3D打印技術應用于脊柱個性化椎體定制的實驗研究

目前椎體結核、腫瘤、囊腫、創(chuàng)傷所致椎體嚴重破壞的治療方法主要為全椎體切除術，全椎體切除不僅對脊柱支撐、承載及緩沖的功能造成巨大影響，脊柱的連續(xù)性也遭到破壞。因此，凡是行全椎體切除術者，無一例外需要重建脊柱的結構與生物力學的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的替代材料并非針對患者的個性化設計，需要臨床醫(yī)師根據術中情況臨時塑形，在手術時間、術中出血、并發(fā)癥的控制方面難以把握。3D打印技術是一種綜合應用了計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）、數控技術、新型高分子材料、激光技術、三維CT等技術的高科技制造方法。得益于精細度高、成品堅固、可復制復雜的幾何模型等因素，越來越多的行業(yè)領域樂于采用3D打印的方式。北醫(yī)三院就應用3D打印技術完成了多例脊柱手術，并且取得了良好的效果。北醫(yī)三院3D打印人工樞椎植入已完成6例，都獲得很好的治療結果

隨著 3D打印技術逐步引入脊柱外科應用，使個性化脊 柱重建成為脊柱外科的手術目標。該技術可定制符合患者脊柱力學分布特點的個性化人工椎體，同時為術前明確脊柱病變部位、椎體破壞范圍提供可視化模型，為脊柱腫瘤、炎癥等侵犯周圍軟組織情況及脊柱創(chuàng)傷對鄰近結構的損傷提供更為準確直觀的證據支持。本研究采用3D打印技術制作豬的脊柱，探討個性化人工椎體在脊柱外科應用的可行性。接下來，我們應用3D打印技術制作豬脊柱個性化椎體的過程，探討3D打印技術在脊柱外科應用的可行性，并為 進一步進行人工椎體的生物相容性與生物力學性能測試提供實體。

此次研究流程是：
1）.通過對20頭紫金藍塘草豬的腰椎進行連續(xù) 斷層CT影像采集，獲得豬腰椎DICOM影像數據。
2）.將所獲得的影響數據導入MIMICS軟件中，并應用該軟件對斷面影像進行修補和擦除，得到滿意的3D圖像，并以STL格式保存。
3）.應用SolidWorks軟件優(yōu)化設計具有不同孔隙大小、孔隙率等特征的復雜多孔結構。
4）.再通過選擇性激光熔化（SLM）技術打印出最終的人工椎體。
5）.然后，手術取出豬的整個7節(jié)腰椎，并將對應節(jié)段置換成人工椎體。
6）.觀察人工椎體與豬脊柱椎體形態(tài)差異及椎體置換后整個腰椎形態(tài)變化。
結果 通過3D 打印的人工椎體與手術取出的豬的相應節(jié)段椎體形態(tài)結構完全相符，置換后脊柱形態(tài)與術前未發(fā)生明顯變化。結論應用3D打印技術能夠實現復雜結構的椎體個性化制作，為被破壞的椎體實現個性化人工椎體置換提供新的思路。

真是辛苦二師兄了.......

1材料與方法
1.1研究對象
選取20頭平均12（10~15）個月齡、體重平均53（48~56）kg的紫金藍塘草豬為本次研究的對象，均未發(fā)現脊柱畸形及椎體破壞。分別選取L3~5椎體（L36例，L48例，L56例）作為目標椎體。

1.2 3D打印椎體的制作
1.2.1 數據收集
應用64排螺旋CT機對目標椎體及鄰近節(jié)段解剖結構進行連續(xù)斷層掃描獲得其DI-COM醫(yī)學數字圖像標準數據，將DICOM格式文件導入到MIMICS軟件中，得到椎體斷層圖，從3個不同 視角分別顯示掃描得到的斷面圖，初步建立椎體的三維模型。通過對圖像灰度及對比度的調整，去掉椎體周圍軟組織陰影，從而對目標窗口椎體圖像進行閾值界定，同時還可以對斷面影像進行修補和擦除，得到完整的三維模型。利用Ansys軟件對椎體三維模型進行網格劃分，經過精減網格、優(yōu)化網格質量及光滑處理后，最終得到滿意的3D圖像，并以STL格式保存。

