3D打印技術(shù)在脊柱外科中應(yīng)用現(xiàn)狀和研究進(jìn)展

鄭烜琦，王向陽，吳愛憫

(溫州醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院骨科醫(yī)院脊柱外科,浙江省脊柱外科中心,浙江省骨科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,溫州醫(yī)科大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院,浙江溫州325027)

0 引言

三維打印技術(shù)又稱“增材制造技術(shù)”,是利用以計(jì)算機(jī)生成的3D圖像數(shù)據(jù)文件或其他電子數(shù)據(jù)為來源制作3D打印對(duì)象的過程［1］。最初它被應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn),利用其逐層堆積打印實(shí)物的優(yōu)勢(shì)來打印出具有一定強(qiáng)度和性能的任何形狀的個(gè)體化新產(chǎn)品實(shí)物。后來,隨著醫(yī)學(xué)影像學(xué)和計(jì)算機(jī)輔助三維成像、設(shè)計(jì)、制造技術(shù),以及材料學(xué)的不斷發(fā)展,3D打印技術(shù)被引入到醫(yī)療行業(yè),并取得一定成果。目前,它在脊柱外科的各個(gè)方面都得到了廣泛的應(yīng)用。

1 解剖研究和教學(xué)

解剖學(xué)是醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ),熟練掌握解剖學(xué)知識(shí)是外科醫(yī)生的基本要求。然而,由于脊柱結(jié)構(gòu)復(fù)雜,且毗鄰重要血管神經(jīng),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(shù)中,熟練掌握脊柱的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)尤為重要。

以往脊柱外科解剖教學(xué)的主要方式仍然是課堂講解和尸體解剖［2－3］。傳統(tǒng)解剖學(xué)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(shí)物,經(jīng)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(fù)雜,遺體來源有限,以及可能帶來的倫理學(xué)和法律方面的問題,骨骼模型制作數(shù)量有限,顯得較為珍貴,難以滿足教學(xué)實(shí)際需要；另一種模型是模具制作的石膏模型,優(yōu)點(diǎn)是可以通過制作模具批量生產(chǎn),其缺點(diǎn)是精準(zhǔn)性較差,模具制作復(fù)雜,而且模具制作的模型較為單一,同樣不能滿足教學(xué)需求［3］。兩種模型并不能應(yīng)用于案例分析和教學(xué),基于人體解剖學(xué)、醫(yī)學(xué)影像學(xué)數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、制造的3D打印技術(shù)能夠?yàn)槲覀兲峁?zhǔn)確的模型結(jié)構(gòu)［4］。利用3D打印脊柱模型,可以研究一些內(nèi)固定方式的可行性和最佳路徑［5－6］,為臨床醫(yī)師提供參考。 3D 打印技術(shù)還可以幫助研究開發(fā)和設(shè)計(jì)一些新的脊柱內(nèi)固定手術(shù)方式［7］。 同時(shí)結(jié)合 DR、CT、MRI等影像學(xué)資料可幫助臨床教學(xué)［8］,包括分析患者的解剖結(jié)構(gòu),還原患者的受傷機(jī)制,判斷損傷的分型和分級(jí)［9］,制定治療方案和手術(shù)策略。不僅如此,解剖研究中使用3D打印脊柱模型的優(yōu)點(diǎn)還包括以下幾點(diǎn)：準(zhǔn)確的脊柱形態(tài)測(cè)量；可接受的價(jià)格；可以利用醫(yī)院圖像存檔和通信系統(tǒng)提供的CT或MRI數(shù)據(jù)；從同一患者的CT或MRI數(shù)據(jù)中建立度量模型可得到一致的形態(tài)學(xué)；避免使用尸體標(biāo)本的倫理問題；克服低尸體捐贈(zèng)率國(guó)家尸體標(biāo)本供應(yīng)有限的問題；沒有尸體標(biāo)本的氣味；不需要特殊的存放條件和衛(wèi)生防護(hù)措施等［10］。

