3D打印技術在骨腫瘤手術治療中的應用

安超，王優麗，張成

淄博市第七人民醫院 a. 骨科；b. 藥學部，山東 淄博 255000

引言

3D打印，又稱為添加制造或快速成型技術，是一種以數字模型文件為基礎，利用黏合材料，通過逐層打印的方式來創建實體的技術。在臨床上當對骨腫瘤進行手術切除時，切除面積不足會導致腫瘤復發；切除面積過大會對患者造成很大創傷，甚至會影響機體的功能。此外，對于骨科醫生來說如何填充骨腫瘤切除后的巨大骨缺損是相當棘手的問題。3D打印技術應用于骨腫瘤的手術治療，為臨床醫生提供了一種新思路，轉變了對傳統骨腫瘤治療的概念，彌補了傳統手術方法中的許多不足，在提高手術質量的同時，能夠實現精準的個性化治療。

1 3D打印技術的研究進展

3D打印技術最早出現在20世紀80年代[1]。3D打印技術最早應用于足踝外科是在1997年對跟骨關節內骨折進行了評估[2]。其后，應用3D打印技術打印出人造肝臟組織，標志著3D打印技術首次進入醫學領域[3-4]。制作內植物或假體對3D打印技術工藝或材料要求較高，所以出現較晚，而早期主要用于制作不規則骨的個性化假體[5]。從最初的3D打印模型到應用于臨床手術操作的各類3D打印導板、3D打印假體，現如今該技術在骨科中的應用越來越廣泛。

2 3D打印技術在骨腫瘤手術治療中的應用進展

2.1 3D打印新型模型在骨腫瘤手術治療中的應用

3D打印解剖模型可以用于明確骨腫瘤的邊界及周圍復雜解剖結構的空間關系，能夠用于術前規劃設計和模擬手術的過程。在骨科中最常見的3D打印模型是由一種材料打印的純骨骼模型。在Kazuyuki等[6]的研究中提出了一種新型3D打印模型，創建了由下頜骨（白色ZP151粉末）、腫瘤（RTV硅膠）和下牙槽神經組成的混合3D打印模型。這個模型能夠更好地幫助他們了解腫瘤與周圍骨骼和下牙槽神經之間的位置關系。將3D打印模型技術應用于骨腫瘤的切除，該患者術后病理提示腫瘤切除干凈徹底，腫瘤切除范圍及假體放置位置最大誤差不超過4 mm[7]?？捉鸷５萚8]在術前模型中將腫瘤周圍的大動脈、靜脈和神經或者神經根分別用紅、藍、黃三色進行標注，打印出其精確的解剖位置，術中有效輔助并完整地沿邊界切除了骶骨脊索瘤。

當骨腫瘤周圍解剖的結構比較復雜時，例如骨盆、脊柱等部位的骨腫瘤，再加上患者個體化的差異，增加了完整切除腫瘤的操作難度，在實施手術時不僅要明確骨腫瘤的邊界，還要避免對周圍重要解剖結構的損傷，減少術后并發癥的發生率。新型3D打印解剖模型能夠真實反映出骨腫瘤的大小、邊界以及周圍重要神經、血管的分布情況，有利于術前制定更加詳盡的手術規劃。對于復雜的病例，可通過在模型上預演實施手術對不同手術方案的優劣進行比較，針對術中可能出現的問題進行術式調整并且可以預測手術術后效果[9]。將3D打印新型模型用于手術輔助治療可以更快地完成手術操作。

2.2 3D打印導板在骨腫瘤手術治療中的應用

對于骨腫瘤來說，腫瘤切除范圍過大或過小都對會患者機體造成嚴重的損傷，如何準確切除骨腫瘤對于臨床醫師來說是一個巨大的考驗。在Sallent等[10]的報道中指出腫瘤病灶內切除的復發率高達92%，切除邊緣無腫瘤細胞時復發率在5%～17%之間。3D打印導板技術作為一種臨床應用的新技術，與傳統術式相比，具有其獨特的優越性。它可以根據患者自身的實際情況設計出復雜形狀和大小的導板，術中可以不借助導航實施快速精準地截骨。

骨樣骨瘤中只有2%～10%的病例發生在足部，很少超過1.5 cm，因此難以定位。此外，切除不足常常導致復發。在Ren等[11]的研究中提到他們利用3D打印導板完整地切除了跟骨骨樣骨瘤，在2年隨訪中，患者未出現癥狀，骨樣骨瘤未見復發。在施鳳偉等[12]的研究中成功地在3D打印髖臼導板輔助下切除了骨盆腫瘤，術后隨訪效果良好。付軍等[13]對4種導板制作加工時間進行了對比，發現選擇性激光燒結導板制作加工時間明顯長于熔融沉積成型、光固化立體成型以及印刷工藝。并非所有的骨腫瘤手術都能進行導板的設計，導板在手術中的應用需要有個定位點，所有長骨中段的手術一般不適用于導板治療。Limin等[14]指出將3D打印導板應用于骨肉瘤的切除手術，可減少術中失血量，隨訪研究表明，患者恢復良好，平均骨骼肌肉腫瘤術后評分達到27.125。

