3D打印技术在脊柱外科中的应用进展

程嘉伟 牛国旗 李 超 刘路坦 周乾坤

1 3D打印技术

3D打印技术，又称快速成型技术或添加制造技术，源自 20 世纪 80 年代，3D打印技术基于3D数字模型，使用离散材料逐层打印来构造物体，且已在很多领域得到应用。美国科学家查尔斯·赫尔在1984年发明了立体平版印刷技术打印3D模型，并于1986年创立了一家致力于3D打印技术的公司，开启了3D打印的新纪元。3D 打印技术经过几十年的发展，在降低制造成本，节省劳动时间上有着独特的技术优势，引发了全世界的研究热潮。

1.1 3D打印原理 使用MRI或CT薄层扫描获取图像，然后通过计算机建模软件建成3D模型。使用软件将三维模型切片制作成计算机辅助设计文件，将数据传送到3D打印机，使用各种打印材料逐层附加地制造对象。3D打印材料，如陶瓷、树脂、金属、塑料、聚氨酯甚至活细胞都可以用来制作3D模型。

1.2 技术类型 目前有多种3D打印技术，主要以熔融沉积制造技术，光固化成型技术及选择性激光烧结技术为主。

熔融沉积制造技术是将热塑性材料通过喷头加热至熔融态，材料经喷头挤出并迅速固化，一层一层打印和叠加，直至完成整个实体制造。光固化立体成型技术以液态光敏树脂为原料，通过控制激光照射液态光敏树脂使之逐层固化，最终得到完整的产品。选择性激光烧结技术以热塑性聚合物粉末为材料，通过二氧化碳激光对规划区域进行熔化和融合，不断重复铺粉烧结过程使粉末熔融堆积成三维模型。熔融沉积打印技术优点在于使用维护简单，材料利用率高，是所有打印技术中最为经济的一种技术，光固化立体成型技术和选择性激光烧结技术具有打印精准度高的优点。除了更精准之外，光固化立体成型技术打印实物表面质量好，成型速度快，但是打印设备造价昂贵，原材料成本高，且成型产品强度较差，光敏树脂材料有污染，因此该技术主要面向微机械结构的制作，打印小型模具和模型。选择性激光烧结技术打印材料广泛，制作工艺简单，材料可循环利用，缺点是打印产品表面粗糙，打印过程挥发异味等。通过这些技术打印的模型通常需要后处理，以便更准确、安全地应用于临床。

2 3D打印技术在脊柱外科中的应用

3D打印技术作为新兴技术在脊柱手术中有着重要用途，因为脊柱解剖结构的特殊性，且周围毗邻脊髓、血管、神经等重要组织，手术风险大、失败率高，因此脊柱外科手术越来越强调操作的精准化和个体化。3D打印技术特点是可以精确的实体复制，在概念化复杂的病变上提供视觉和触觉的帮助，让临床外科医师预见术中的困难，选择最佳的手术入路，所以在脊柱外科治疗中有着重要的作用。

2.1 脊柱矫形器 传统矫形器的制作依靠临床医师的经验和熟练度，同时还要付出大量的体力，包括热塑性塑料的铸造、雕刻和塑模，然后将其固定到身体上。缺点是等待时间长，需要多次调整，增加了患者的经济成本。此外，不能保证矫形器贴合患者身体，需要定期调整，必要时应重新制作。通过结合3D打印技术和生物力学分析技术，定制个体化脊柱支具有助于克服传统矫形器的局限性，同时改善机械和美学特性。

3D打印个体化支具具有以下5个方面的的优势。第一，患者可以按照治疗目的和个人的喜好选择不同的3D打印材料。第二，可快速制作，缩短患者等待时间，减轻疼痛，提高患者依从性，并减少病情进一步恶化。第三，根据人体工程学特点，制作合体、方便、舒适的支具。第四，通过软件分析设计的个体化支具更符合生物力学，提高了治疗效果。第五，患者参与设计过程提出反馈意见，从而提高了患者的舒适性和依从性。冯珍等发现个体化截瘫支具提高了患者的行走能力和活动能力，通过使用舒适适宜的个体化支具加快了病人的康复。张爱平等从环境、材料、结构、运动等方面评估患者穿戴3D打印个体化脊柱侧弯矫形器的舒适性，结果表明使用3D打印个体化脊柱侧弯矫形器的患者总体满意度达到良好。

