3D打印技術在脊柱外科中應用現狀和研究進展

鄭烜琦，王向陽，吳愛憫

(溫州醫科大學附屬第二醫院骨科醫院脊柱外科,浙江省脊柱外科中心,浙江省骨科學重點實驗室,溫州醫科大學第二臨床醫學院,浙江溫州325027)

0 引言

三維打印技術又稱“增材制造技術”,是利用以計算機生成的3D圖像數據文件或其他電子數據為來源制作3D打印對象的過程［1］。最初它被應用于工業生產,利用其逐層堆積打印實物的優勢來打印出具有一定強度和性能的任何形狀的個體化新產品實物。后來,隨著醫學影像學和計算機輔助三維成像、設計、制造技術,以及材料學的不斷發展,3D打印技術被引入到醫療行業,并取得一定成果。目前,它在脊柱外科的各個方面都得到了廣泛的應用。

1 解剖研究和教學

解剖學是醫學的基礎,熟練掌握解剖學知識是外科醫生的基本要求。然而,由于脊柱結構復雜,且毗鄰重要血管神經,在脊柱外科的診療過程中,尤其是高難度高要求的脊柱手術中,熟練掌握脊柱的解剖學結構尤為重要。

以往脊柱外科解剖教學的主要方式仍然是課堂講解和尸體解剖［2－3］。傳統解剖學教育中使用的脊柱骨骼模型可分為兩種：一種是從尸體解剖出骨骼實物,經清理、腐蝕、脫脂、漂白、防腐等一系列特殊處理后,再通過連接組裝成骨骼模型,但是由于制作工藝復雜,遺體來源有限,以及可能帶來的倫理學和法律方面的問題,骨骼模型制作數量有限,顯得較為珍貴,難以滿足教學實際需要；另一種模型是模具制作的石膏模型,優點是可以通過制作模具批量生產,其缺點是精準性較差,模具制作復雜,而且模具制作的模型較為單一,同樣不能滿足教學需求［3］。兩種模型并不能應用于案例分析和教學,基于人體解剖學、醫學影像學數據和計算機輔助設計、制造的3D打印技術能夠為我們提供準確的模型結構［4］。利用3D打印脊柱模型,可以研究一些內固定方式的可行性和最佳路徑［5－6］,為臨床醫師提供參考。 3D 打印技術還可以幫助研究開發和設計一些新的脊柱內固定手術方式［7］。 同時結合 DR、CT、MRI等影像學資料可幫助臨床教學［8］,包括分析患者的解剖結構,還原患者的受傷機制,判斷損傷的分型和分級［9］,制定治療方案和手術策略。不僅如此,解剖研究中使用3D打印脊柱模型的優點還包括以下幾點：準確的脊柱形態測量；可接受的價格；可以利用醫院圖像存檔和通信系統提供的CT或MRI數據；從同一患者的CT或MRI數據中建立度量模型可得到一致的形態學；避免使用尸體標本的倫理問題；克服低尸體捐贈率國家尸體標本供應有限的問題；沒有尸體標本的氣味；不需要特殊的存放條件和衛生防護措施等［10］。

另外,在學習手術技術方面,以往只能對著解剖圖譜或者標本以及手術視頻進行手術技術教學,然后在尸體標本上讓青年醫師進行模擬手術［3,11］。而現在,我們能夠通過在高精度標準化的3D打印模型上進行操作培訓,以期減少訓練時間,縮短學習曲線,使青年醫師實施關鍵手術技能,盡早掌握相關手術技巧［12］。但是目前很多模型缺乏準確的神經血管等毗鄰結構,使模型的應用有著很大的局限性。

