3D打印技术在脊柱外科中的应用进展及其局限性

仵博宇，叶 开，王江华 综述 滕 勇 审校

3D打印，又名增材制造，是20世纪80年代发展起来的一门新兴技术，是指在计算机的控制下，根据物体的计算机辅助设计模型或计算机断层扫描(CT)/磁共振成像(MRI)等数据，通过材料的精确堆积，制造原型的一种基于离散、堆积成型原理的新的数字化成型技术。3D打印可在短时间内“打印”出任意形状与结构的物体，骨骼的形态结构相对稳定，采集CT等影像学图像的数据转换为3D打印所需的数字模型文件相对简便，因此3D打印在骨科，尤其在脊柱外科中的应用早于医学其他领域，发展也更为迅速[1]。目前3D打印技术在脊柱外科已用于术前规划、医患沟通、医学教育、手术导向模板、个体化植入物及3D生物打印方面，在脊柱外科有着广阔的发展空间。本文对目前3D打印技术在脊柱外科中的应用进展与未来方向作一综述。

1 应用进展

1.1 术前规划 术前规划是3D打印技术在脊柱外科的早期应用之一。3D打印技术可将患者的CT/MRI数据精准地转化为实物模型，帮助医师全方位查看患者病患处的解剖，实现更精准的术前规划。3D打印技术用于脊柱外科复杂病例中的优势显著，包括肿瘤切除、严重的脊柱畸形、儿科病例及微创脊柱外科等，可辅助实现精准的术前规划[2,3]。

1.2 医患沟通 良好的医患沟通是建立医患信任关系和取得患者知情同意的基础。3D打印技术可将患者的个体解剖转换为实物模型，为患者及家属提供直观、立体的实物模型，帮助患者及家属了解疾病，便于医师向患者及其家属交代手术风险及术后相关并发症，从而有利于进行良好的医患沟通，增加医患间的信任，降低医疗纠纷的发生风险。

1.3 医学教育 3D打印技术用于医学教育，有着可将复杂的脊柱病例转化为实物模型的优势，可提供出直观、立体、典型的实物模型，与以往尸体标本用于教育相比，具有更好的安全性、可重复性、经济性及更好的培训效果，并且不用担心伦理问题[4]。

在脊柱相关的医学教育中，目前的3D打印技术只能构建脊柱的骨性结构，不能构建椎间盘、韧带、神经血管等软组织，因此脊柱的内生环境和生物力学不能重建，相信未来随着生物打印技术的进步可以解决这个问题[5,6]。

1.4 辅助手术

1.4.1 用于引导椎弓根螺钉 在脊柱外科的手术中，常需要放置椎弓根螺钉，这种手术方式目前已经成熟，但在复杂手术中，准确放置椎弓根螺钉仍较为困难，并且容易损伤到周围的血管神经，使用3D打印导向模板辅助放置螺钉可以很好地解决这一问题[7,8]。

自3D打印导向模板用于引导放置椎弓根螺钉以来，已将其用于辅助颈椎、胸椎、腰椎、骶椎的单节段和多节段椎弓根螺钉的置入[8-11]。3D打印导向模板主要用于复杂的脊柱手术中，以提高螺钉放置的准确性，降低并发症的发生风险。多项研究数据表明，3D打印导向模板可以提高螺钉置入的准确性和效率。如胡勇等[9]将其用于辅助置入寰椎椎弓根螺钉治疗寰椎骨折，术后通过CT评价螺钉位置，发现螺钉钉道与最佳钉道在进针点和方向上无统计学差异，且均未发生硬膜破裂、周围重要血管损伤等并发症。Guo等[10]比较了使用3D打印导向模板与传统透视两种手术方式辅助放置颈椎螺钉的手术效果，结果显示前者使得椎弓根皮质穿孔率减少了20%以上，手术时间平均减少约17 min，透视次数减少了4倍。诸多研究表明3D打印导向模板辅助手术可提高椎弓根螺钉置入的准确率、缩短手术时间、降低术中透视频次，减少术中出血量、降低并发症发生的风险[8-11]。

