目前椎體（tǐ）結核、腫瘤、囊腫、創傷所致椎體嚴重破（pò）壞的治療方法主要為全椎體切除術，全椎體切除不（bú）僅對脊柱支撐、承載及緩衝的功能造成巨大影響，脊柱的連續性也（yě）遭（zāo）到（dào）破壞。因此（cǐ），凡是行全椎體切（qiē）除術者，無一例外需要重建脊（jǐ）柱的結構與生物力學的穩定性。傳統的替代材料並（bìng）非針對（duì）患者（zhě）的個性（xìng）化設計，需要臨床醫師根據術中情況（kuàng）臨時（shí）塑形，在手術時間、術（shù）中出血、並發症（zhèng）的控製方麵難以把握。3D打印技術是一（yī）種綜合應用了計算機輔助設計（CAD）、計（jì）算機輔（fǔ）助製造（CAM）、數控技術（shù）、新型高分子材料、激光技術、三維CT等技術的高科技製造方法。得益於精細度高、成品堅固、可複製複雜的幾何模型等因（yīn）素，越來越多的行業領域樂於采用3D打印的方式。北醫三院就應用3D打印技術完成（chéng）了多例脊柱手術，並且取得了良好的效果。北醫三院3D打印人工樞椎植入已完（wán）成（chéng）6例，都（dōu）獲得很好的治療結果。

 

隨著3D打印技（jì）術逐步引入脊柱外科應用，使（shǐ）個性化脊 柱重建成為脊柱外科的手術目（mù）標。該技術可定製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（zhù）病（bìng）變部位、椎體（tǐ）破壞範圍提供可（kě）視化模型，為脊柱腫瘤、炎症等（děng）侵犯周圍（wéi）軟組織情況及脊柱創傷對鄰近結構的損傷提（tí）供更為準確直觀的證據支（zhī）持。本研究（jiū）采用3D打印技術製作豬的脊柱，探討（tǎo）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打印技術製作豬脊柱個性化椎體的過程，探討3D打（dǎ）印技術在脊柱外科應用的可（kě）行性，並為 進一步進行（háng）人工椎體的生物（wù）相容性與生物力學性能測試（shì）提供（gòng）實（shí）體。

 此次研究流程是：

1）.通過對20頭紫金藍塘草豬的（de）腰椎進行連續斷層CT影像采（cǎi）集，獲得豬腰椎DICOM影像（xiàng）數據（jù）。

2）.將所獲得的影響數據導入MIMICS軟件中，並應用該軟件對斷麵影像進行修補和擦除，得到滿意的3D圖（tú）像，並以STL格式保存。

3）.應用SolidWorks軟件優化（huà）設計具有不同孔隙大小（xiǎo）、孔隙率等特征的複（fù）雜多孔結構。

4）.再通過選（xuǎn）擇性激光（guāng）熔化（SLM）技術打印出最終的人工椎體。

5）.然後（hòu），手術取出豬的整（zhěng）個（gè）7節腰椎，並將對應節段（duàn）置（zhì）換（huàn）成人工椎體。

6）.觀（guān）察人工椎體與豬脊柱椎體形態差異及椎體置換（huàn）後整個腰椎形態變化。

結果通過3D打印的人工椎體與手術（shù）取出（chū）的豬的相應節段（duàn）椎體形（xíng）態結構完全相符，置換後脊柱形態與術前未發生明顯變化。結論應用3D打印技術能夠實現複雜（zá）結構的椎體個性化製作，為被（bèi）破壞的（de）椎體實現（xiàn）個性化人（rén）工（gōng）椎體置換提供新的思路。

 

1 材料與方法

 

1.1研究對象

選取20頭（tóu）平均（jun1）12（10~15）個月齡、體（tǐ）重平均53（48~56）kg的紫金藍塘草豬（zhū）為本（běn）次研究的對象，均未發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（wéi）目標椎體。