2.2 实物脊柱模型 通过3D打印技术制作脊柱实体模型，作为临床教学、辅助诊断、手术入路规划以及外科手术更精确操作的参考，有力保证了手术的准确性和安全性。

脊柱三维实体模型可用于解剖学教育，医学生课程中使用的脊柱解剖标本大多为解剖结构正常的脊柱，很少有复杂的脊柱病变的标本供学生去学习和讨论。3D打印技术可以直观的将脊柱病变处三维结构展现，帮助学生更好的理解病变脊柱结构的解剖，提高医学生对脊柱疾病的认知。李曙明等发现在复杂脊柱畸形教学中，通过3D打印实体模型与影像学资料对比与反思后，极大地提高了学生对疾病的阅片和诊断能力，而且在教学效率和效果上显著优于传统教学。Wu等将90名医学生分为两组，一组用3D打印模型辅助教学，另一组用传统影像教学，发现传统影像组的测试得分显著低于3D打印模型组(

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此外，在目前医患矛盾日益加剧的情况下，如何让没有医学知识背景的患者及家属更直观了解手术方式和手术风险成为临床的一大难题。通过3D打印模型给患者的视觉带来直观感受，使患者对自身病情的复杂性和严重性有着更好的理解，有利于患者的术前沟通。林钢等在术前采用3D打印模型模拟手术，并且使用3D打印模型与患者及其家属交流，提高了患者对手术的理解。国内研究表明，使用3D打印模型有利于和患者之间的沟通，可显著减少与焦虑相关的疼痛。

3D打印模型被广泛应用于复杂脊柱病变的管理和手术计划中。目前常用的影像学检查，如X线片和CT扫描，不能提供复杂脊柱病变全面的解剖信息，3D打印模型为临床提供可视化信息和触觉反馈，在术前可以通过模拟手术提高临床医师对手术的信心，术中可以对照脊柱模型准确的找到对应的解剖结构，减少手术时间和失血量。研究表明，根据患者的CT数据打印个体化脊椎模型进行术前规划，通过模拟手术显著提高了手术的成功率(

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<0.05)。Wang等采用3D打印模型对脊柱侧凸、寰枢椎脱位、寰枢椎肿瘤患者制定手术方案，发现可以减少术中出血量，缩短手术时间(

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<0.05)。常丽鹏等对52例重度骨质疏松性椎体压缩骨折患者行经皮穿刺椎体成形术，并将患者分为观察组与对照组，发现使用3D打印模型术前进行预操作的观察组相比于对照组穿刺定位所需时间少、术中透视次数低，两组间差异有统计学意义(

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3D打印脊柱实体模型可以直观显示脊柱的三维形状，通过将三维模型数据导入医学图像处理加工软件，可以迅速准确的找到椎弓根螺钉的最佳进钉点及进钉的角度和深度。另外，也可以通过模拟脊柱矫形患者生理弯曲的节段和范围来确定截骨的位置和角度，提高手术的准确性，缩短手术时间，使整体手术效果得到提升。

2.3 置钉导向模板 众所周知，脊柱外科大部分的手术需要置入椎弓根螺钉，在脊柱内固定手术过程中3D打印置钉导板使椎弓根螺钉放置更加简便和精准。然而椎弓根畸形可引起椎弓根直径变化，这加大了徒手置钉的难度和风险，螺钉置入位置、角度偏移时可能损伤神经和血管。运用3D打印技术，通过术前CT扫描和计算机辅助预设钉道，打印出个体化、准确的置钉导航模板，在手术中能够精确的放置椎弓根螺钉，且操作简单。

椎弓根螺钉置入的准确性主要根据Kawaguchi提出的方法来判断：当螺钉完全位于椎弓根内时为0级(优)，突破椎弓根皮质未超过2 mm，无并发症为1级(良)，突破椎弓根皮质2 mm以上，未出现并发症为2级(中等)，出现椎动脉、神经根损伤等并发症为3级(差)。Hu等借助3D打印置钉导板，对32具颈椎标本置入寰枢椎Magerl螺钉，发现实际螺钉置入点与理想螺钉置入点之间无统计学差异(