2 術前手術規劃和醫患溝通

脊柱解剖復雜,尤其當疾病位于上頸椎、頸胸交界區、脊柱側凸/畸形、脊柱腫瘤等情況時,了解病例相關病理條件下的解剖結構尤為重要。傳統上,對脊柱病理學條件的理解是以影像學為基礎的,但是3D打印技術能夠讓病理條件下的解剖結構更加精確、直觀、立體地呈現,并且可以以此制定詳細的個性化手術方案,同時3D打印的模型可以為術者提供一致精度的可復制的病理模型以供術者進行手術方案的改進和訓練,以此來提高手術的精準度和安全性。同時,在同行討論和醫患溝通時,能夠更容易地為對方所接受,最大限度地減少分歧和失誤。黃式環等［13］報道將3D打印技術應用在脊柱手術患者的個性化健康教育中,能夠提高患者及其家屬的依從性,提高患者術后功能鍛煉的積極性,取得較好的健康教育成果。運用3D打印模型進行術前計劃的優勢主要體現在脊柱手術的準確性上。Wu等［14］將62例患者分為傳統術中透視技術組(28例)和3D打印模型手術計劃組(34例)。研究發現手術計劃組的3D打印模型中螺釘的放置更準確。傳統的術中透視技術組胸椎和腰椎螺釘的定位準確率分別為86.1%和82%,3D打印模型組則為94.4%和91.6%。而且3D打印模型組手術時間較短,脊柱側凸矯正率較高。Guarino等［15］對外科醫生使用3D打印模型輔助小兒脊柱和盆腔手術進行了一項前瞻性觀察研究,研究發現3D打印的模型在術前計劃和縮短手術時間等方面有顯著的益處。三維打印模型用于術前手術規劃也已應用于類風濕性關節炎所致的寰樞椎脫位、椎動脈高跨畸形和不可復性寰樞椎脫位,嚴重脊柱畸形,脊柱腫瘤等疾病中［16］。

上述研究表明了3D打印的脊柱手術計劃模型的有效性,尤其是該模型在螺釘放置方面具有更高的準確性,并減少了螺釘錯位及并發癥的發生率,同時也減少了手術時間、術中出血和輻射暴露的時間［17］。3D打印模型在術前規劃中的成功應用歸因于對病理解剖結構的真實呈現,從而使得主刀醫生對患者手術區域解剖結構得以更充分地了解,并且能夠以此來指定個性化的手術方案,具體包括螺釘的選擇、釘道的確定、置釘深度的把握、骨切除和骨重建方案的制定等手術細節。Sugimoto等［18］認為3D打印帶來的益處隨著病理解剖的復雜性而增加,也跟外科醫生對解剖的熟練程度有關,外科醫生完全可以通過3D打印直視條件下了解患者的解剖結構,從而大大提高外科醫生對復雜解剖結構的認知能力。但是,3D打印模型僅形態學相近［19］,沒有椎間盤和韌帶等,無法模擬真實的力學特性,因此還不能滿足現今的脊柱生物力學研究。

3 術中輔助導航

有些特殊脊柱區域(如上頸椎、腰骶部)或者特殊脊柱疾病(如脊柱畸形、腫瘤)的解剖復雜多變,手術風險高。需要根據特定患者的影像學資料進行術中導航和評估,以減輕手術風險［2,20］。例如,椎弓根螺釘是脊柱手術中常用的一種固定技術,其準確置入可以降低螺釘誤置等并發癥。但椎弓根形態細長、粗細不一,基于表面解剖標志進行人工置釘的傳統技術,在很大程度上取決于外科醫生的經驗,因此有很高的破壞椎弓根的風險,有可能造成潛在致命的神經血管損傷等問題［12］。以往術中常采用C臂來進行定位導航,對于復雜畸形、上胸椎、頸椎椎弓根螺釘有時采用導航系統提高準確度。但導航系統輻射大,定位過程繁瑣,同時導航系統費用昂貴。為了克服這些缺點,研究者們設計了3D打印導航模板,提高術中置釘的準確性,減少脊柱術中螺釘誤置率及其引起的并發癥。Lu等［23］設計了一種不同患者個性化定制的導航模板和導向管引導頸椎弓根螺釘置入,即導航模板上有一個面和椎體后方骨性結構表面進行良好的面對面配合,從而準確地引導螺釘軌跡。他們將該導板用于25例患者的88枚螺釘置入手術中,發現71枚螺釘無偏差,14枚螺釘偏差＜2 mm；3枚螺釘出現偏差在2～4 mm之間；螺釘均未出現偏差＞4 mm。這項技術也可用于脊柱的其他區域和復雜脊柱解剖情況［24］。與基于CT的計算機輔助導航系統相比,3D打印個體化導航模板是一種廉價、準確的指導置釘的方法,且不受患者術中體位變化的影響。

