李良生，芮 鋼，林 山

近年來隨著脊柱外科技術的不斷發(fā)展和進步，運用現(xiàn)代脊柱三維矯形理論、技術以及改良內固定系統(tǒng)幾乎能夠矯正所有復雜的脊柱畸形，實現(xiàn)可靠穩(wěn)定的骨性融合[1]。但脊柱畸形常常涉及到多種解剖結構的變異，且周圍毗鄰脊髓、神經、血管等重要組織結構，置釘難度及風險遠遠大于非脊柱畸形，手術失敗率較高[2-3]?？上驳氖?，隨著數(shù)字骨科學的不斷發(fā)展和成熟，3D打印技術已越來越多地深入到脊柱畸形矯正手術中，通過制作脊柱實體模型、置釘導向模板、個性化內植物等，在術前規(guī)劃、術中輔助置釘、內植物個性化設計、醫(yī)患溝通等方面實現(xiàn)其獨特的臨床價值，有力保證了手術的準確性和安全性。

1 3D打印技術

1.1 歷史與發(fā)展

3D打印技術又稱“添加制造”（additive manufacturing）技 術 或 快 速 原 型（rapid prototyping，RP）技術。根據(jù)美國材料與試驗協(xié)會2009年成立的3D打印技術子委員會F42公布的定義，3D打印是指一種與傳統(tǒng)材料去除加工方法相反，基于三維數(shù)字模型，通常采用逐層制造方式將材料結合起來的工藝。也就是說，3D打印以數(shù)字模型文件為基礎，運用粉末狀、液態(tài)金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式快速制造（rapid manufacturing，RM）所需實物[4]。

該技術的提出可追溯到1979年，日本東京大學生產技術研究所的中川威雄教授發(fā)明了疊層模型造型法[5]。1986年，Hull等首次利用計算機建模并打印出三維實體，標志著3D打印技術的誕生[6]。醫(yī)學領域的首次應用是在1990年，當時開發(fā)者基于CT掃描獲取的顱骨解剖數(shù)據(jù)，通過3D打印技術成功復制出顱骨解剖模型[7]。經過20余年的發(fā)展，目前應用于醫(yī)學研究領域中的各種先進加工與制造技術已日臻成熟，如支撐平臺硬件設備，主要包括RP機、數(shù)控萬能銑床、三坐標測量儀等，軟件技術，即RP技術和反求技術、計算機輔助設計（computer-assisted design，CAD）和制造技術等，為3D打印技術的臨床應用鋪平了道路。在骨科領域，3D打印技術目前已廣泛應用于骨腫瘤治療與重建、髖膝關節(jié)置換、復雜創(chuàng)傷骨折、小兒骨科、骨組織工程以及高難度脊柱外科手術[8-13]。

1.2 原理和流程

3D打印技術主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、3D打印3個步驟。其原理為離散/堆積成形：產品三維CAD模型→分層離散→按離散后的平面幾何信息逐層加工堆積原材料→生成實體模型。

醫(yī)學應用中的一般流程為：首先獲得高分辨率CT掃描的三維圖像數(shù)據(jù)，然后將DICOM格式的CT掃描數(shù)據(jù)導入Mimics等圖像處理軟件中，構建出形態(tài)曲面，由近似三角形的“碎片”構成三維模型并保存為STL格式，重建模型的精細程度與三角形“碎片”的大小成負相關，最終以“分層制造、逐層疊加”的方式完成RP制造。

1.3 技術類型

目前應用較多的3D打印技術主要包括光固化立體印刷（stereo lithography appearance，SLA）、熔融沉積成型（fused deposition modelling，F(xiàn)DM）、選擇性激光燒結（selective laser sintering，SLS）、電子束熔融成型（electron beam melting，EBM）、三維噴印（three-dimensional printing，3DP）以及直接攜帶細胞打印的生物打印技術等。值得一提的是，三維噴印與3D打印技術的英文縮寫雖同為3DP，但前者包含于后者，且三維噴印因所粘結零件的強度有限，往往需要后續(xù)處理以獲得三維原型材料。