1.2.2 椎體替代物材料的選擇與多孔“蜂窩狀”人工 椎體設計

充分發(fā)揮選擇性激光熔化（SLM）技術在 復雜結構成型方面的優(yōu)勢，采用SolidWorks專業(yè)軟件優(yōu)化設計以12面體為陣列單元，具有不同孔隙大小、孔隙率等重要特征的三維連通的復雜多孔結構。在多孔結構的仿真分析方面，采用ANSYSWorkbench專業(yè)軟件，利用有限元工作方式將連續(xù)的彈性體離散成為有限個單元，應用單元位移函數，通過對單元進行力學分析，從而獲得整個連續(xù)體的力學性質特征。結合多孔結構的應力和應變分布仿真模擬結果，可對存在應力集中或者明顯塑性變形的結構特征進行優(yōu)化。多孔鈦及鈦合金由于具有獨特的孔隙結構，通過改變孔隙形狀、孔隙大小、孔隙率及孔隙的連通分布等因素，改變其力學性能，能夠獲得與人骨相匹配的彈性模量，從而減弱甚至避免由“應力屏蔽”造成的問題。利用3D打印機制備成具有多孔“蜂窩狀”人工椎體，空隙大小控制在100μm，可以保證細胞在椎體內自由生長，促進植骨融合（圖1）。同時“蜂窩狀”人工椎體可以作為一個載體，內部可以放置BMP甚至骨粉，不僅起到了承重、連接的作用，同時多孔的結構有利于骨細胞的黏附生長和體內營養(yǎng)物質的傳輸。

1.2.3應用SLM技術打印人工椎體SLM技術是增

材制造技術的一種，此類技術通過“層層疊加”的原理，部分或者全部熔化金屬粉末，可直接實現CAD模型到實物的轉換。根據激光對金屬粉末的熔化方式，選擇性激光快速成型技術可以分為選擇性激光燒結（DMLS或SLS）和SLM2大類。由于DMLS和SLS工藝屬于粉末燒結技術，金屬粉末在激光作用下未完全熔化，存在成型材料致密度低、強度較低、成型尺寸精度不高和表面粗糙等不足。采用SLM技術，由于金屬粉末在激光能量作用下完全熔化，能夠形成高致密度的材料（圖2），避免了DMLS和SLS燒結技術的不足。

本項目使用先進的Renishaw3D打印機，打印精度為0.3mm，打印過程：
①通過專業(yè)軟件將模具的3D模型分層，同時進行運算，生成每一層的路徑；
②在充滿惰性氣體的金屬鈦粉缸內，掃描振鏡控制激光束作用于待成型區(qū)域內的鈦粉，一層掃描完畢后，活塞缸內的活塞隨之下降一個層厚的距離；
③送粉系統(tǒng)輸送一定量的鈦粉，鋪粉系統(tǒng)鋪展一層厚的鈦粉沉積于已成型層之上；
④重復步驟①、②成型過程，直至所有3D模型的切片層全部掃描完畢；
⑤最后，活塞上推，從成型裝備中取出人工椎體。


1.3椎體取出與人工椎體置
換將豬麻醉后俯臥于 手術臺上，正規(guī)消毒、鋪巾，以定位的L4椎體為中心切開皮膚、皮下及筋膜，剝離肌肉附著點，充分顯露整個脊柱腰段；沿L1椎體上緣及L7下緣椎間盤切開，分離上下關節(jié)突關節(jié)，離斷棘間韌帶與棘上韌帶，取出整個脊柱腰段；仔細剔除附著于椎體及附件上的肌肉、黃韌帶及硬膜囊，避免破壞正常的骨性結構；觀察脊柱對應節(jié)段椎體與3D打印之人工椎體間是否存在形態(tài)結構上的差異；取出相應節(jié)段椎體，置換為人工椎體，觀察整個脊椎有無形態(tài)變化。

2結果
20例均成功通過3D打印制造出“蜂窩狀”人工 椎體，觀察人工椎體與手術取出的相應節(jié)段椎體之高度、徑線等基本一致（圖3）。置換為人工椎體的脊柱除破壞了上下椎間盤導致脊柱高度輕微丟失外，未見其他明顯形態(tài)變化。