值得一提的是,將3D打印導航模板運用到脊柱側彎患者的個性化矯形手術治療,不僅能大大提高置釘準確率［25］,而且,相比于傳統C臂或CT計算機輔助導航,3D打印手術導航模板能大幅度減少手術時間,減少手術過程中的輻射量。Rong等［26］利用3D打印指導脊髓型頸椎病后路開門椎管成形術,可以準確控制椎板磨除位置和深度,有潛在的防止醫源性脊髓或神經根損傷的作用。Lin等［27］報道采用定制的截骨工具指導切除巨大的骶骨神經鞘瘤,該技術可以在術中更精確地切緣定位,達到完全手術切除病灶的目的,并且2年隨訪時無并發癥。

3D打印導航模板應用需做好骨表面處理工作,軟組織必須完全去除,模板的表面必須與骨性表面很好地吻合,模板才能固定到正確的部位,這一操作可能會增加手術時間和術中出血量［22,28－30］。為了保證良好的骨接觸吻合度的同時,盡可能減少手術時間和軟組織剝離的程度。Takemoto等［29］使用鈦模板,發明了一種只有7個小型圓形接觸點的3D打印導航模板,但是這款鈦模板的價格是聚合物基的導航模板的5倍。雖然與其他技術相比,總的來說成本一般是可接受的,近年來,用于外科計劃的3D打印材料的價格大幅下降,但設計和制造過程所需的時間往往被忽略了,3D打印的模型和患者專用的導航模板是耗時的,它們的準備可能需要1～3天,時間的長短取決于模型的體積和使用的機器。而恰恰是這些因素限制了這項技術的用途［22,28－31］。其他相關問題包括生產、消毒或手術過程中的變形及需要復雜的模板設計過程,需要有軟件支持來單獨設計導航模板,操作軟件需要較長的學習曲線［28,31］。

因此,外科醫生需要平衡使用3D打印模型和個體化導航模板的獲益和成本。目前認為,在常規手術中使用這種技術可能會浪費時間和金錢,似乎沒有優勢,而且它的使用可能僅僅局限于某些復雜或特定的脊柱情況,例如解剖位置更為復雜的上頸椎、頸胸交界區,涉及脊柱全長的嚴重脊柱畸形、位置特殊的脊柱腫瘤等。雖然越是置釘風險高的區域可能越有應用價值,但同時我們需要關注到模板貼附不好等問題,盡量發揮3D打印的優勢,克服其缺點。

4 3D打印內植入物

3D打印在脊柱外科中另一項開創性的應用是能夠制造定制的、個體化內植入物(patient-specific implant,PSI)［32－34］。 由于解剖復雜和先天畸形等特殊需求,當“量產型”內植入物不能準確地適合骨缺陷的時候,Xu等［35］報道,一名12歲男孩患有頸2椎體Ewing肉瘤,采用3D打印內植入物治療該患者,一年隨訪顯示內植入物骨整合良好,無移位或塌陷。同年,Phan等［36］報道使用3D打印C1/2內固定植入物行C1/2融合術。作為一個新產品,PSI具有更均勻的載荷分布和更好的骨整合能力,且具有更好的耐久性。但目前為止,文獻報道的病例僅限于解剖上具有挑戰性的少見病例,在這些病例中,脊柱個體化內植入物范圍從上頸椎到骶骨均有涉及［36－38］。有關PSI在脊柱外科手術中的研究文獻報道的幾個案例報告、案例分析及相關數據概述見表1。上述病例采用3D打印PSI的原因包括腫瘤切除術后缺乏合適的內植入物,退行性改變和先天性畸形特殊的解剖需求［23,38－39］。