1.4 生物醫(yī)學材料

現(xiàn)階段應用于3D打印技術的生物醫(yī)用材料主要包括醫(yī)用金屬材料、醫(yī)用無機非金屬材料、醫(yī)用高分子材料和復合生物材料。其中金屬材料主要有鈦合金、鈷鉻合金、不銹鋼和鋁合金等；無機非金屬材料主要包括生物陶瓷、生物玻璃、氧化物及磷酸鈣陶瓷和醫(yī)用碳素材料；高分子材料目前有聚富馬酸丙二醇酯（propylenefumarate，PPF）、聚乳酸（polylactic acid，PLA）、聚己內酯（polycaprolactone，PCL）、聚醚醚酮（polyetheretherketone，PEEK）等；而復合生物材料主要包括PCL/PLA/β-磷酸三鈣（tricalcium phosphate，TCP）、PEEK-羥基磷灰石（hydroxyapatite，HA）等。

作為醫(yī)用金屬材料的一種，鈦及其合金如Ti-6Al-4V、Ti-6Al-7Nb、Ti-24Nb-4Zr-8Sn等，因具有良好的生物相容性以及抗疲勞、耐腐蝕特性[14]，能夠形成微孔結構，降低彈性模量，減少應力遮擋并發(fā)癥，目前已廣泛應用于骨科內植物的制造。其中Ti-6Al-4V合金是目前3D打印醫(yī)用內植物應用最普遍的材料，相對于PEEK材料，能更好地促進成骨細胞黏附與分化[15]。鎂及其合金在體內具有骨誘導性，在促進骨生長的同時不會產生炎性反應，作為骨科內植物材料潛力巨大，但其在體內降解過快，力學性能不足，不利于承重部位的骨組織生長以及骨力學結構的動態(tài)平衡重建[16]，故尚不適用于脊柱手術。能夠以粉末形式用于打印的生物相容性材料還有不銹鋼316L和鈷鉻合金等，也受到業(yè)內的廣泛關注，但目前主要用于齒科內植物的打印，尚未應用于打印脊柱內植物。

醫(yī)用高分子材料的發(fā)展從最開始僅能利用現(xiàn)成的高聚物，到通過合成反應在分子水平上設計合成具有特殊功能的高聚物[17]，再到尋找具有主動誘導、刺激人體損傷組織再生修復的一類生物活性材料[18]，可謂成果頗豐。復合生物材料方面亦有所建樹，有學者使用SLS方法燒結PEEK-HA混合粉末，用以制造多孔復合高分子材料支架，研究結果證實，該支架具有可控的微觀結構和較高的穩(wěn)定性，適用于脊柱椎間融合[19]。

盡管目前應用于3D打印技術的生物醫(yī)用材料眾多，但鑒于脊柱個性化內植物的特殊性，材料不僅需滿足脊柱手術有效性、精準性的要求，更重要的是安全性指標，從這個角度上看，目前已量產并投入臨床使用的醫(yī)用生物材料還十分有限。

2 脊柱畸形與矯正

脊柱畸形是骨科領域中涉及解剖結構最復雜、精度要求最高的學科。其病情的復雜性體現(xiàn)在：①椎體形態(tài)結構多伴有旋轉、楔變、滑脫、半椎體、蝴蝶椎等變異；②椎弓根細小、不規(guī)則；③伴椎管畸形如脊柱裂、椎管內骨贅壓迫；④伴先天性肋骨融合、椎板融合等；⑤胸廓、脊髓、神經根以及周圍毗鄰肺、食道、主動脈、下腔靜脈等重要臟器和大血管隨脊柱畸形而發(fā)生形變；⑥脊柱穩(wěn)定性嚴重失衡，同時還可能伴有心肺發(fā)育、循環(huán)呼吸、心理等障礙，甚至發(fā)生遲發(fā)型癱瘓，生存質量嚴重下降。

對于達到手術指征的重度脊柱畸形，外科治療是有效的干預措施。20世紀60年代，Harrington完成脊柱后路一維棒鉤矯形固定，被稱為脊柱內固定及脊柱矯形的先驅[20]，而80年代Cotrel等[21]發(fā)明C-D釘棒系統(tǒng)（Cotrel-Duboussetinstrumentation），是脊柱矯形外科里程碑性的事件。但早期的CD系統(tǒng)操作比較復雜，后經過改良，逐漸形成由TSRH、Isola、CDH和Moss-Miami等支撐的三維矯形理論與技術，矯形效果進一步提高。