3討論
脊柱的解剖結構相對于其他骨關節(jié)部位要復雜得多，普通二維CT、MRI及X線片等醫(yī)學影像資料難以顯示椎體形態(tài)變化的連續(xù)性與完整性，很難為復雜的脊柱外科手術提供全面的解剖信息，對于嚴重的脊柱畸形、脊柱創(chuàng)傷導致的病理形態(tài)改變尤其如此。盡管目前的脊柱二維CT及三維重建等醫(yī)學影像能使脊柱復雜的解剖結構、骨折移位等病理改變獲得更好的顯示，但仍然只是提供平面圖像，難以為脊柱外科手術的釘道設計等提供立體影像。而應用3D打印技術，不僅可在術前準確地對椎弓根釘的進釘點、進釘方向與角度等方面進行設計，模擬手術過程，還可以在術中復雜術野下準確判斷病變部位，在復雜的脊柱結構上精確定位內固定裝置，使復雜的手術簡單化，大大縮短手術時間，減少術中出血，從而提高手術安全性，改善預后。本研究結果顯示，3D打印能很好地顯示椎體局部形態(tài)。另外，個性化人工椎體的“蜂窩狀”多孔設計不僅能有效削減和避免“應力遮蔽”，還為促進植骨融合提供誘導和空間。

脊柱3D打印的優(yōu)點：
①術前制備個性化椎體和三維模型，可進行術前手術模擬；
②個性化椎體直接用于手術，減少手術時間、術中出血及并發(fā)癥的發(fā)生；
③手術操作精準，個性化椎體置入更加簡便、安全；
④“蜂窩狀”的人工椎體設計大大增加了植骨的融合率，降低了植骨不融合、置入物脫位、置入物壓縮變形的風險；
⑤更加符合國人脊柱解剖特點。

D'Urso等應用3D打印技術為1例侵犯枕骨大 孔的樞椎椎體骨母細胞腫瘤患者打印了3D模型，通 過術前觀察與手術規(guī)劃，順利為該患者完整切除腫 瘤。VanDijk等對4例脊椎腫瘤患者的脊柱實體模型進行術前規(guī)劃，模擬腫瘤切除和椎體重建手術，并為患者定制了置入假體及椎弓根釘等內固定裝置，結果證明，所有模型都為手術提供了必要的信息，部分細節(jié)內容甚至影響了術前手術決策的制定，使手術得以順利完成，術中所見與模擬手術十分吻合，置入物與內固定裝置也相當精確。Izatt等對脊柱實物模型在脊柱外科手術中的實用性進行了量化研究，用數據顯示了3D技術在脊柱外科的重要性，對26例（脊柱畸形21例，脊柱腫瘤5例）28個脊柱椎體進行了三維重建并獲得實物模型，通過觀察脊柱實物模型，制定手術方案，并為腫瘤切除及畸形矯正后定制置入物；

結果顯示，65％的患者可以通過3D模型獲得比傳統(tǒng)醫(yī)學影像資料更為全面的信息，11％的患者獲得了只有3D模型才能提供的可影響手術操作的相關信息，52％的患者因實物模型的應用改變了術前手術決策，甚至有74％的患者因此改變了置入物的置入部位；術中證實約39％的實物模型提供的解剖信息和術中所見完全相同，還有58％的實物模型解剖和術中解剖也沒有太大差異，只有1例差異稍大；通過實物模型的應用，均不同程度地縮短了手術時間（脊柱畸形手術縮短約22％的操作時間，而脊柱腫瘤手術縮短約 8％）。Guarino等的研究也得出類似結論，即通過對 脊柱實物模型的觀察與模擬手術，能夠為手術決策的制定與術中操作提供可靠的信息。兒童脊柱實物模型的應用能夠明顯提高小兒脊柱手術的安全性，同時大大縮短手術時間，從而最大限度地減少了手術創(chuàng)傷，為術后恢復創(chuàng)造條件。Yang等應用3D打印技術順利完成了1例樞椎腫瘤破壞的切除與術后重建手術，成功克服了傳統(tǒng)重建技術難以獲得滿意支撐與良好功能的難題。

3D打印材料的生物相容性、生物力學性能等仍 需不斷探索，這在很大程度上限制了其作為個性化置入物在醫(yī)學上的應用。個性化椎體的制作時間較長，費用昂貴，據相關文獻報道，目前每完整打印一個脊柱實物模型需要大約1周的時間，花費為幾百至幾千美元不等，這也是限制其廣泛應用的一個重要原因。


文章部分來源：夏曉龍，陳揚，邱奕雁，楊欣建，張偉彬，楊澤雨  （深圳市第二人民醫(yī)院脊柱外科）