這些定制的假體都是用鈦合金制作的,鈦合金的一個優點是可以通過孔隙度優化,在顯微結構上匹配骨小梁結構,增強生物相容性和促進骨愈合的能力,增加種植體的穩定性,同時減少諸如應力屏蔽和下沉等并發癥［35,40－41］。鈦合金另一個優點是可以通過選擇性激光燒結技術、選擇性激光熔融技術、電子束熔融技術等將內植入物打印為特定外形。Xu等［35］建立了一個前部沒有輪廓的假體,將患者吞咽困難的風險降到最低。Phan等［36］使用的PSI也有預先設計好角度和深度的螺釘孔,其目的是減低引起的神經血管并發癥的風險。另外,Wei等［40］制作了3種不同大小的假體,以滿足術中骨缺損的需要。Kim等［41］也描述了為確保解剖精度而對種植體進行的多次術前修改的過程。上述幾項措施都將時間從術中轉移到術前計劃階段,這對減少感染等并發癥有積極作用。值得一提的是,不僅如此,定制植入物還可以減少手術時間,避免在手術中進行骨采集去填補骨缺陷［35－36,38］。

3D打印PSI的缺點類似于其他3D打印產品,即需要額外的時間和成本來設計這些高度專業化的PSI［36］,而且價格昂貴。精密的軟件和生產植入物所必需的機器設備和專業的工程師支持也是該技術推廣的障礙［38］。 Wei等［40］在文章中所報道儀器故障的情況,也表明3D打印需要技術支持,另外3D打印產品需要與標準的植入物進行更直接的比較,以證明這些假體植入物的有效性。關于這些假體使用的臨床療效和安全性尚缺乏大樣本數據和長期隨訪臨床結果［36］。盡管存在這些因素,但目前少數案例報道預后良好,沒有出現嚴重的并發癥,該技術為我們帶來了一個可行的未來發展方向,特別適合特殊復雜病例的需求。除此之外,目前在脊柱外科手術中使用PSI還缺乏健全的規章制度,生產和植入這些裝置的登記和批準制度需待進一步完善。

5 3D打印支具和康復治療

3D打印可用于支具的定制和康復監測,在脊柱側彎、胸廓畸形等方面有較好的應用,傳統支具不能完全匹配患者實際情況,尤其是在復雜兒童脊柱疾病。3D打印技術可以針對不同患者的不同情況進行個性化定制支具,以此來高度貼合患者的實際病情。3D打印材料的多樣性以及工藝的多樣性也為脊柱外科醫生提供了多種選擇方案。借助3D打印定制支具可以對患者進行有效的功能鍛煉,并可以檢測術后的恢復情況,再制定下一步治療方案。在非手術患者中,3D打印支具的應用范圍也很廣,其優點包括：①材料選擇種類多樣；②能設計出各種形狀,且快速易成形；③定制支具符合人體工學特點,且輕便易攜帶；④能夠外接多種檢測設備,進行生物力學聯合分析。但是,3D打印支具的缺點也同上述幾類3D打印產品一樣,數據測量收集、軟件分析設計、成品打印制造等工作需要耗費時間,且有一定的技術含量,仍有很多改進的空間。