螺釘?shù)臏蚀_置入是保障脊柱矯形手術安全性、提高成功率的關鍵所在。Liljenqvist等[22]報道，先天性脊柱側凸患者置釘時有25%的椎弓根螺釘穿破椎弓根皮質，盡管未引起神經血管和肺并發(fā)癥，但仍有1枚螺釘緊靠胸主動脈；Minor等[23]在T5水平置釘時穿透了降主動脈壁；Papin等[24]報道1例后路脊柱側凸矯正手術中出現(xiàn)的脊髓損傷，造成了腹痛及下肢神經癥狀；Belmont等[2]曾對40例脊柱側凸和后凸患者進行手術治療，發(fā)現(xiàn)43%的胸椎椎弓根螺釘穿破皮質，椎體前方皮質穿破率達8%；Modi等[3]在治療脊柱側凸患者時共置入854枚螺釘，結果發(fā)現(xiàn)，31.3%的螺釘位置不準確，調整后復查時置釘失敗率仍達10.1%。為提高置釘準確率，人們采用計算機導航技術來輔助置釘，但該技術存在操作復雜、學習曲線長、經濟投入大、手術時間長等劣勢，未能在國內醫(yī)院獲得廣泛推廣。

3 3D打印技術在脊柱矯形手術中的應用

3.1 實物脊柱模型

3.1.1實物模型的構建和制作 對準備建模的脊柱部位行連續(xù)CT掃描，然后將影像學數(shù)據(jù)導入三維建模軟件中，構建三維脊柱模型，最后將三維模型導入3D打印機中，打印出實物模型。

3.1.2應用效果 Mao等[25]將3D實物脊柱模型用于對16例嚴重脊柱畸形患者的矯形治療中，發(fā)現(xiàn)其在術前談話、規(guī)劃手術方案以及模擬手術中起到獨特作用，可以更好地了解病情，選擇最佳螺釘置入角度，術后復查CT發(fā)現(xiàn)無一例椎弓根螺釘突破皮質；桑宏勛等[26]早年對34例重度先天性脊柱畸形患者的治療經驗也證實，3D打印模型能較好顯示病變節(jié)段解剖信息，可用于指導術前評估和制定手術計劃，提高術中操作精度，縮短手術時間，降低手術風險，輔助術后療效評估；而復雜脊柱畸形矯正手術截骨線劃定時需要綜合考慮脊柱矢狀位及冠狀位的平衡、脊髓神經的松弛程度、有無序列堆積及過度牽拉、椎前血管順應性等，實體模型可幫助醫(yī)生設計更加科學嚴謹?shù)慕毓蔷€，使截骨減壓范圍更加合理精確，保證手術療效[27]。

一些有關3D模型與常規(guī)手術的比較研究也見諸報道。Yang等[28]對126例LenkeⅠ型青少年特發(fā)性脊柱側凸的手術患者進行前瞻性對照研究，結果表明，與傳統(tǒng)手術相比，運用3D實物模型輔助手術可縮短手術時間，降低術中出血量，復查血紅蛋白水平也更高；Wu等[29]在治療嚴重先天性脊柱側凸時，通過術中參照脊柱模型輔助置釘，結果表明，3D模型組置釘準確率為胸椎94.4%、腰椎91.6%，明顯高于C型臂X線機組的置釘準確率（胸椎86.1%、腰椎82.0%）；張樹芳等[30]的隨機對照試驗結果亦證實，通過精確測量3D打印截骨模型，實現(xiàn)了術前個體化手術計劃的精確制定和預測，術前演練也達到了提高手術融合率、增強手術安全性的目的。

3.2 置釘導向模板

導向模板之所以適用于輔助置釘手術，主要是由于其以椎體后柱骨性結構的數(shù)據(jù)為基礎，故不會因患者手術前后體位、體重等因素的變化而出現(xiàn)導板不匹配的現(xiàn)象。自1998年Radermacher等[31]首次將RP導航模板用于腰椎椎弓根置釘操作以來，該技術在頸椎、胸椎、腰椎以及寰樞椎、脊柱矯形等的置釘研究中獲得了廣泛應用。

