基于三維打印技術制作鈦合金修復體修補兔顱骨缺損的研究

王蕾，張毅，嚴紅燕，王學建，堵俊

(1.南通大學第二附屬醫院，a 急診中心，b 神經外科，江蘇 南通 226001;2.南通大學電氣工程學院，江蘇 南通 226019)

顱骨成形術是對較大顱骨損傷進行骨性修補的一種常見神經外科手術。目前的顱骨缺損修復手術中，修補材料有時需進行反復修剪，手工塑形時間長，尤其在修復巨大及復雜部位缺損時問題暴露諸多且較為棘手[1]。三維(3D)打印技術可根據計算機三維成像利用3D材料直接打印產品。本研究通過建立動物顱骨缺損模型，3D打印技術輔助鈦網進行修補，對相關結果統計分析進行初步研究。

1 資料與方法

1.1試驗動物研究時間為2016年12月至2017年10月。選用健康新西蘭兔12只，3～4月齡，健康雄性，體質量(2.5±0.5) kg，由南通大學醫學院動物實驗中心提供[合格證號SYXK(蘇):2017-0046，許可證號SCXK(蘇):2008-0010]。實驗動物飼養于單獨的籠內飼養7 d，并可在籠內自由走動，鈦修復體的化學成分符合中國國家對于手術植入修復材料的標準(GB/T13810-2007)。本實驗符合倫理學原則。

1.2實驗方法

1.2.1造模方法 新西蘭兔固定儀上制動[2]。10%水合氯醛(1 mL·kg-1)經耳緣靜脈麻醉，逐漸追加麻醉劑量，麻醉滿意后備皮暴露術處，美蘭標記顱骨正中矢狀線及冠狀縫，經正中線頭皮切開，顯露顱骨冠狀縫，電鉆直徑約1.5 mm于冠狀縫后0.5 cm處鉆孔，咬骨鉗咬開約2.0 cm×1.5 cm大小的骨性缺損，向前下延伸至眶緣，此骨窗的范圍包括部分頂骨、額骨及上眶骨，手術過程中避免破壞矢狀竇，保證硬腦膜完整性。造模型完成后再次分籠單獨飼養，并常規術后7 d內給予青霉素(華北制藥，批號：H13020656)20 IU·kg-1，每天2次肌注預防切口感染，并注意觀察傷口定期換藥，7 d后切口拆線。

1.2.2修補手術方法 所有新西蘭兔顱骨缺損術后2周行頭部CT掃描獲取數據進行制作修復體，再行顱骨鈦網修補術。沿造模手術切痕分離新西蘭兔頭皮及皮下組織，暴露完整骨性缺損及其邊緣，取鈦網剪裁超出骨性缺損邊緣1～2 mm后置入，用鈦釘在顱骨骨緣周圍固定，逐層縫合頭皮并加壓包扎顱骨。術后7 d內每天2次肌注常規青霉素20 IU·kg-1，避免創口感染，7 d后拆線觀察。

1.2.33D打印輔助鈦網的制作 進行修補術前12只新西蘭兔頭顱全部進行64排螺旋CT薄層無間距掃描，結合掃描獲得的顱骨重建所得圖像以DICOM格式進行保存，并通過Mimics15.0軟件轉換設計三維顱骨立體模型，利用MakerWare軟件轉換為STL格式保存，傳遞給3D Makerbot Replicator 2.0打印機，通過加熱生物降解塑料聚乳酸細絲溶解后噴出熔融沉積快速構造成型。我們利用制造出的1∶1精準頭顱缺損和鈦合金修復體的三維立體解剖模型，將鈦合金補件修復安裝在缺損處，觀察修復體與所造模型的匹配契合程度。

1.2.4主要觀察指標 新西蘭兔顱骨愈合情況、術后并發癥(出血、感染、腦脊液外漏、修復體排出)、外形評估、術后復查情況。

2 結果

12只新西蘭兔進行顱骨缺損均造模成功，進行二次手術鈦合金修復體植入后平穩，未觀察到顱內感染、頭皮潰爛、鈦合金外露、排出及移位等不良現象。術后顱骨外形與健側相比更美觀、功能修復滿意，并邀請三位同行醫師評估修復滿意度，以100%為滿意，取平均值，滿意率為98.78%。另外修補邊緣結構未見壓迫，明顯變性、增生及壞死。術后復查顱骨平片和三維螺旋CT顯示修復體和缺損處契合良好，骨面修復邊緣曲度過渡自然(圖1)。

3 討論

現代顱骨成形手術常見修補材料包括硅橡膠、骨水泥、自體骨瓣、鈦網、聚醚醚酮等，它們均有各自不同的特點及利弊，材料的選擇對于顱骨修補手術的成敗及預后均有影響。其中鈦合金具有良好的組織生物相容性、高強度的堅韌性，較低的感染率，術后有利于后期肉芽組織貫穿生長固定[3]，且不影響CT、磁共振及腦電圖掃描檢查，干擾因素較小[4]，已成為目前臨床運用較為廣泛的顱骨修復材料。

3D打印技術又稱快速成型技術或增材制造技術，利用相關計算機軟件進行逐層掃描圖像轉化數據儲存進行立體形態塑造后通過可黏合性材料如粉末、液態塑料或金屬等，用3D打印機掃描并1∶1精準打印構造模型的一種新興技術[5-7]。目前3D打印技術廣泛運用于醫學研究及臨床方面，尤其在外科手術領域運用較為活躍，主要包括口腔頜面外科、整形科、神經外科、骨科、肝膽腹腔科等[8]，可幫助術者從術前規劃設計到手術操作過程立體構造重建，亦有利于醫患充分溝通。

顱頜面骨解剖結構較為復雜，布滿各種竇腔，包括諸多不規則的骨性突起以及神經、血管進出于骨的各種出入口，復制在動物模型中亦如此，尤其對于顴突、眼眶上緣等骨性平面不規則、曲度變化大的部位，在缺損形成后無法準確進行形態塑形及鈦網剪裁，需進行多次調整及塑形。與健側相比，鈦網修補容易出現外形差異大、鈦網翹邊、皮下積液等并發癥，嚴重時鈦網可外露并造成周圍軟組織創傷[9-10]。我們研究認為，基于CT數據，3D重建通過快速成型技術預制個體化顱骨缺損修復較傳統顱骨缺損修補的優點是顯而易見的。根據術前骨性缺損的定位、面積、形狀制定個體化修補方案可使術中修復體與骨性缺損區域尤其是骨緣達到完美的契合，且術中避免反復塑剪，直接將修復體植入拼接并固定即可，對不同面積尤其復雜解剖部位骨性缺損均能適用。術后功能恢復良好，外觀修復滿意較對側對稱，能達到1∶1精確修復骨性頜面形態，較大程度恢復解剖構造，大大縮短了手術時間，降低麻醉風險。同時在術前對手術效果預見，能大幅度減少手術操作風險和相關并發癥[11]。

綜上所述，我們使用3D打印新西蘭兔顱骨并進行預制骨性缺損的修復，修復體既保留了普通二維鈦網的優良特性外，又利用計算機輔助技術高度還原了顱骨正常三維解剖結構及容積，在術中能直接銜接不規則骨窗邊緣，較少鈦釘即可牢靠固定，操作阻力小，后期塑形較滿意，麻醉時間顯著縮短，更加利于術后恢復。3D打印技術的快速性、精準性特點，特別是對于復雜解剖形態的等比例模擬特性使其具有獨特的運用前景，值得臨床推廣應用。