另外,在學(xué)習(xí)手術(shù)技術(shù)方面,以往只能對(duì)著解剖圖譜或者標(biāo)本以及手術(shù)視頻進(jìn)行手術(shù)技術(shù)教學(xué),然后在尸體標(biāo)本上讓青年醫(yī)師進(jìn)行模擬手術(shù)［3,11］。而現(xiàn)在,我們能夠通過在高精度標(biāo)準(zhǔn)化的3D打印模型上進(jìn)行操作培訓(xùn),以期減少訓(xùn)練時(shí)間,縮短學(xué)習(xí)曲線,使青年醫(yī)師實(shí)施關(guān)鍵手術(shù)技能,盡早掌握相關(guān)手術(shù)技巧［12］。但是目前很多模型缺乏準(zhǔn)確的神經(jīng)血管等毗鄰結(jié)構(gòu),使模型的應(yīng)用有著很大的局限性。

2 術(shù)前手術(shù)規(guī)劃和醫(yī)患溝通

脊柱解剖復(fù)雜,尤其當(dāng)疾病位于上頸椎、頸胸交界區(qū)、脊柱側(cè)凸/畸形、脊柱腫瘤等情況時(shí),了解病例相關(guān)病理?xiàng)l件下的解剖結(jié)構(gòu)尤為重要。傳統(tǒng)上,對(duì)脊柱病理學(xué)條件的理解是以影像學(xué)為基礎(chǔ)的,但是3D打印技術(shù)能夠讓病理?xiàng)l件下的解剖結(jié)構(gòu)更加精確、直觀、立體地呈現(xiàn),并且可以以此制定詳細(xì)的個(gè)性化手術(shù)方案,同時(shí)3D打印的模型可以為術(shù)者提供一致精度的可復(fù)制的病理模型以供術(shù)者進(jìn)行手術(shù)方案的改進(jìn)和訓(xùn)練,以此來提高手術(shù)的精準(zhǔn)度和安全性。同時(shí),在同行討論和醫(yī)患溝通時(shí),能夠更容易地為對(duì)方所接受,最大限度地減少分歧和失誤。黃式環(huán)等［13］報(bào)道將3D打印技術(shù)應(yīng)用在脊柱手術(shù)患者的個(gè)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(shù)后功能鍛煉的積極性,取得較好的健康教育成果。運(yùn)用3D打印模型進(jìn)行術(shù)前計(jì)劃的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在脊柱手術(shù)的準(zhǔn)確性上。Wu等［14］將62例患者分為傳統(tǒng)術(shù)中透視技術(shù)組(28例)和3D打印模型手術(shù)計(jì)劃組(34例)。研究發(fā)現(xiàn)手術(shù)計(jì)劃組的3D打印模型中螺釘?shù)姆胖酶鼫?zhǔn)確。傳統(tǒng)的術(shù)中透視技術(shù)組胸椎和腰椎螺釘?shù)亩ㄎ粶?zhǔn)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(shù)時(shí)間較短,脊柱側(cè)凸矯正率較高。Guarino等［15］對(duì)外科醫(yī)生使用3D打印模型輔助小兒脊柱和盆腔手術(shù)進(jìn)行了一項(xiàng)前瞻性觀察研究,研究發(fā)現(xiàn)3D打印的模型在術(shù)前計(jì)劃和縮短手術(shù)時(shí)間等方面有顯著的益處。三維打印模型用于術(shù)前手術(shù)規(guī)劃也已應(yīng)用于類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎所致的寰樞椎脫位、椎動(dòng)脈高跨畸形和不可復(fù)性寰樞椎脫位,嚴(yán)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(shù)計(jì)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(zhǔn)確性,并減少了螺釘錯(cuò)位及并發(fā)癥的發(fā)生率,同時(shí)也減少了手術(shù)時(shí)間、術(shù)中出血和輻射暴露的時(shí)間［17］。3D打印模型在術(shù)前規(guī)劃中的成功應(yīng)用歸因于對(duì)病理解剖結(jié)構(gòu)的真實(shí)呈現(xiàn),從而使得主刀醫(yī)生對(duì)患者手術(shù)區(qū)域解剖結(jié)構(gòu)得以更充分地了解,并且能夠以此來指定個(gè)性化的手術(shù)方案,具體包括螺釘?shù)倪x擇、釘?shù)赖拇_定、置釘深度的把握、骨切除和骨重建方案的制定等手術(shù)細(xì)節(jié)。Sugimoto等［18］認(rèn)為3D打印帶來的益處隨著病理解剖的復(fù)雜性而增加,也跟外科醫(yī)生對(duì)解剖的熟練程度有關(guān),外科醫(yī)生完全可以通過3D打印直視條件下了解患者的解剖結(jié)構(gòu),從而大大提高外科醫(yī)生對(duì)復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)的認(rèn)知能力。但是,3D打印模型僅形態(tài)學(xué)相近［19］,沒有椎間盤和韌帶等,無法模擬真實(shí)的力學(xué)特性,因此還不能滿足現(xiàn)今的脊柱生物力學(xué)研究。