 

1.2 3D打印椎體的（de）製作 

 

1.2.1 數據收集

應用64排螺（luó）旋CT機對目標椎體及鄰近節段解剖結構進行（háng）連續斷層掃描（miáo）獲（huò）得其DI-COM醫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（zhuī）體斷層圖，從3個不同 視角分別顯示（shì）掃描得到的斷麵圖，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（yǐng），從而（ér）對目標（biāo）窗口椎體圖（tú）像進行（háng）閾值界定（dìng），同時還可以對斷麵影（yǐng）像進行修補和擦除，得到完整的三維模型。利用Ansys軟件（jiàn）對椎體三維模型進行網格劃分，經過精減網格、優化網格質量及光滑處理後，最終得到滿意的3D圖像，並以STL格式（shì）保存（cún）。

 

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

充分發揮選擇性激光熔化（SLM）技術在 複雜結構成型（xíng）方麵的優（yōu）勢，采用SolidWorks專業軟件優化設計以12麵體為陣列單元，具有不同（tóng）孔隙大小、孔隙率等重要特征的三維（wéi）連通（tōng）的複雜多（duō）孔結構。在多孔結構的仿真分析方麵（miàn），采用ANSYSWorkbench專業軟件，利用有限元工作方式將連續的彈性體離散（sàn）成（chéng）為有限個單元，應用單元位移函數，通過（guò）對單元進行力學（xué）分析，從而（ér）獲得整個連續體的（de）力學性質特征。結（jié）合（hé）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（zhēng）進行優（yōu）化。多孔鈦及鈦合金由於具有獨特的孔隙結構，通過改變（biàn）孔隙形狀、孔隙大（dà）小（xiǎo）、孔隙（xì）率（lǜ）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（cóng）而減弱甚至（zhì）避免（miǎn）由“應力屏蔽”造成的問題。利（lì）用3D打印機製備成具有多孔“蜂窩狀”人工椎體，空隙大小控製在100μm，可以保證細（xì）胞在椎體（tǐ）內自由生長，促進植（zhí）骨融合（圖1）。同時“蜂窩狀”人工椎體可以作為（wéi）一個載體，內部可以放置BMP甚（shèn）至骨粉，不僅起到了承重、連接的作用，同時多孔的結構有利於骨細胞的黏附生長和體內營養物質的傳輸（shū）。

 

 

1.2.3應用SLM技術打印人工椎體SLM技術是增 

 

材（cái）製造技術的一種，此類技術通過“層層疊加”的原理（lǐ），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（jīn）屬粉末的熔（róng）化方式，選擇性激光快速成型技術可以分為選擇性激光燒（shāo）結（DMLS或SLS）和SLM2大類。由於DMLS和（hé）SLS燒結技術的不足。

 

本項目使用先進的（de）Renishaw3D打印機，打印精度為0.3mm，打印過程（chéng）：

①通（tōng）過專（zhuān）業軟件將模具的（de）3D模型分（fèn）層，同時進行運算（suàn），生成每一層的路徑；

②在充滿惰性氣體的金屬鈦粉缸內，掃描振鏡控製激光（guāng）束作用於待成型區域內的鈦粉，一層掃描完（wán）畢後，活（huó）塞缸（gāng）內的活塞隨之下（xià）降一個層厚的（de）距（jù）離；

③送粉係統輸送一定量的鈦粉，鋪粉係統鋪展一層厚的鈦粉沉（chén）積於已成型層（céng）之上；

④重複步（bù）驟①、②成型過程（chéng），直至所有3D模型的切片層全部掃描完畢；

⑤最後，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

 