3.2.1制作流程 首先對目標椎體進行3D CT薄層掃描，設定掃描厚度（最好不超過1 mm），以DICOM格式保存并導入Mimics等3D圖像生成及編輯處理軟件，生成目標椎體的3D模型，以STL格 式導出 ；再導入 UG、Imageware、Geomagic Studio等逆向工程軟件，設計最佳置釘通道，選擇性提取椎板、棘突及關節(jié)突后方的表面解剖形態(tài)，反向建立與之相匹配的模板。將置釘通道與模板擬合成一體，形成帶有導向孔的導航模板，并用3D打印機打印出來。

3.2.2分類和演變 導航模板簡單來說可分為單椎體導板和多椎體導板，定位導向孔也有單側和雙側之分；如果依據(jù)后柱結構，導航模板可分為以局部椎板、橫突根部為解剖標志的單邊單個局限型導航模板，以單邊椎板、橫突為解剖定位標志的雙側單邊單個導航模板，及其以雙邊椎板、橫突、棘突為解剖定位標志的雙側雙邊單個導航模板。

早期人們多采用多椎體導板，具有匹配面積大的優(yōu)勢[32]，但椎間關節(jié)存在微動，術前CT掃描體位與術中體位的差異將影響導板輔助置釘?shù)臏蚀_性；單椎體導板可避免這一缺陷，術中操作時更具穩(wěn)定性。在保證穩(wěn)定性的前提下，追求較少的軟組織剝離和更好的匹配程度，仍將是未來導板的發(fā)展方向之一。

為進一步提高置釘準確性，近年來Sugawara等[33]報道一種基于RP導板的多步置釘操作方法，輔助58枚胸椎椎弓根螺釘置入后無一例發(fā)生椎弓根皮質破裂。而在對導板貼合面的研究方面，有學者根據(jù)腰椎后方不同骨性解剖標志，將導板分成椎板-人字嵴型和椎板-棘突型，輔助置釘?shù)碾S機對照試驗結果表明，兩組置釘可接受率無顯著差異，但前者成功率為70%，明顯低于后者95%的成功率 95%[34]，這與 Goffin 等[35]、胡勇等[36]的結論相似。提示在使用逆向工程軟件設計匹配模板匹配面時，應選取曲率較高，最好是椎板中下部的曲面作為參考曲面，以避免生成的導板在使用過程中被上一節(jié)段的椎板遮擋，從而獲取更好的貼合度。另外，作為置釘導向模板的關鍵組成部分之一的導板套管，有報道建議其長度以5 cm為宜[37]。

3.2.3實驗研究和臨床應用 Birnbaum等[38]在L2～L4共12個腰椎標本上進行個體化模板輔助置釘法和傳統(tǒng)置釘法的比較研究，前者螺釘全部準確植入，傳統(tǒng)置釘法有2枚螺釘穿破椎弓根皮質；Hu等[39-40]在尸體標本上分別進行3D打印導向模板輔助C2經椎板螺釘和C1～C2經關節(jié)突螺釘置釘試驗，螺釘置釘位置均滿意；成都軍區(qū)昆明總醫(yī)院的研究團隊在脊柱尸體標本中亦驗證了頸椎椎弓根螺釘置釘導板的安全性和準確性[41]。

諸多臨床研究結果亦表明，采用3D打印導向模板輔助脊柱畸形患者椎弓根置釘，置釘準確率高，位置良好，神經、血管和內臟損傷并發(fā)癥低，矯形效果滿意，手術時間也大為縮短[42-45]。

針對脊柱導向模板的設計及其置釘準確性問題，人們進行了積極的臨床探索。Takemoto等[46]制作的新型鈦質導向模板，在減少接觸面積的同時保證了操作穩(wěn)定，提高術中匹配便利性，輔助36例脊柱側凸置釘手術的準確率為98.6%（414/420）。陳玉兵等[47]采用個體化導航模板尋找胸椎矯形手術椎弓根螺釘?shù)淖罴堰M釘通道設計，他認為，對椎弓根寬度＞4 mm者，應使虛擬椎弓根螺釘位于椎弓根內，且盡可能位于椎弓根的中心位置，而椎弓根寬度≤4mm者則采用椎弓根旁固定方法，使虛擬椎弓根螺釘輕度穿破椎弓根外側壁，經胸肋關節(jié)內側進入椎體。這種設計既可避免椎弓根螺釘穿破椎弓根內側壁，又可防止螺釘過分外移導致肺及胸膜損傷，術后矯形效果滿意，同時最大限度地保證了手術安全。

