3D打印技術在脊柱外科中的應用進展

程嘉偉 牛國旗 李 超 劉路坦 周乾坤

1 3D打印技術

3D打印技術，又稱快速成型技術或添加制造技術，源自 20 世紀 80 年代，3D打印技術基于3D數字模型，使用離散材料逐層打印來構造物體，且已在很多領域得到應用。美國科學家查爾斯·赫爾在1984年發明了立體平版印刷技術打印3D模型，并于1986年創立了一家致力于3D打印技術的公司，開啟了3D打印的新紀元。3D 打印技術經過幾十年的發展，在降低制造成本，節省勞動時間上有著獨特的技術優勢，引發了全世界的研究熱潮。

1.1 3D打印原理 使用MRI或CT薄層掃描獲取圖像，然后通過計算機建模軟件建成3D模型。使用軟件將三維模型切片制作成計算機輔助設計文件，將數據傳送到3D打印機，使用各種打印材料逐層附加地制造對象。3D打印材料，如陶瓷、樹脂、金屬、塑料、聚氨酯甚至活細胞都可以用來制作3D模型。

1.2 技術類型 目前有多種3D打印技術，主要以熔融沉積制造技術，光固化成型技術及選擇性激光燒結技術為主。

熔融沉積制造技術是將熱塑性材料通過噴頭加熱至熔融態，材料經噴頭擠出并迅速固化，一層一層打印和疊加，直至完成整個實體制造。光固化立體成型技術以液態光敏樹脂為原料，通過控制激光照射液態光敏樹脂使之逐層固化，最終得到完整的產品。選擇性激光燒結技術以熱塑性聚合物粉末為材料，通過二氧化碳激光對規劃區域進行熔化和融合，不斷重復鋪粉燒結過程使粉末熔融堆積成三維模型。熔融沉積打印技術優點在于使用維護簡單，材料利用率高，是所有打印技術中最為經濟的一種技術，光固化立體成型技術和選擇性激光燒結技術具有打印精準度高的優點。除了更精準之外，光固化立體成型技術打印實物表面質量好，成型速度快，但是打印設備造價昂貴，原材料成本高，且成型產品強度較差，光敏樹脂材料有污染，因此該技術主要面向微機械結構的制作，打印小型模具和模型。選擇性激光燒結技術打印材料廣泛，制作工藝簡單，材料可循環利用，缺點是打印產品表面粗糙，打印過程揮發異味等。通過這些技術打印的模型通常需要后處理，以便更準確、安全地應用于臨床。

2 3D打印技術在脊柱外科中的應用

3D打印技術作為新興技術在脊柱手術中有著重要用途，因為脊柱解剖結構的特殊性，且周圍毗鄰脊髓、血管、神經等重要組織，手術風險大、失敗率高，因此脊柱外科手術越來越強調操作的精準化和個體化。3D打印技術特點是可以精確的實體復制，在概念化復雜的病變上提供視覺和觸覺的幫助，讓臨床外科醫師預見術中的困難，選擇最佳的手術入路，所以在脊柱外科治療中有著重要的作用。

2.1 脊柱矯形器 傳統矯形器的制作依靠臨床醫師的經驗和熟練度，同時還要付出大量的體力，包括熱塑性塑料的鑄造、雕刻和塑模，然后將其固定到身體上。缺點是等待時間長，需要多次調整，增加了患者的經濟成本。此外，不能保證矯形器貼合患者身體，需要定期調整，必要時應重新制作。通過結合3D打印技術和生物力學分析技術，定制個體化脊柱支具有助于克服傳統矯形器的局限性，同時改善機械和美學特性。

3D打印個體化支具具有以下5個方面的的優勢。第一，患者可以按照治療目的和個人的喜好選擇不同的3D打印材料。第二，可快速制作，縮短患者等待時間，減輕疼痛，提高患者依從性，并減少病情進一步惡化。第三，根據人體工程學特點，制作合體、方便、舒適的支具。第四，通過軟件分析設計的個體化支具更符合生物力學，提高了治療效果。第五，患者參與設計過程提出反饋意見，從而提高了患者的舒適性和依從性。馮珍等發現個體化截癱支具提高了患者的行走能力和活動能力，通過使用舒適適宜的個體化支具加快了病人的康復。張愛平等從環境、材料、結構、運動等方面評估患者穿戴3D打印個體化脊柱側彎矯形器的舒適性，結果表明使用3D打印個體化脊柱側彎矯形器的患者總體滿意度達到良好。

