3D 打印钛合金椎间融合器在脊柱退行性疾病中的应用

朱轩灏，俞 阳，刘希麟

1.电子科技大学医学院，成都 610054

2.四川省人民医院骨科，成都 610072

脊柱退行性疾病通常表现为疼痛和神经根症状，极大影响患者的生活质量。椎间融合术是治疗脊柱退行性疾病的常用术式，常用自体骨、同种异体骨或椎间融合器修复丢失的椎间隙高度，矫正畸形，实现神经根减压［1-5］。但自体取骨可能会导致取骨区疼痛、感染等并发症［6］；采用同种异体骨植骨可能产生排斥反应；椎间融合器如与病变椎间隙不匹配、与正常骨的弹性模量相差较大，术后可能发生椎体塌陷、融合器移位/沉降等并发症［7］。3D 打印钛合金椎间融合器利用CT 或MRI 等影像数据重建三维图像，将数据输入3D 打印机，将可黏合材料逐层堆积形成三维实体。与普通机械制造的融合器相比，3D 打印钛合金椎间融合器具有个体化、高精密性、成型快等优点［8］。3D 打印钛合金椎间融合器具有微孔结构，通过控制空隙率和空隙大小，可更好地模拟人体骨，降低弹性模量，使其弹性模量与人体骨相当，促进骨融合［9］。随着3D 打印技术的发展，3D 打印钛合金椎间融合器在临床上的应用也逐渐增多。本文就3D 打印钛合金椎间融合器的临床应用、特点、存在的问题作如下综述。

1 在颈椎退行性疾病中的应用

van den Brink 等［10］的研究发现，采用3D 打印钛合金椎间融合器行颈椎融合术，术后2 年患者骨完全融合，且融合器上可观察到骨小梁附着和生理重塑，表明3D 打印椎间融合器具有良好的生物相容性，可促进骨融合。杨旭等［11］在采用颈椎前路椎间盘切除融合术（ACDF）治疗颈椎病患者的研究中对比了聚醚醚酮（PEEK）融合器和3D 打印钛合金融合器的效果，结果显示，2 种融合器在缓解患者临床症状、恢复椎间隙高度上均有效，且使用3D 打印钛合金椎间融合器的患者手术时间更短，术中出血量更少，而且术后椎间隙高度及颈椎生理曲度恢复较PEEK 组更有优势。刘正蓬等［12］采用ACDF 治疗脊髓型颈椎病患者63 例，其中31 例术中采用3D打印椎间融合器，32 例采用PEEK 椎间融合器及同种异体骨，结果表明，3D 打印椎间融合器应用于脊髓型颈椎病可减少并发症，促进颈椎曲度、椎间高度恢复，提高颈椎稳定性，且机体应激反应、轴性症状轻。王彦金等［13］采用ACDF 治疗颈椎病患者67 例，33 例采用3D 打印钛合金椎间融合器，34 例采用PEEK 融合器，结果表明，3D 打印钛合金椎间融合器可减缓椎体沉降、维持颈椎生理曲度、加速椎间融合，疗效满意。Jin 等［14］对在颈椎椎间融合术中使用3D 打印钛合金椎间融合器的患者进行中长期随访，结果显示，患者症状明显改善，椎间隙高度增加，颈椎曲度恢复，椎间融合器无明显沉降，融合率达100%。Singh 等［15］的研究显示，采用3D打印钛合金椎间融合器治疗的患者报告结局和融合率与采用同种异体骨治疗的患者相似，但在术后各随访时间点的沉降较少，能更好地维持节段性脊柱曲度。吴敏飞等［16］报道了3D 打印椎间融合器在治疗脊髓型颈椎病中的应用效果，结果表明，3D 打印椎间融合器较普通同种异体骨可明显减少手术时间、住院时间、术中出血量和术后并发症，可逐步恢复患者生理曲度和椎间隙高度，可有效缓解患者神经受压症状，促进神经功能恢复。Arts 等［17］的临床研究结果也显示，使用3D 打印钛合金椎间融合器的患者有更好的融合率，临床效果显著改善。

3D 打印钛合金椎间融合器可用于神经根型和脊髓型颈椎病的治疗，相较于自体骨、PEEK 椎间融合器和同种异体骨，其在维持椎间高度、增加融合率和降低沉降率方面都更有优势。杨旭等［11］及吴敏飞等［17］的研究还表明，使用3D 打印钛合金椎间融合器能够缩短手术时间，降低术中出血量。但其他学者［12-13］认为，使用3D 打印钛合金椎间融合器在手术时间、术中出血量及住院时间方面与使用PEEK 融合器及同种异体骨并无明显差异。笔者认为，相同术式中采用不同融合材料并不会对手术时间、术中出血量及住院时间产生明显影响。

2 在腰椎退行性疾病中的应用

Mokawem 等［18］对采用3D 打印钛合金椎间融合器治疗的腰椎退行性疾病患者随访12个月发现，98.9%的患者融合器在位，骨融合良好。Adl Amini等［19-21］的多项研究显示，3D 打印钛合金椎间融合器应用于腰椎椎间融合术，沉降率低，融合率高，可长时间保持椎间高度。王彦金等［22］的研究比较了后路腰椎椎间融合术（PLIF）中采用3D 打印钛合金椎间融合器和PEEK 融合器的疗效，结果显示，2种融合器在手术时间、术中出血量、并发症、术后神经恢复和最终椎间融合率方面无显著差异；但3D 打印钛合金椎间融合器能有效减少椎体下沉，加速椎间融合。Kim等［23］的研究显示，3D 打印钛合金椎间融合器与PEEK 椎间融合器应用于微创经椎间孔入路腰椎椎间融合术（MIS-TLIF）中的总体融合率无显著差异，但3D 打印钛合金椎间融合器的融合等级优于PEEK 椎间融合器。