1.4.2 用于引导截骨 脊柱解剖结构复杂，毗邻血管神经和脊髓，且存在较大的个体差异，使得脊柱截骨术的临床实施较为困难，尤其是伴有严重脊柱畸形需要矫形截骨的手术。以往多采用影像绘图法辅助截骨术，常面临着术中的截骨角度难以达到术前设计角度的问题。将3D打印技术用于辅助截骨可以很好地解决这个问题，3D打印导向模板具有完美地契合脊柱结构的优势，打印1∶1尺寸的模型，在术中辅助截骨，可实现术中精准截骨[12,13]。

3D打印技术用于脊柱外科复杂的截骨手术中，取得了良好的临床效果。赵永辉等[12]使用3D导向模板辅助治疗16 例强直性脊柱炎需要截骨矫形的患者，均顺利完成手术，在术后随访12～36个月，仅1 例出现邻近椎体压缩骨折，且可以通过非手术治愈，余患者矫形维持良好，均未发生手术并发症，患者的生活质量得到了明显提高。Tu等[13]报道了9例使用3D打印钛制导向模板辅助截骨的严重脊柱畸形患者，术后平均随访21.4 个月，均未出现并发症。3D打印导向模板辅助手术为脊柱外科截骨矫形提供了一种安全可行且精确性较高的手术方式。

1.5 置入物应用

1.5.1 用于构造个性化椎间融合器 椎间融合器是脊柱外科手术常用置入物，主要用于置入椎间隙中以实现相邻椎体间的融合。商业化的椎间融合器主要由钛合金(TiAl6V4)及聚醚醚酮(PEEK)材料制成，因钛合金材料融合器有应力屏蔽效应，PEEK材料融合器存在着生物活性和成骨能力差的问题，临床上存在着融合器置入人体后发生塌陷、移位和脱出的情况。3D打印椎间融合器具有可定制化、表面附着物修饰、可控的刚度及孔隙率的优点，可降低其应力屏蔽效应、改善生物活性和解决成骨能力差的问题，从而降低融合器发生塌陷、移位和脱出的风险[14,15]。

McGilvray等[14]在绵羊腰椎融合实验中，比较了3D打印多孔钛合金(PTA)椎间融合器与商品化的PEEK及多孔钛涂层PEEK(PSP)椎间融合器的成骨能力和生物力学性能。研究发现，PTA与PEEK及PSP融合器相比，在生物力学试验中，PTA融合器的刚度显著增加，屈伸运动范围明显减少；在置入绵羊体内后的第8周和16周时，PTA与PEEK和PSP融合器相比，前者成骨数量显著增加，说明3D打印PTA融合器具有较好的成骨能力和生物力学性能。

另外也有关于3D打印可吸收椎间融合器的报道，研究认为3D打印聚乳酸/纳米级β-磷酸钙可吸收颈椎融合器具有较好的生物相容性和力学稳定性[16]。但也有关于可吸收椎间融合器崩解和发生排异反应的报道[17]，因而3D打印可吸收融合器的应用受到了限制，还需要进一步研究去探索其临床价值。

1.5.2 用于构造个性化脊柱假体 脊柱肿瘤常见的外科治疗方式是将椎体整块切除。手术不仅要求遵循无瘤原则，还需要重建脊柱复杂的生物力学和功能[18]。商品化的脊柱假体常常难以精准匹配患者的个体解剖，难以较好地重建患者脊柱的稳定性和功能，而3D打印技术建造的脊柱假体具有个体化的优势，可完美地匹配患者个体解剖，并且可对置入物材料及材料表面特性进行微调，从而实现促进其与人体骨骼融合生长。3D打印个体化脊柱假体已应用于颈椎、胸椎、腰椎、骶椎肿瘤切除手术之中，并取得了良好的临床效果[19-24]。

