软组织的问题，一般情况下设计的导板是紧贴骨骼设计的，所以术中要仔细干净地剥离骨骼表面的软组织，这样可以提高截骨的精确性和准确度。在胫骨远端、尺骨近端等特殊解剖位置，因软组织不容易发生形变，也可以设计贴附于皮肤的导板[15]。导板的不同材料也决定了其设计方案，使用ABS树脂及石膏时，厚度不应小于5 mm，光敏树脂不应小于3 mm，一般采用4 mm，金属材料应更薄[13,15]。导板的导孔设计也有一定技巧，非金属导孔一般设计成孔状引导克氏针，金属导孔一般设计成槽状，直接摆锯进行截骨处理。

3D打印导板可以实现术中精准定位，保证精确截骨，临床疗效也已经得到验证，相比传统手术方式，它可以缩短手术时间、减少术中射线放射次数、减少出血量并且能够有效控制并发症的发生率，减少学习的曲线。

2.3 3D打印假体及内植入物在骨肿瘤手术治疗中的应用

骨肿瘤切除后会造成局部骨质的缺损，不仅会造成外形不美观也会造成功能受限，目前对于骨缺损的重建方法有许多，包括异体骨植骨、自体骨移植、假体修复等，最佳治疗方式还存在争议。假体重建具有能够实现早期活动、外形美观、长期稳定性好、术后功能恢复好等优点。3D打印技术假体有助于改善解剖结构的恢复，3D打印假体个性化的设计符合“量体裁衣”标准。

Wang等[16]研究显示使用个性化3D打印半骨盆假体重建髋臼恶性骨肿瘤切除后骨缺损可实现良好的功能效果并且无严重并发症发生。Liang等[17]在报道中提出使用3D打印骨盆假体重建骨盆肿瘤切除后骨缺损是安全可靠的，没有额外的并发症出现，短期功能结果良好。Ralph等[18]将3D打印设计植入物用于复杂脊柱外科手术，一例是患者进行C-1/C-2脊索瘤的肿瘤切除后用3D打印假体对椎体进行重建，另一个患者使用3D打印的个性化融合器来治疗先天性脊柱畸形。Choy等[19]应用个性化3D打印椎体成功重建了青少年T9原发性骨肿瘤切除术后的骨缺损。付军等[20]应用钛合金3D打印假体复合带血管带腓骨及生物陶瓷的方式修复下肢瘤段切除后的长节段骨缺损，短期随访结果显示该方法稳定性可靠，安全性高，可获得良好的下肢功能。胡巍然等[21]的研究指出钛合金骨组织工程多空支架表面和孔内在体外有大量成骨细胞存在。

3D打印假体可能会成为由感染、肿瘤或创伤引起的骨缺损重建的主流[22]。3D打印假体及内植入物可以很容易地放置于骨质缺损处，这有助于手术操作和缩短手术时间，当用自体骨进行移植修复重建时，不管取腓骨、肋骨还是髂骨都需要对摘取的骨骼进行精细加工以便更加符合骨缺损的外形及大小，实现完美匹配。植入物的表面也可以涂有不同的材料，如羟基磷灰石等，以进一步促进假体与骨骼之间的连接。3D打印技术可以在假体表面制造多孔支架，多孔支架能够允许宿主骨在其内部进行生长。

2.4 3D生物打印在骨肿瘤手术治疗中的应用

3D生物打印技术作为一种前言技术，目前还处于研究阶段，其应用前景值得期待。例如，研究脂肪来源的干细胞复合3D打印的水凝胶支架在体内的成骨性能，结果显示在体内试验8周可观察到类骨质形成[23]。张明等[24]设计的基于3D打印技术的新型生物活性复合镁骨修复支架，通过聚乳酸-乙醇酸共聚物（PLGA）/β-磷酸三钙（β-TCP）／镁（Mg）多孔支架的多参数制备技术研究，提高多孔支架的促成骨活性，以利于植入部位的骨再生及功能重建。Ma等[25]利用贻贝仿生纳米结构生物材料的3D打印及其在肿瘤治疗和组织再生中的应用，打印了一个物陶瓷支架并且在其表面涂上钙磷/多聚多巴胺纳米层，并利用多聚多巴胺的生物相容性、生物可降解性和优良的光热效应，有效地诱导了肿瘤细胞在体外被杀死，发现3D打印生物陶瓷中的贻贝仿生纳米结构兼具了治疗癌症和骨再生的能力。将3D生物打印技术联合3D打印假体应用于骨肿瘤手术治疗中会显著地提高手术质量，对于患者的功能恢复会起到巨大的推动作用。

3 总结与展望

综上所述，3D打印技术在骨肿瘤手术中的应用价值和临床疗效值得肯定。当然，现在3D打印技术还存在一定的不足，比如：3D打印材料有限；打印时间较长；打印成本较高；许多研究还处于初始阶段；许多技术还不成熟；还需要更多的、更高水平的研究来证实3D打印技术的有效性。目前临床应用研究中，无论是3D打印导板还是3D打印假体还需要进行长期随访观察疗效，3D打印技术在临床中的应用还需要进一步拓宽。3D打印在理论上可以实现组织或器官再生，尽管目前在皮肤、血管、肝脏方面已取得了相当大的突破，但是构建一个具有移植条件及生物活性功能的打印器官仍是一个长期努力的方向。随着3D打印技术的发展，该技术在临床中将会发挥出更大的作用。