3 在脊柱畸形中的应用

由于骨质疏松的影响，部分老年患者椎体塌陷严重，会出现脊柱畸形，包括后凸和侧凸［24］，从而导致两侧椎间隙不等高，椎间隙不规则，普通椎间融合器不能很好地满足此类患者的手术需要。普通椎间融合器一般为“子弹头”形状，不能很好适配因椎体塌陷等导致变形的椎间隙，3D 打印技术可为脊柱畸形患者量身定制不规则形状的椎间融合器，扩大融合器与终板的接触面积，提高稳定性，促进骨融合。Siu 等［25］采用MIS-TLIF 治疗骨质疏松性骨折导致终板凹形畸形的患者，结果表明，术中使用定制3D 打印钛合金椎间融合器有助于矫正畸形。夏天等［26］短期随访使用定制3D 打印钛合金椎间融合器治疗的7 例先天性颈椎侧凸患者，结果显示，定制3D 打印钛合金融合器与皮质骨之间接触紧密，融合良好，融合器无位移或下沉，畸形矫正率为64.45%。上述研究表明，3D打印钛合金椎间融合器可用于治疗脊柱畸形，但报道相对较少，仍须开展更多的临床研究加以证实。

4 应用优势

在脊柱退行性疾病的治疗中，3D 打印钛合金椎间融合器较PEEK 融合器和同种异体骨，在提高融合率、降低沉降率、维持稳定性方面更具优势。究其原因，钛合金本身具有耐腐蚀、耐压缩及较好的生物相容性等特点［27-28］，3D 打印钛合金椎间融合器的微孔结构能促进骨组织长入，从而提高融合率。PEEK 融合器远期沉降率较高，融合率稍有不足，是因为其表面有疏水层，不能被人体组织很好地吸附［29］，无法很好地与骨融合，影响远期融合效果，容易导致融合器沉降和移位。PEEK 融合器的优点是透光性好，弹性模量与人体骨相当［19］，能减少应力屏蔽效应；但3D 打印钛合金椎间融合器也可通过控制孔隙大小及密度使其弹性模量与人体骨相当［9］；因此，3D 打印钛合金椎间融合器与PEEK融合器在恢复椎间高度方面并无显著差异，但在增加和维持椎间孔高度上较PEEK 融合器更好［20］。

3D 打印钛合金椎间融合器的优势：①融合率高、生物相容性好。钛合金具有良好的成骨效能，其表面的氧化层能促进细胞外基质蛋白与其结合，为成骨细胞的黏附及分化提供有利环境［31］；具有可控的孔隙大小、密度及粗糙的表面，能为骨组织的黏附、增殖和分化提供有利环境［32］，促进骨的快速融合。②钛合金强度高、可塑性强且耐腐蚀［27］，术后远期疗效较PEEK 融合器及同种异体骨更好，融合器沉降、断裂等情况均明显减少，对生理曲度及椎间隙高度的恢复更有优势，且维持时间较长。舒启航等［33］在一项对3D 打印钛合金椎间融合器的三维有限元研究中提出，与传统融合器相比，3D 打印钛合金椎间融合器能有效避免上下终板的应力集中，提高固定节段的稳定性，减少内置物下沉风险。③能更好地匹配脊柱畸形患者变形的椎间隙，使终板与融合器接触面积更大，从而促进融合，更好地矫正畸形，但该作用仍需进一步的研究证实。

5 存在的问题

虽然3D 打印钛合金椎间融合器具有很多优势，但也有其局限性。①需要根据CT、MRI 等影像学数据来成型，影像学数据的精确度直接影响产品的精确性。②需要先获取影像学数据再进行个性化定制，较传统融合器直接在术中匹配增加了时间成本，可能导致手术延误，对存在脊髓压迫或损伤的患者影响较大。③影像学上会出现遮挡、伪影，影响术后对融合率的判断［30］。④若术中减压导致相关解剖结构发生改变，定制的3D 打印钛合金椎间融合器是否还适用，或有无方法避免此情况，尚需进一步研究。有研究［14］报道可用锉刀和刮匙去除软骨终板，保持终板的骨结构而减少误差。⑤制作成本较高［34］，价格可能是普通椎间融合器的2 倍甚至更高，这也是限制其广泛应用的原因之一。⑥虽然上述研究显示了其在骨融合方面的诸多优势，但均为小样本量研究，且随访时间大多只有1 年，尚需大样本量的临床研究长期随访进一步证实。

6 结语与展望

3D 打印是一种将金属、塑料、陶瓷甚至活细胞等材料逐层熔合、熔化，打印出三维物体的方法［35］，作为一项前沿技术，其在医疗领域的应用也越来越多［36-37］。3D 打印钛合金椎间融合器在脊柱退行性疾病治疗中的应用，均取得了良好疗效，但也存在部分不足，如对影像学数据精确度要求高、制作成本高、制作时间长等。随着3D 技术的发展，相信上述问题会得到有效解决；另外，融合器的材料也不一定局限于钛合金，希望未来可发现更接近于人体骨的生物材料或混合材料，造福更多患者；同时，也希望3D 打印钛合金椎间融合器能广泛应用于脊柱畸形患者的治疗，如特发性脊柱侧凸等。