3 術(shù)中輔助導(dǎo)航

有些特殊脊柱區(qū)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(fù)雜多變,手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)高。需要根據(jù)特定患者的影像學(xué)資料進(jìn)行術(shù)中導(dǎo)航和評(píng)估,以減輕手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)［2,20］。例如,椎弓根螺釘是脊柱手術(shù)中常用的一種固定技術(shù),其準(zhǔn)確置入可以降低螺釘誤置等并發(fā)癥。但椎弓根形態(tài)細(xì)長(zhǎng)、粗細(xì)不一,基于表面解剖標(biāo)志進(jìn)行人工置釘?shù)膫鹘y(tǒng)技術(shù),在很大程度上取決于外科醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn),因此有很高的破壞椎弓根的風(fēng)險(xiǎn),有可能造成潛在致命的神經(jīng)血管損傷等問題［12］。以往術(shù)中常采用C臂來進(jìn)行定位導(dǎo)航,對(duì)于復(fù)雜畸形、上胸椎、頸椎椎弓根螺釘有時(shí)采用導(dǎo)航系統(tǒng)提高準(zhǔn)確度。但導(dǎo)航系統(tǒng)輻射大,定位過程繁瑣,同時(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)費(fèi)用昂貴。為了克服這些缺點(diǎn),研究者們?cè)O(shè)計(jì)了3D打印導(dǎo)航模板,提高術(shù)中置釘?shù)臏?zhǔn)確性,減少脊柱術(shù)中螺釘誤置率及其引起的并發(fā)癥。Lu等［23］設(shè)計(jì)了一種不同患者個(gè)性化定制的導(dǎo)航模板和導(dǎo)向管引導(dǎo)頸椎弓根螺釘置入,即導(dǎo)航模板上有一個(gè)面和椎體后方骨性結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行良好的面對(duì)面配合,從而準(zhǔn)確地引導(dǎo)螺釘軌跡。他們將該導(dǎo)板用于25例患者的88枚螺釘置入手術(shù)中,發(fā)現(xiàn)71枚螺釘無偏差,14枚螺釘偏差＜2 mm；3枚螺釘出現(xiàn)偏差在2～4 mm之間；螺釘均未出現(xiàn)偏差＞4 mm。這項(xiàng)技術(shù)也可用于脊柱的其他區(qū)域和復(fù)雜脊柱解剖情況［24］。與基于CT的計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航系統(tǒng)相比,3D打印個(gè)體化導(dǎo)航模板是一種廉價(jià)、準(zhǔn)確的指導(dǎo)置釘?shù)姆椒?且不受患者術(shù)中體位變化的影響。

值得一提的是,將3D打印導(dǎo)航模板運(yùn)用到脊柱側(cè)彎患者的個(gè)性化矯形手術(shù)治療,不僅能大大提高置釘準(zhǔn)確率［25］,而且,相比于傳統(tǒng)C臂或CT計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航,3D打印手術(shù)導(dǎo)航模板能大幅度減少手術(shù)時(shí)間,減少手術(shù)過程中的輻射量。Rong等［26］利用3D打印指導(dǎo)脊髓型頸椎病后路開門椎管成形術(shù),可以準(zhǔn)確控制椎板磨除位置和深度,有潛在的防止醫(yī)源性脊髓或神經(jīng)根損傷的作用。Lin等［27］報(bào)道采用定制的截骨工具指導(dǎo)切除巨大的骶骨神經(jīng)鞘瘤,該技術(shù)可以在術(shù)中更精確地切緣定位,達(dá)到完全手術(shù)切除病灶的目的,并且2年隨訪時(shí)無并發(fā)癥。