在實際手術操作時，要考慮到附著在骨骼上的軟組織的問題，一般情況下設計的導板是緊貼骨骼設計的，所以術中要仔細干凈地剝離骨骼表面的軟組織，這樣可以提高截骨的精確性和準確度。在脛骨遠端、尺骨近端等特殊解剖位置，因軟組織不容易發生形變，也可以設計貼附于皮膚的導板[15]。導板的不同材料也決定了其設計方案，使用ABS樹脂及石膏時，厚度不應小于5 mm，光敏樹脂不應小于3 mm，一般采用4 mm，金屬材料應更薄[13,15]。導板的導孔設計也有一定技巧，非金屬導孔一般設計成孔狀引導克氏針，金屬導孔一般設計成槽狀，直接擺鋸進行截骨處理。

3D打印導板可以實現術中精準定位，保證精確截骨，臨床療效也已經得到驗證，相比傳統手術方式，它可以縮短手術時間、減少術中射線放射次數、減少出血量并且能夠有效控制并發癥的發生率，減少學習的曲線。

2.3 3D打印假體及內植入物在骨腫瘤手術治療中的應用

骨腫瘤切除后會造成局部骨質的缺損，不僅會造成外形不美觀也會造成功能受限，目前對于骨缺損的重建方法有許多，包括異體骨植骨、自體骨移植、假體修復等，最佳治療方式還存在爭議。假體重建具有能夠實現早期活動、外形美觀、長期穩定性好、術后功能恢復好等優點。3D打印技術假體有助于改善解剖結構的恢復，3D打印假體個性化的設計符合“量體裁衣”標準。

Wang等[16]研究顯示使用個性化3D打印半骨盆假體重建髖臼惡性骨腫瘤切除后骨缺損可實現良好的功能效果并且無嚴重并發癥發生。Liang等[17]在報道中提出使用3D打印骨盆假體重建骨盆腫瘤切除后骨缺損是安全可靠的，沒有額外的并發癥出現，短期功能結果良好。Ralph等[18]將3D打印設計植入物用于復雜脊柱外科手術，一例是患者進行C-1/C-2脊索瘤的腫瘤切除后用3D打印假體對椎體進行重建，另一個患者使用3D打印的個性化融合器來治療先天性脊柱畸形。Choy等[19]應用個性化3D打印椎體成功重建了青少年T9原發性骨腫瘤切除術后的骨缺損。付軍等[20]應用鈦合金3D打印假體復合帶血管帶腓骨及生物陶瓷的方式修復下肢瘤段切除后的長節段骨缺損，短期隨訪結果顯示該方法穩定性可靠，安全性高，可獲得良好的下肢功能。胡巍然等[21]的研究指出鈦合金骨組織工程多空支架表面和孔內在體外有大量成骨細胞存在。

3D打印假體可能會成為由感染、腫瘤或創傷引起的骨缺損重建的主流[22]。3D打印假體及內植入物可以很容易地放置于骨質缺損處，這有助于手術操作和縮短手術時間，當用自體骨進行移植修復重建時，不管取腓骨、肋骨還是髂骨都需要對摘取的骨骼進行精細加工以便更加符合骨缺損的外形及大小，實現完美匹配。植入物的表面也可以涂有不同的材料，如羥基磷灰石等，以進一步促進假體與骨骼之間的連接。3D打印技術可以在假體表面制造多孔支架，多孔支架能夠允許宿主骨在其內部進行生長。

2.4 3D生物打印在骨腫瘤手術治療中的應用

3D生物打印技術作為一種前言技術，目前還處于研究階段，其應用前景值得期待。例如，研究脂肪來源的干細胞復合3D打印的水凝膠支架在體內的成骨性能，結果顯示在體內試驗8周可觀察到類骨質形成[23]。張明等[24]設計的基于3D打印技術的新型生物活性復合鎂骨修復支架，通過聚乳酸-乙醇酸共聚物（PLGA）/β-磷酸三鈣（β-TCP）／鎂（Mg）多孔支架的多參數制備技術研究，提高多孔支架的促成骨活性，以利于植入部位的骨再生及功能重建。Ma等[25]利用貽貝仿生納米結構生物材料的3D打印及其在腫瘤治療和組織再生中的應用，打印了一個物陶瓷支架并且在其表面涂上鈣磷/多聚多巴胺納米層，并利用多聚多巴胺的生物相容性、生物可降解性和優良的光熱效應，有效地誘導了腫瘤細胞在體外被殺死，發現3D打印生物陶瓷中的貽貝仿生納米結構兼具了治療癌癥和骨再生的能力。將3D生物打印技術聯合3D打印假體應用于骨腫瘤手術治療中會顯著地提高手術質量，對于患者的功能恢復會起到巨大的推動作用。

3 總結與展望

綜上所述，3D打印技術在骨腫瘤手術中的應用價值和臨床療效值得肯定。當然，現在3D打印技術還存在一定的不足，比如：3D打印材料有限；打印時間較長；打印成本較高；許多研究還處于初始階段；許多技術還不成熟；還需要更多的、更高水平的研究來證實3D打印技術的有效性。目前臨床應用研究中，無論是3D打印導板還是3D打印假體還需要進行長期隨訪觀察療效，3D打印技術在臨床中的應用還需要進一步拓寬。3D打印在理論上可以實現組織或器官再生，盡管目前在皮膚、血管、肝臟方面已取得了相當大的突破，但是構建一個具有移植條件及生物活性功能的打印器官仍是一個長期努力的方向。隨著3D打印技術的發展，該技術在臨床中將會發揮出更大的作用。