2.2 實物脊柱模型 通過3D打印技術制作脊柱實體模型，作為臨床教學、輔助診斷、手術入路規劃以及外科手術更精確操作的參考，有力保證了手術的準確性和安全性。

脊柱三維實體模型可用于解剖學教育，醫學生課程中使用的脊柱解剖標本大多為解剖結構正常的脊柱，很少有復雜的脊柱病變的標本供學生去學習和討論。3D打印技術可以直觀的將脊柱病變處三維結構展現，幫助學生更好的理解病變脊柱結構的解剖，提高醫學生對脊柱疾病的認知。李曙明等發現在復雜脊柱畸形教學中，通過3D打印實體模型與影像學資料對比與反思后，極大地提高了學生對疾病的閱片和診斷能力，而且在教學效率和效果上顯著優于傳統教學。Wu等將90名醫學生分為兩組，一組用3D打印模型輔助教學，另一組用傳統影像教學，發現傳統影像組的測試得分顯著低于3D打印模型組(

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此外，在目前醫患矛盾日益加劇的情況下，如何讓沒有醫學知識背景的患者及家屬更直觀了解手術方式和手術風險成為臨床的一大難題。通過3D打印模型給患者的視覺帶來直觀感受，使患者對自身病情的復雜性和嚴重性有著更好的理解，有利于患者的術前溝通。林鋼等在術前采用3D打印模型模擬手術，并且使用3D打印模型與患者及其家屬交流，提高了患者對手術的理解。國內研究表明，使用3D打印模型有利于和患者之間的溝通，可顯著減少與焦慮相關的疼痛。

3D打印模型被廣泛應用于復雜脊柱病變的管理和手術計劃中。目前常用的影像學檢查，如X線片和CT掃描，不能提供復雜脊柱病變全面的解剖信息，3D打印模型為臨床提供可視化信息和觸覺反饋，在術前可以通過模擬手術提高臨床醫師對手術的信心，術中可以對照脊柱模型準確的找到對應的解剖結構，減少手術時間和失血量。研究表明，根據患者的CT數據打印個體化脊椎模型進行術前規劃，通過模擬手術顯著提高了手術的成功率(

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<0.05)。Wang等采用3D打印模型對脊柱側凸、寰樞椎脫位、寰樞椎腫瘤患者制定手術方案，發現可以減少術中出血量，縮短手術時間(

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<0.05)。常麗鵬等對52例重度骨質疏松性椎體壓縮骨折患者行經皮穿刺椎體成形術，并將患者分為觀察組與對照組，發現使用3D打印模型術前進行預操作的觀察組相比于對照組穿刺定位所需時間少、術中透視次數低，兩組間差異有統計學意義(

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3D打印脊柱實體模型可以直觀顯示脊柱的三維形狀，通過將三維模型數據導入醫學圖像處理加工軟件，可以迅速準確的找到椎弓根螺釘的最佳進釘點及進釘的角度和深度。另外，也可以通過模擬脊柱矯形患者生理彎曲的節段和范圍來確定截骨的位置和角度，提高手術的準確性，縮短手術時間，使整體手術效果得到提升。

2.3 置釘導向模板 眾所周知，脊柱外科大部分的手術需要置入椎弓根螺釘，在脊柱內固定手術過程中3D打印置釘導板使椎弓根螺釘放置更加簡便和精準。然而椎弓根畸形可引起椎弓根直徑變化，這加大了徒手置釘的難度和風險，螺釘置入位置、角度偏移時可能損傷神經和血管。運用3D打印技術，通過術前CT掃描和計算機輔助預設釘道，打印出個體化、準確的置釘導航模板，在手術中能夠精確的放置椎弓根螺釘，且操作簡單。

椎弓根螺釘置入的準確性主要根據Kawaguchi提出的方法來判斷：當螺釘完全位于椎弓根內時為0級(優)，突破椎弓根皮質未超過2 mm，無并發癥為1級(良)，突破椎弓根皮質2 mm以上，未出現并發癥為2級(中等)，出現椎動脈、神經根損傷等并發癥為3級(差)。Hu等借助3D打印置釘導板，對32具頸椎標本置入寰樞椎Magerl螺釘，發現實際螺釘置入點與理想螺釘置入點之間無統計學差異(