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>0.05)。Kawaguchi等利用3D打印个体化导板辅助植入44枚C2～C7椎弓根螺钉治疗11例颈椎疾病患者，术后CT显示植入螺钉优良率为100%，其中优为95.45%，良为4.55%。Pu等将49例寰枢椎骨折脱位患者分为个体化3D打印导板组和传统徒手置钉组，比较两组的螺钉放置的准确性和安全性，术后CT显示个体化3D打印导板组置钉位置的正确率(98%)高于传统组(75%)，差异有统计学意义(

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<0.05)。Sugawa等使用单侧模板辅助置入胸椎椎弓根螺钉58枚，手术效果良好，没有螺钉突破骨皮质，而且椎弓根螺钉位置与术前设计的钉道相比偏差较小。综上所述，3D打印置钉导板辅助椎弓根螺钉置入因其具有准确性高、应用效果良好等特点，具有重要的实用价值。

随着3D打印导航模板的广泛应用，针对模板的设计也在不断优化。Kaneyama等采用单侧导板附加棘突固定的方法，为20例患者置入80枚颈椎椎弓根螺钉，所有螺钉均准确置入。这种设计的导板在减少接触面积的同时保证了操作稳定性，提高术中匹配的便利性。Azimifar等以关节突关节作为导航模板的接触点，应用导板对12例脊柱侧弯患者置入110枚椎弓根螺钉，手术置钉准确率可达94%。这样做的优点是避免了在术中对棘突和横突的广泛暴露，减少局部软组织损伤，有助于减轻术后疼痛。

3D打印导航模板置钉的优点：①个体化设计，提高置钉的安全性和准确率，降低了血管、神经损伤的风险，减少术后并发症；②使用简单，帮助年轻医生学习置钉方法，适合手术经验不足的年轻医师；③降低患者及医生在手术过程中X线的暴露次数，同时缩短的手术时间；④降低了手术成本，无需其他设备辅助。

2.4 3D打印个体化内植物 近年来，用于脊柱手术的3D打印多孔金属内植物主要包括人工椎体和椎间融合器。利用3D打印技术制造脊柱外科个体化定制内植物，与3D打印模型、椎弓根螺钉定位模板、截骨辅助模板等临时工具不同，3D打印脊柱内固定材料需要永久保留在人体内，所以对解剖学、人体工程学、生物力学、生物安全性、生物相容性等有更高要求。

周围骨组织与骨置入物间的固定方式分为骨长上与骨长入2种。传统内固定物主要靠与骨质间的摩擦力和螺钉的加压力进行固定，没有骨长入的过程，而3D打印个体化内植物可与骨质进行融合。3D打印个体化内植物通过优化多孔金属结构的孔隙率和孔径，提高了骨诱导能力，为脊柱结构的稳定性提供坚实基础。研究表明，当孔隙率达到75%时最有利于骨长入实现良好的骨性融合，当孔径达到200～300 μm时有利于血管和骨细胞长入。

Xu等应用3D打印个体化枢椎椎体治疗上颈椎恶性肿瘤(尤文肉瘤)，术后3D打印个体化人工椎体的位置良好，颈部旋转功能得以保留。3D打印人工椎体与传统植入物相比具有特殊的解剖结构，提高了脊柱肿瘤切除后脊柱结构的稳定性。Mobbs等发表了2份应用3D打印技术进行手术计划的案例报告，其中1例上颈椎脊索瘤(C1～C2)的患者接受了肿瘤切除术，应用3D打印技术制作个体化人工椎体重建椎体。另1例是患有复杂的先天性脊柱畸形的患者，截骨矫形术后应用3D打印的个体化人工椎体重建了脊椎前部结构的稳定性，结果表明3D打印个体化人工椎体的应用不仅限于肿瘤切除后的椎体重建，在脊柱截骨矫形术后引起的骨缺损的稳定重建也有极大的应用价值。Spetzger等在颈椎前路融合手术中应用3D 打印个体化钛合金椎间融合器，融合器与椎体表面贴合紧密，增加了接触面积，降低了融合器脱位和沉降的风险。吴敏飞等对30例脊髓型颈椎病患者植入3D 打印个体化椎间融合器，发现术后患者神经压迫症状改善明显，椎间隙高度和颈椎生理曲度得到恢复。3D打印个体化内植物结构与患者解剖结构匹配度较高具有良好的生物力学稳定性，患者术后只需佩戴头颈胸联合支具，提高了患者的生活质量，减轻了患者的痛苦和护理难度。