个体化脊柱假体主要重建脊柱稳定性和连续性。个体化颈椎假体治疗上位颈椎肿瘤切除后的重建颈椎，所有患者均无血管、神经、硬脊膜及脊髓损伤，术后愈合良好；在术后后的随访中，未见肿瘤残留或复发，所有患者内固定稳定，未见螺钉松动及假体移位[19,20]。脊柱胸腰段肿瘤患者，手术给予肿瘤侵犯的椎体整段切除，以3D打印人工椎体重建患者的脊柱稳定性与连续性[21,22]。纪经涛等[21]将3D打印椎体与使用钛网重建脊柱相比，术中出血量、手术时间、术后引流量及术后24 h和3个月时的疼痛视觉模拟评分，差异均无统计学意义，且术后随访中，使用3D打印椎体与相邻椎体匹配情况良好、无松动、下沉、移位，也未出现断钉、断棒等内固定失败情况。而使用钛网重建脊柱的患者存在脊柱假体下沉移位的情况，差异有统计学意义。也有将3D打印个体化椎体用治疗脊柱复发性肿瘤、脊柱转移瘤、骶椎肿瘤的报道，效果较好，随访期未见肿瘤复发及并发症的发生[23,24]。

综上所述，3D打印个体化人工椎体可用于脊柱肿瘤切除后脊柱稳定性的重建，以恢复脊柱的稳定性与连续性，实现假体精准匹配相邻椎体，有利于减少假体塌陷，且能促进骨长入和增加骨融合，是一种单或多节段脊柱肿瘤切除后脊柱稳定性重建的理想方法。

1.6 生物打印方面 3D生物打印技术在创造具有生理结构功能并能自我修复的组织器官方面，已经成为了一个极富有临床转化前景的工具，并且可以很好于应用于脊柱外科。近来有报道称该项技术可用于打印为髓核细胞生长提供支架的生物基质，使得构造人工椎间盘成为可能[25]。也有研究将其应用于打印硬脑膜治疗骶管囊肿，取得了良好效果[26]。Sun等[27]通过3D打印技术制作了由生物材料、细胞和生长因子组成的解剖学椎间盘支架，并将其植入裸鼠背部皮下，发现3个月后椎间盘支架有大量的软骨细胞和软骨组织生长，且周围未见明显炎症反应。此外又有研究称丝素蛋白、纳米纤维增强(壳聚糖)水凝胶，以及聚乳酸和聚乙二醇二丙烯酸酯胶是3D打印椎间盘组织工程中极具前景的生物墨水[28]。然而目前3D生物打印技术也存在很大的挑战：除需要高精度的打印机器以外，还需制备优良特性的生物墨水和仿生优化设计，以及如何实现不同材料、生长因子、种子细胞的组装、合理分布、构建生物活性的微环境等[29]。诸如此类，都展示出3D生物打印技术的巨大应用潜力及进一步研究价值。

2 应用局限性

3D打印技术在脊柱外科的应用也具有一定的局限性[12,30]。(1)构建3D打印模型需要时间、成本和学习曲线是其广泛应用的主要障碍，很多医院没有配备3D打印机及相关的技术人员；(2)使用3D打印建立模型需要经CT/MRI数据采集、计算机设计、模型打印等步骤，可能会延长患者的住院时间，增加患者的住院费用；(3)3D打印模型的设计、打印及术者在术中的操作都可能会影响手术的效果；(4)使用3D打印导向模板辅助手术时，往往需要充分地显露导板的贴附区，可能会增加手术创伤。因此，考虑到3D打印的成本和收益，以及手术的风险，3D打印技术对于复杂或不典型的脊柱疾病可能是最有价值的。

在过去的十几年中，3D打印技术一直是脊柱外科的研究热点，以其独特的优势，使得脊柱外科中的一些疑难杂症得到了很好的诊断与治疗，是一项值得进一步研究的技术。3D打印技术用于医学教育、医患沟通及术前规划较传统的方法均有着显著优势。3D打印用于术中的导向模板和个体化假体，在获得了更好临床治疗效果的同时也降低了手术并发症的发生率，为临床上提供了一种新的治疗方案。3D打印结合生物技术的再生医学研究与实践正在不断推进，为今后的骨缺损骨修复乃至打印人体器官移植提供了美好的愿景，或将成为撬动未来医学技术发展的核心。