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>0.05)。Kawaguchi等利用3D打印個體化導板輔助植入44枚C2～C7椎弓根螺釘治療11例頸椎疾病患者，術后CT顯示植入螺釘優良率為100%，其中優為95.45%，良為4.55%。Pu等將49例寰樞椎骨折脫位患者分為個體化3D打印導板組和傳統徒手置釘組，比較兩組的螺釘放置的準確性和安全性，術后CT顯示個體化3D打印導板組置釘位置的正確率(98%)高于傳統組(75%)，差異有統計學意義(

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<0.05)。Sugawa等使用單側模板輔助置入胸椎椎弓根螺釘58枚，手術效果良好，沒有螺釘突破骨皮質，而且椎弓根螺釘位置與術前設計的釘道相比偏差較小。綜上所述，3D打印置釘導板輔助椎弓根螺釘置入因其具有準確性高、應用效果良好等特點，具有重要的實用價值。

隨著3D打印導航模板的廣泛應用，針對模板的設計也在不斷優化。Kaneyama等采用單側導板附加棘突固定的方法，為20例患者置入80枚頸椎椎弓根螺釘，所有螺釘均準確置入。這種設計的導板在減少接觸面積的同時保證了操作穩定性，提高術中匹配的便利性。Azimifar等以關節突關節作為導航模板的接觸點，應用導板對12例脊柱側彎患者置入110枚椎弓根螺釘，手術置釘準確率可達94%。這樣做的優點是避免了在術中對棘突和橫突的廣泛暴露，減少局部軟組織損傷，有助于減輕術后疼痛。

3D打印導航模板置釘的優點：①個體化設計，提高置釘的安全性和準確率，降低了血管、神經損傷的風險，減少術后并發癥；②使用簡單，幫助年輕醫生學習置釘方法，適合手術經驗不足的年輕醫師；③降低患者及醫生在手術過程中X線的暴露次數，同時縮短的手術時間；④降低了手術成本，無需其他設備輔助。

2.4 3D打印個體化內植物 近年來，用于脊柱手術的3D打印多孔金屬內植物主要包括人工椎體和椎間融合器。利用3D打印技術制造脊柱外科個體化定制內植物，與3D打印模型、椎弓根螺釘定位模板、截骨輔助模板等臨時工具不同，3D打印脊柱內固定材料需要永久保留在人體內，所以對解剖學、人體工程學、生物力學、生物安全性、生物相容性等有更高要求。

周圍骨組織與骨置入物間的固定方式分為骨長上與骨長入2種。傳統內固定物主要靠與骨質間的摩擦力和螺釘的加壓力進行固定，沒有骨長入的過程，而3D打印個體化內植物可與骨質進行融合。3D打印個體化內植物通過優化多孔金屬結構的孔隙率和孔徑，提高了骨誘導能力，為脊柱結構的穩定性提供堅實基礎。研究表明，當孔隙率達到75%時最有利于骨長入實現良好的骨性融合，當孔徑達到200～300 μm時有利于血管和骨細胞長入。

Xu等應用3D打印個體化樞椎椎體治療上頸椎惡性腫瘤(尤文肉瘤)，術后3D打印個體化人工椎體的位置良好，頸部旋轉功能得以保留。3D打印人工椎體與傳統植入物相比具有特殊的解剖結構，提高了脊柱腫瘤切除后脊柱結構的穩定性。Mobbs等發表了2份應用3D打印技術進行手術計劃的案例報告，其中1例上頸椎脊索瘤(C1～C2)的患者接受了腫瘤切除術，應用3D打印技術制作個體化人工椎體重建椎體。另1例是患有復雜的先天性脊柱畸形的患者，截骨矯形術后應用3D打印的個體化人工椎體重建了脊椎前部結構的穩定性，結果表明3D打印個體化人工椎體的應用不僅限于腫瘤切除后的椎體重建，在脊柱截骨矯形術后引起的骨缺損的穩定重建也有極大的應用價值。Spetzger等在頸椎前路融合手術中應用3D 打印個體化鈦合金椎間融合器，融合器與椎體表面貼合緊密，增加了接觸面積，降低了融合器脫位和沉降的風險。吳敏飛等對30例脊髓型頸椎病患者植入3D 打印個體化椎間融合器，發現術后患者神經壓迫癥狀改善明顯，椎間隙高度和頸椎生理曲度得到恢復。3D打印個體化內植物結構與患者解剖結構匹配度較高具有良好的生物力學穩定性，患者術后只需佩戴頭頸胸聯合支具，提高了患者的生活質量，減輕了患者的痛苦和護理難度。