目前，3D打印内植物在脊柱外科应用具有创新性和挑战性，由于脊柱解剖和结构特殊，周围伴随着大量的血管和神经，此外脊柱疾病种类繁多，植入物尺寸不匹配的现象时有发生，应用3D打印技术可以根据患者病情个体化定制脊柱内植物，能够弥补传统技术的局限，是未来脊柱外科研究的热门领域。

2.5 3D生物打印 3D生物打印是连接生物材料、生物活性因子和活细胞的一项新技术，以生物支架为载体，不仅可以将细胞装载到支架上，还可以将各种生物分子如生长因子、细胞因子、大分子蛋白和药物等装载到支架上。支架的材料种类包括金属、生物陶瓷、生物活性玻璃、石墨烯、医用合成聚合物、天然衍生聚合物等，虽然涉及的技术和材料很多，但基本要求是恒定的，即生物相容性、无毒性、低免疫原性、低抗原性、合适的孔隙率和力学性能、合适且可控的生物降解性。随着生长因子等生物活性物质在支架中的引入，有利于细胞在生物支架上黏附、增殖和分化过程中修复骨周围软组织缺损并促进骨再生，因此，3D生物打印技术具有广泛的应用前景。

Dong等利用3D生物打印技术，制备了含有抗结核药物和纳米羟基磷灰石的生物支架用于脊柱结核的治疗，该三维多孔支架不仅能控制药物释放，还能修复骨缺损，帮助重建脊柱稳定性。Rosenzweig等以丙烯腈丁二烯苯乙烯和聚乳酸为生物打印材料制作不同孔隙率的3D生物支架，结果表明，椎间盘髓核组织在大孔支架表面和孔隙内生长良好，产生充足的蛋白质多糖和基质，可以用于治疗椎间盘疾病。Cui等利用3D生物打印技术将人软骨细胞与聚乙二醇二甲基丙烯酸甲酯结合，发现生物材料支架不仅提供了良好的机械稳定性还能保持人软骨细胞活力有助于修复损伤的软骨。3D生物打印制备的生物支架诱导细胞或组织分化具有替换或修复受损组织和器官的优点，为我们提供了促进骨再生的新途径。

3D生物打印技术还不够成熟，目前可以打印一些相对简单的组织和细胞，3D生物打印和3D打印金属植入物联合应用，在修复骨缺损和骨周围缺损的软组织方面，具有巨大的潜力和发展前景。

近年来，虽然3D 打印技术不断地发展，在脊柱外科领域的应用有着重要的地位，能帮助脊柱外科医师进行术前规划设计、辅助疾病的诊断和治疗、术中置钉导航、医学生教学及医患沟通等，但是仍然不够成熟，需要大量的研究证明3D打印的可行性和安全性。目前应用3D打印技术根据不同的体格特征制作的个体化脊柱矫形器，提高了患者的舒适性和实用性。制作脊柱模型将复杂的脊柱病变和解剖直观的显示出来，让学生更好的了解复杂脊柱疾病提高了教学效率和效果，让患者对自身病情有了更清楚的认知有利于术前沟通从而减轻焦虑。3D打印导向模板简化了临床医师的置钉操作，提高了螺钉放置的准确性和安全性。个体化内植物最大限度实现假体与残留结构的完美匹配恢复解剖结构更能满足患者的个体需求。3D生物打印帮助骨及周围软组织修复，为脊柱疾病的治疗提供了新的机遇。总之，随着3D打印技术的不断进步，在脊柱外科领域的应用也将越来越广泛，其临床价值也将不断显现。