6 3D生物打印技術

3D生物打印是在傳統3D打印基礎上,通過軟件分層離散和數控成型的方法,定位裝配生物材料或活細胞,制造生物支架、組織器官和個性化醫療器械等生物醫學產品的3D打印技術［42］。3D生物打印的材料通常含有營養成分、基質成分和細胞的流體,又稱之為“生物墨水”。生物墨水的主要成分是生物材料和細胞,也可根據用途適當添加包含如生長因子、蛋白質在內的生物活性物質。天然生物材料因具有很好的生物相容性被應用的最廣泛,主要是有機凝膠類材料,如膠原、明膠、海藻酸鹽、透明質酸等。人工聚合物最主要的特點是具有一定的機械強度,可為打印的生物支架提供一定支持,主要有聚己內酯、聚乳酸-羥基乙酸、聚乙二醇。細胞層面,為降低免疫排斥反應,生物打印的首選細胞是自體來源細胞,包括胚胎干細胞在內的多能干細胞和誘導多能干細胞是最有前景的細胞類型,因為它們同時具有高度的定向誘導分化能力和高度的增殖能力,而且人體干細胞來源廣泛,存在于人體多種組織,如骨髓、脂肪、臍帶臍血及皮膚組織等。

3D生物打印在心血管領域、神經外科領域［43］,都有很大應用,在骨科領域,生物打印應用最多的是骨與軟骨的再生［44］。材料學方面的發展和3D打印工藝限制了3D生物打印在骨科領域以及脊柱外科的應用,原因包括：①生物材料的強度,耐磨損程度；②生物材料降解速度和骨再生速度的同步化；③骨再生相關的血管化是一個復雜的生理過程；④打印成品后的細胞活性的保持；⑤生物打印噴頭和高通量打印以及多通道同時打印是未來發展目標。針對上述問題,在骨科應用領域,研究人員在傳統金屬材料的基礎上,著力從微觀角度改變其生物特性,主要改變包括多層級打印、納米微粒制作、微孔隙率調整等［45］。最新研究［46－47］表明,將納米粒徑的金屬結合3D打印可以取得一種多孔納米金屬,相比于傳統方法制成的合金材料,其優勢在于雙連續結構,可調孔徑,高孔隙率、結構穩定性高等,另外由于其粒徑多在5納米到幾十納米之間,粒子具有良好疊加性和均勻性,使其能夠配合3D打印技術進行各種模型的設計和制作。

除了金屬材料以外,研究人員們將目光投向了種類更為多樣,設計潛能更大的高分子材料上面,主要可分為水凝膠、生物膜、生物陶瓷、生物玻璃、絲基材料、樹脂、聚合物粉末和高分子凝膠等高分子聚合物材料［48－49］,這類材料往往具有化學穩定性、可靠耐磨性、較強的塑形性、生物相容性等特性?，F有的研究不僅在于這些聚合物的制備,還包括對其化學基團的改性、表面涂層的修飾以及不同聚合物之間的組合應用,并以此來增強物理性能,降低生物毒性等［49－50］。Rosenzweig等［51］報道了使用丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)和聚乳酸(PLA)進行3D打印椎間盤支架,且實驗結果顯示髓核細胞生長良好。另外,Huang等［52］用水凝膠和絲基材料進行生物打印椎間盤,雖然該技術尚在實驗室研究階段,但是為臨床解決椎間盤退化和椎間盤再生提供了一個新的思路,期待能在未來應用到臨床。

7 結論

3D打印在脊柱外科的應用包括解剖研究和教學、術前規劃、術中導航、3D打印內植入物、脊柱外科疾病的康復治療和生物3D打印組織工程技術等。但作為一種新興技術,3D打印技術目前發展的瓶頸主要表現在以下幾方面：新材料的研究和打印工藝的限制上,包括材料合適的凝固時間、材料和細胞同時打印保持細胞活性又不污染等；3D打印模型如何模擬椎體、椎間盤、韌帶等彈性模量達到模擬真實生物力學等問題；3D打印內植入物適應癥掌握,內固定本身的孔隙率控制,骨界面長入優化和實現為臨床快速、準確和普及應用等問題?？傊?3D打印技術在脊柱外科的應用方興未艾,3D打印的應用優勢和缺點仍需進一步研究,其應用于臨床之前也需要大樣本長期觀察來評估其療效和安全性。

表1 目前報道的定制3D打印內植物列表