目前，3D打印內植物在脊柱外科應用具有創新性和挑戰性，由于脊柱解剖和結構特殊，周圍伴隨著大量的血管和神經，此外脊柱疾病種類繁多，植入物尺寸不匹配的現象時有發生，應用3D打印技術可以根據患者病情個體化定制脊柱內植物，能夠彌補傳統技術的局限，是未來脊柱外科研究的熱門領域。

2.5 3D生物打印 3D生物打印是連接生物材料、生物活性因子和活細胞的一項新技術，以生物支架為載體，不僅可以將細胞裝載到支架上，還可以將各種生物分子如生長因子、細胞因子、大分子蛋白和藥物等裝載到支架上。支架的材料種類包括金屬、生物陶瓷、生物活性玻璃、石墨烯、醫用合成聚合物、天然衍生聚合物等，雖然涉及的技術和材料很多，但基本要求是恒定的，即生物相容性、無毒性、低免疫原性、低抗原性、合適的孔隙率和力學性能、合適且可控的生物降解性。隨著生長因子等生物活性物質在支架中的引入，有利于細胞在生物支架上黏附、增殖和分化過程中修復骨周圍軟組織缺損并促進骨再生，因此，3D生物打印技術具有廣泛的應用前景。

Dong等利用3D生物打印技術，制備了含有抗結核藥物和納米羥基磷灰石的生物支架用于脊柱結核的治療，該三維多孔支架不僅能控制藥物釋放，還能修復骨缺損，幫助重建脊柱穩定性。Rosenzweig等以丙烯腈丁二烯苯乙烯和聚乳酸為生物打印材料制作不同孔隙率的3D生物支架，結果表明，椎間盤髓核組織在大孔支架表面和孔隙內生長良好，產生充足的蛋白質多糖和基質，可以用于治療椎間盤疾病。Cui等利用3D生物打印技術將人軟骨細胞與聚乙二醇二甲基丙烯酸甲酯結合，發現生物材料支架不僅提供了良好的機械穩定性還能保持人軟骨細胞活力有助于修復損傷的軟骨。3D生物打印制備的生物支架誘導細胞或組織分化具有替換或修復受損組織和器官的優點，為我們提供了促進骨再生的新途徑。

3D生物打印技術還不夠成熟，目前可以打印一些相對簡單的組織和細胞，3D生物打印和3D打印金屬植入物聯合應用，在修復骨缺損和骨周圍缺損的軟組織方面，具有巨大的潛力和發展前景。

近年來，雖然3D 打印技術不斷地發展，在脊柱外科領域的應用有著重要的地位，能幫助脊柱外科醫師進行術前規劃設計、輔助疾病的診斷和治療、術中置釘導航、醫學生教學及醫患溝通等，但是仍然不夠成熟，需要大量的研究證明3D打印的可行性和安全性。目前應用3D打印技術根據不同的體格特征制作的個體化脊柱矯形器，提高了患者的舒適性和實用性。制作脊柱模型將復雜的脊柱病變和解剖直觀的顯示出來，讓學生更好的了解復雜脊柱疾病提高了教學效率和效果，讓患者對自身病情有了更清楚的認知有利于術前溝通從而減輕焦慮。3D打印導向模板簡化了臨床醫師的置釘操作，提高了螺釘放置的準確性和安全性。個體化內植物最大限度實現假體與殘留結構的完美匹配恢復解剖結構更能滿足患者的個體需求。3D生物打印幫助骨及周圍軟組織修復，為脊柱疾病的治療提供了新的機遇。總之，隨著3D打印技術的不斷進步，在脊柱外科領域的應用也將越來越廣泛，其臨床價值也將不斷顯現。