3.3 個性化內植物

通過CAD和3D打印技術能快速制作個性化植入物，同時可以制造大小可控的微孔。這些微孔結構在植入體的實體部分可降低金屬材料的彈性模量，減少應力遮擋；在植入體的表面則可促進金屬與骨組織之間的骨整合。這一獨特優(yōu)勢使其在骨科植入物研制方面前景可期[48]。

3.3.1個性化人工椎體 全脊椎整塊切除術（total en bloc spondylectomy，TES）或稱后路全椎體切除術（posterior vertebral column resection，PVCR），對重度脊柱畸形療效肯定[49]，但術中必須重建患者脊柱結構以及生物力學的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)以骨水泥、鈦網(wǎng)、異體骨、自體骨等內植物聯(lián)合前路鋼板、后路椎弓根系統(tǒng)固定為主的手術，時間長，風險大，操作復雜，缺乏個性化，遠期并發(fā)癥發(fā)生率高[50]。

采用3D打印技術制作個性化人工椎體，為實現(xiàn)脊柱矯形個性化手術提供了新的思路。有學者通過3D打印技術制作豬人工椎體，結果顯示，該人工椎體與豬原有相應節(jié)段椎體形態(tài)結構完全相符，置換后脊柱形態(tài)與術前未有明顯變化[51]；亦有動物實驗結果表明，TES術中置入3D人工椎體后豬雙后腿活動、痛覺良好，假體位置、椎間高度及脊椎序列均完好[52]；北京大學第三醫(yī)院研究團隊設計了全微孔型3D打印鈦合金人工椎體，動物實驗證實該人工椎體與周圍骨骨整合良好[53]。而在體外研究方面，有報道證實類似于松質骨蜂窩立體結構的復合支架有利于骨的直接附著，200～300 μm的孔徑有利于骨細胞及血管長入，75%以上的孔隙率使材料具有骨傳導性，85%以上的孔連通率能保證細胞的新陳代謝[54]，這些結果為3D打印人工椎體的規(guī)格設計提供了參考依據(jù)。2016年5月，北京愛康醫(yī)療公司基于3D精準構建技術（accurate construction technology，ACT）研發(fā)的人工椎體系統(tǒng)正式獲得國家食品藥品監(jiān)督管理總局批準，得到上市許可，這也是全球首例經過臨床驗證的金屬3D打印人工椎體。

3.3.2個性化椎間融合器 Beer等[55]的尸體研究結果表明，3D打印椎間融合器可與椎體表面幾何參數(shù)良好匹配，使其沉降風險大為減少。FDA 2013年批準、Renovis公司研發(fā)的3D打印椎間融合器Tesera，利用微孔結構替代了傳統(tǒng)的植骨方式，但在人體內的表現(xiàn)及骨整合效率，尤其是用于脊柱椎間融合的效果，仍有待長期臨床結果證實。

Tsunami和EIT等公司也相繼推出了金屬3D打印椎間融合器產品，這些產品的共同特點是采用多孔或表面多孔鈦合金結構，降低了合金的彈性模量，減少了應力遮擋效應[56]；而開放的多孔結構允許骨組織長入內植物內部，提供更多的骨與材料結合位點，限制骨與內植物之間的微移動，從而增加內植物-骨結合的力學穩(wěn)定性[57-58]。從銘、陳伯華[59]研發(fā)3D打印n-HA/PLA椎間融合器，并與傳統(tǒng)碳纖維椎間融合器組進行比較研究，結果表明，該新型椎間融合器可提供抗壓縮性能，能夠滿足臨床植入的生物力學要求。