3D打印導(dǎo)航模板應(yīng)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(huì)增加手術(shù)時(shí)間和術(shù)中出血量［22,28－30］。為了保證良好的骨接觸吻合度的同時(shí),盡可能減少手術(shù)時(shí)間和軟組織剝離的程度。Takemoto等［29］使用鈦模板,發(fā)明了一種只有7個(gè)小型圓形接觸點(diǎn)的3D打印導(dǎo)航模板,但是這款鈦模板的價(jià)格是聚合物基的導(dǎo)航模板的5倍。雖然與其他技術(shù)相比,總的來說成本一般是可接受的,近年來,用于外科計(jì)劃的3D打印材料的價(jià)格大幅下降,但設(shè)計(jì)和制造過程所需的時(shí)間往往被忽略了,3D打印的模型和患者專用的導(dǎo)航模板是耗時(shí)的,它們的準(zhǔn)備可能需要1～3天,時(shí)間的長(zhǎng)短取決于模型的體積和使用的機(jī)器。而恰恰是這些因素限制了這項(xiàng)技術(shù)的用途［22,28－31］。其他相關(guān)問題包括生產(chǎn)、消毒或手術(shù)過程中的變形及需要復(fù)雜的模板設(shè)計(jì)過程,需要有軟件支持來單獨(dú)設(shè)計(jì)導(dǎo)航模板,操作軟件需要較長(zhǎng)的學(xué)習(xí)曲線［28,31］。

因此,外科醫(yī)生需要平衡使用3D打印模型和個(gè)體化導(dǎo)航模板的獲益和成本。目前認(rèn)為,在常規(guī)手術(shù)中使用這種技術(shù)可能會(huì)浪費(fèi)時(shí)間和金錢,似乎沒有優(yōu)勢(shì),而且它的使用可能僅僅局限于某些復(fù)雜或特定的脊柱情況,例如解剖位置更為復(fù)雜的上頸椎、頸胸交界區(qū),涉及脊柱全長(zhǎng)的嚴(yán)重脊柱畸形、位置特殊的脊柱腫瘤等。雖然越是置釘風(fēng)險(xiǎn)高的區(qū)域可能越有應(yīng)用價(jià)值,但同時(shí)我們需要關(guān)注到模板貼附不好等問題,盡量發(fā)揮3D打印的優(yōu)勢(shì),克服其缺點(diǎn)。

4 3D打印內(nèi)植入物

3D打印在脊柱外科中另一項(xiàng)開創(chuàng)性的應(yīng)用是能夠制造定制的、個(gè)體化內(nèi)植入物(patient-specific implant,PSI)［32－34］。 由于解剖復(fù)雜和先天畸形等特殊需求,當(dāng)“量產(chǎn)型”內(nèi)植入物不能準(zhǔn)確地適合骨缺陷的時(shí)候,Xu等［35］報(bào)道,一名12歲男孩患有頸2椎體Ewing肉瘤,采用3D打印內(nèi)植入物治療該患者,一年隨訪顯示內(nèi)植入物骨整合良好,無移位或塌陷。同年,Phan等［36］報(bào)道使用3D打印C1/2內(nèi)固定植入物行C1/2融合術(shù)。作為一個(gè)新產(chǎn)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(xiàn)報(bào)道的病例僅限于解剖上具有挑戰(zhàn)性的少見病例,在這些病例中,脊柱個(gè)體化內(nèi)植入物范圍從上頸椎到骶骨均有涉及［36－38］。有關(guān)PSI在脊柱外科手術(shù)中的研究文獻(xiàn)報(bào)道的幾個(gè)案例報(bào)告、案例分析及相關(guān)數(shù)據(jù)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(shù)后缺乏合適的內(nèi)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(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以通過孔隙度優(yōu)化,在顯微結(jié)構(gòu)上匹配骨小梁結(jié)構(gòu),增強(qiáng)生物相容性和促進(jìn)骨愈合的能力,增加種植體的穩(wěn)定性,同時(shí)減少諸如應(yīng)力屏蔽和下沉等并發(fā)癥［35,40－41］。鈦合金另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以通過選擇性激光燒結(jié)技術(shù)、選擇性激光熔融技術(shù)、電子束熔融技術(shù)等將內(nèi)植入物打印為特定外形。Xu等［35］建立了一個(gè)前部沒有輪廓的假體,將患者吞咽困難的風(fēng)險(xiǎn)降到最低。Phan等［36］使用的PSI也有預(yù)先設(shè)計(jì)好角度和深度的螺釘孔,其目的是減低引起的神經(jīng)血管并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)。另外,Wei等［40］制作了3種不同大小的假體,以滿足術(shù)中骨缺損的需要。Kim等［41］也描述了為確保解剖精度而對(duì)種植體進(jìn)行的多次術(shù)前修改的過程。上述幾項(xiàng)措施都將時(shí)間從術(shù)中轉(zhuǎn)移到術(shù)前計(jì)劃階段,這對(duì)減少感染等并發(fā)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(shù)時(shí)間,避免在手術(shù)中進(jìn)行骨采集去填補(bǔ)骨缺陷［35－36,38］。

3D打印PSI的缺點(diǎn)類似于其他3D打印產(chǎn)品,即需要額外的時(shí)間和成本來設(shè)計(jì)這些高度專業(yè)化的PSI［36］,而且價(jià)格昂貴。精密的軟件和生產(chǎn)植入物所必需的機(jī)器設(shè)備和專業(yè)的工程師支持也是該技術(shù)推廣的障礙［38］。 Wei等［40］在文章中所報(bào)道儀器故障的情況,也表明3D打印需要技術(shù)支持,另外3D打印產(chǎn)品需要與標(biāo)準(zhǔn)的植入物進(jìn)行更直接的比較,以證明這些假體植入物的有效性。關(guān)于這些假體使用的臨床療效和安全性尚缺乏大樣本數(shù)據(jù)和長(zhǎng)期隨訪臨床結(jié)果［36］。盡管存在這些因素,但目前少數(shù)案例報(bào)道預(yù)后良好,沒有出現(xiàn)嚴(yán)重的并發(fā)癥,該技術(shù)為我們帶來了一個(gè)可行的未來發(fā)展方向,特別適合特殊復(fù)雜病例的需求。除此之外,目前在脊柱外科手術(shù)中使用PSI還缺乏健全的規(guī)章制度,生產(chǎn)和植入這些裝置的登記和批準(zhǔn)制度需待進(jìn)一步完善。

5 3D打印支具和康復(fù)治療

3D打印可用于支具的定制和康復(fù)監(jiān)測(cè),在脊柱側(cè)彎、胸廓畸形等方面有較好的應(yīng)用,傳統(tǒng)支具不能完全匹配患者實(shí)際情況,尤其是在復(fù)雜兒童脊柱疾病。3D打印技術(shù)可以針對(duì)不同患者的不同情況進(jìn)行個(gè)性化定制支具,以此來高度貼合患者的實(shí)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(yī)生提供了多種選擇方案。借助3D打印定制支具可以對(duì)患者進(jìn)行有效的功能鍛煉,并可以檢測(cè)術(shù)后的恢復(fù)情況,再制定下一步治療方案。在非手術(shù)患者中,3D打印支具的應(yīng)用范圍也很廣,其優(yōu)點(diǎn)包括：①材料選擇種類多樣；②能設(shè)計(jì)出各種形狀,且快速易成形；③定制支具符合人體工學(xué)特點(diǎn),且輕便易攜帶；④能夠外接多種檢測(cè)設(shè)備,進(jìn)行生物力學(xué)聯(lián)合分析。但是,3D打印支具的缺點(diǎn)也同上述幾類3D打印產(chǎn)品一樣,數(shù)據(jù)測(cè)量收集、軟件分析設(shè)計(jì)、成品打印制造等工作需要耗費(fèi)時(shí)間,且有一定的技術(shù)含量,仍有很多改進(jìn)的空間。

6 3D生物打印技術(shù)