4 存在問題

在3D打印技術展示其臨床價值的同時，我們亦需觀其不足之處。對于3D脊柱實物模型而言，先前根據(jù)采集數(shù)據(jù)制作的等比例模型可能因體位變化而與實際脊柱形態(tài)不完全一致；囿于技術限制亦不能制作包含軟組織的脊柱模型，因此在涉及軟組織疾病時3D打印技術尚無法應用。對于置釘導向模板，術中貼合骨面時微小的位移都會帶來置釘偏差的風險；而如果術前CT數(shù)據(jù)處理和CAD均交由醫(yī)生負責，則勢必要進行專門的培訓學習，增加學習周期。這兩種技術還存在制作精度不足、加重患者經濟負擔等問題，從數(shù)據(jù)采集到設備打印也需要一定的時間，不適合用于急診手術患者。但隨著3D打印技術的發(fā)展和成熟，以及新型制作材料的層出不窮，未來在優(yōu)化設計、提高精度的同時，成本會更加低廉；而醫(yī)療機構借助與醫(yī)療器械生產企業(yè)通聯(lián)合作建立公共平臺，將數(shù)據(jù)采集、CAD-RP等技術服務外包給第三方專業(yè)公司代理，能夠實現(xiàn)脊柱外科專業(yè)知識和CAD、計算機輔助制造（computer-aided manufacturing，CAM）的完美結合，提高效率，減輕醫(yī)生負擔，更易推廣。

人工椎體置換的主要問題是，若僅單純置換人工椎體，就破壞了上下椎間盤，導致脊柱高度的丟失；此外，手術創(chuàng)傷大，出血多，易出現(xiàn)硬膜囊過度變形、血管扭曲致缺血性損傷等，雙下肢不全癱、馬尾神經癥狀、間歇性跛行等手術并發(fā)癥也較為常見，術中使用臨時固定棒是預防脊髓損傷的重要手段[60]。對于3D打印個性化內植物，除需證明其治療的有效性、精準性外，還需證實其安全性，要求在材料強度、剛度、抗疲勞性、生物相容性等方面經得起時間考驗，而其植入人體后能否滿足這些要求，仍有待更多的臨床研究及長期隨訪來進行評價。

任何技術的使用都包含著對技術潛在效益與潛伏危險的權衡。當前關于醫(yī)療器械審批的法律法規(guī)是根據(jù)產品批量生產的特點進行設計的，對于個體化3D制造的產品沒有明確規(guī)定，個體化植入物未建立行政審批制度，無法獲得醫(yī)療注冊許可證，這對使用中的安全風險處理產生不利影響；同時也面臨著倫理道德與技術的挑戰(zhàn)[61]。從這個意義上講，個體化生產既是3D打印技術的優(yōu)勢，也是其法律限制的瓶頸，需改革創(chuàng)新方能得以突破[62]。臨床應用方面我國也缺乏相關的規(guī)范標準，今后應致力于建立相關監(jiān)管制度，并推進其規(guī)范化和標準化進程，以有利于問題的解決[63]。

5 小結

脊柱矯形手術難度高、風險大，對醫(yī)生的專業(yè)素養(yǎng)有著極高要求。利用3D打印技術精確打印脊柱實物模型、置釘導向模板和個性化內植物，并將其用于術前輔助診斷、了解復雜疾病的解剖特點、與患者及家屬溝通、規(guī)劃修正手術方案、模擬手術、預設截骨范圍、設計個性化內植物，以及術中參照、設置最佳釘?shù)?、導航置釘、與同行交流等方面，能夠在保證手術質量的同時，縮短手術時間，減少術中失血及X線暴露次數(shù)，增加手術便利性，降低手術難度及并發(fā)癥發(fā)生率，提高置釘準確率和手術成功率。

日前在脊柱畸形矯正領域，3D打印技術的探索方興正艾，如火如荼。相信未來隨著硬件設備和影像學精度的提升、RP技術及計算機輔助工藝的發(fā)展、人體工程學的完善以及生物材料學的進步，3D打印技術必將在全國范圍內普及，為廣大脊柱畸形患者帶來福音。4D打印的理念和技術目前已開始在醫(yī)學領域嶄露頭角，其所帶來的變革也必將對脊柱外科醫(yī)生產生深遠影響，而作為先進技術的使用者和實踐者，醫(yī)生主導設計產品并將其嵌入可變形的智能材料中，通過某些特定條件激活后以時間維度進行自我組裝，獲得緊密貼近臨床的個性化產品，這一天應該不會太遠。

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