3D生物打印是在傳統(tǒng)3D打印基礎(chǔ)上,通過軟件分層離散和數(shù)控成型的方法,定位裝配生物材料或活細(xì)胞,制造生物支架、組織器官和個(gè)性化醫(yī)療器械等生物醫(yī)學(xué)產(chǎn)品的3D打印技術(shù)［42］。3D生物打印的材料通常含有營(yíng)養(yǎng)成分、基質(zhì)成分和細(xì)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(xì)胞,也可根據(jù)用途適當(dāng)添加包含如生長(zhǎng)因子、蛋白質(zhì)在內(nèi)的生物活性物質(zhì)。天然生物材料因具有很好的生物相容性被應(yīng)用的最廣泛,主要是有機(jī)凝膠類材料,如膠原、明膠、海藻酸鹽、透明質(zhì)酸等。人工聚合物最主要的特點(diǎn)是具有一定的機(jī)械強(qiáng)度,可為打印的生物支架提供一定支持,主要有聚己內(nèi)酯、聚乳酸-羥基乙酸、聚乙二醇。細(xì)胞層面,為降低免疫排斥反應(yīng),生物打印的首選細(xì)胞是自體來源細(xì)胞,包括胚胎干細(xì)胞在內(nèi)的多能干細(xì)胞和誘導(dǎo)多能干細(xì)胞是最有前景的細(xì)胞類型,因?yàn)樗鼈兺瑫r(shí)具有高度的定向誘導(dǎo)分化能力和高度的增殖能力,而且人體干細(xì)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(lǐng)域、神經(jīng)外科領(lǐng)域［43］,都有很大應(yīng)用,在骨科領(lǐng)域,生物打印應(yīng)用最多的是骨與軟骨的再生［44］。材料學(xué)方面的發(fā)展和3D打印工藝限制了3D生物打印在骨科領(lǐng)域以及脊柱外科的應(yīng)用,原因包括：①生物材料的強(qiáng)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(guān)的血管化是一個(gè)復(fù)雜的生理過程；④打印成品后的細(xì)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(shí)打印是未來發(fā)展目標(biāo)。針對(duì)上述問題,在骨科應(yīng)用領(lǐng)域,研究人員在傳統(tǒng)金屬材料的基礎(chǔ)上,著力從微觀角度改變其生物特性,主要改變包括多層級(jí)打印、納米微粒制作、微孔隙率調(diào)整等［45］。最新研究［46－47］表明,將納米粒徑的金屬結(jié)合3D打印可以取得一種多孔納米金屬,相比于傳統(tǒng)方法制成的合金材料,其優(yōu)勢(shì)在于雙連續(xù)結(jié)構(gòu),可調(diào)孔徑,高孔隙率、結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(shù)進(jìn)行各種模型的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(xué)穩(wěn)定性、可靠耐磨性、較強(qiáng)的塑形性、生物相容性等特性。現(xiàn)有的研究不僅在于這些聚合物的制備,還包括對(duì)其化學(xué)基團(tuán)的改性、表面涂層的修飾以及不同聚合物之間的組合應(yīng)用,并以此來增強(qiáng)物理性能,降低生物毒性等［49－50］。Rosenzweig等［51］報(bào)道了使用丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)和聚乳酸(PLA)進(jìn)行3D打印椎間盤支架,且實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示髓核細(xì)胞生長(zhǎng)良好。另外,Huang等［52］用水凝膠和絲基材料進(jìn)行生物打印椎間盤,雖然該技術(shù)尚在實(shí)驗(yàn)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(gè)新的思路,期待能在未來應(yīng)用到臨床。

7 結(jié)論

3D打印在脊柱外科的應(yīng)用包括解剖研究和教學(xué)、術(shù)前規(guī)劃、術(shù)中導(dǎo)航、3D打印內(nèi)植入物、脊柱外科疾病的康復(fù)治療和生物3D打印組織工程技術(shù)等。但作為一種新興技術(shù),3D打印技術(shù)目前發(fā)展的瓶頸主要表現(xiàn)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(shí)間、材料和細(xì)胞同時(shí)打印保持細(xì)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(dá)到模擬真實(shí)生物力學(xué)等問題；3D打印內(nèi)植入物適應(yīng)癥掌握,內(nèi)固定本身的孔隙率控制,骨界面長(zhǎng)入優(yōu)化和實(shí)現(xiàn)為臨床快速、準(zhǔn)確和普及應(yīng)用等問題?？傊?3D打印技術(shù)在脊柱外科的應(yīng)用方興未艾,3D打印的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)仍需進(jìn)一步研究,其應(yīng)用于臨床之前也需要大樣本長(zhǎng)期觀察來評(píng)估其療效和安全性。

表1 目前報(bào)道的定制3D打印內(nèi)植物列表