換將豬麻醉後俯臥於 手術台上，正規消毒、鋪巾，以定位的L4椎體為中（zhōng）心切開皮膚、皮下及筋膜，剝離肌肉附著點，充（chōng）分顯露（lù）整個脊柱（zhù）腰段；沿L1椎體上緣及L7下緣椎間盤切開，分離上下關節突關節，離斷棘間韌（rèn）帶與棘上韌帶，取出整個脊柱腰段；仔細剔除附著於椎體及附件上的肌肉、黃韌帶及（jí）硬膜囊，避免破壞正常的骨性結（jié）構；觀察脊柱對應節段椎體與3D打印之人工椎體間是否存（cún）在形態結構上的差異；取出相應節段椎（zhuī）體，置換為人工椎體，觀察整個脊椎有無形態變化（huà）。

 

2 結果（guǒ） 

 

20例均成（chéng）功通過（guò）3D打印製造出“蜂窩狀”人工（gōng） 椎體（tǐ），觀察人工椎（zhuī）體與手術取出的相應節段椎體之高度、徑線等基本一致（圖3）。置（zhì）換為人工椎（zhuī）體的脊柱除破壞了上下椎間盤導致脊柱高度輕微丟失外（wài），未見其他明顯形態變化。

 

3 討論

 

脊柱的解剖結構相對於其他骨關節（jiē）部位要複雜得（dé）多，普通二維（wéi）CT、MRI及X線片等醫學影像資料難以顯示椎體形態變（biàn）化的連（lián）續性與完整（zhěng）性，很（hěn）難為（wéi）複雜的脊柱外科手術提供全麵的解剖（pōu）信（xìn）息，對於嚴重的脊柱畸形、脊柱創傷導致的病（bìng）理形態改變尤其如此。盡管目前的脊（jǐ）柱二維（wéi）CT及三維重建等醫（yī）學影像能使脊柱複雜的解剖結構、骨折（shé）移位等病理改變獲得更好的顯示（shì），但仍然隻是提供平麵圖像，難以為脊（jǐ）柱外科手術（shù）的釘道設計等提供立體影（yǐng）像。而應用3D打印技術（shù），不僅可在術前準確地對椎弓（gōng）根（gēn）釘的（de）進釘點、進釘方向與角（jiǎo）度等方麵進行設計（jì），模（mó）擬手術過程，還可以在術中（zhōng）複雜術（shù）野下準確判斷病變部位，在複雜的脊柱（zhù）結構上精確定位內固定裝置，使複雜的手術簡單化，大大縮短（duǎn）手術時間，減（jiǎn）少術中出血，從而提高（gāo）手術安全性，改善預後。本研究結果（guǒ）顯示，3D打印能很好地顯示椎體局部（bù）形態。另外，個性（xìng）化人工（gōng）椎體的“蜂窩（wō）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（zhù）3D打印（yìn）的優（yōu）點：

①術前製備（bèi）個性化椎體和三維模（mó）型，可進行術前（qián）手（shǒu）術模擬；

②個性化椎體直接用於手術，減少手術時間（jiān）、術（shù）中出血（xuè）及（jí）並發症（zhèng）的發生；

③手術操作精準（zhǔn），個性化椎體置入更加簡便、安全；

④“蜂（fēng）窩狀（zhuàng）”的人工椎體設計大（dà）大增加了植骨的融合率，降低了植骨不融合（hé）、置（zhì）入物脫（tuō）位、置入物壓縮變形的（de）風險；

⑤更加符合國（guó）人脊柱解剖特點。

 

D'Urso等應用3D打印技術為1例侵犯枕（zhěn）骨大孔的樞椎椎體骨母（mǔ）細胞腫瘤患（huàn）者打印了3D模型，通過術前觀（guān）察與手術規劃，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（tǐ）模型進行術前規劃，模擬腫瘤切除（chú）和椎體重建（jiàn）手術（shù），並為患者定製了置入假體及椎弓根釘等內（nèi）固定裝置（zhì），結果證明，所有模型都為手術提（tí）供了必要的信息，部分細節內容甚（shèn）至影響了術前手術決策的製定，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（nèi）固定裝置（zhì）也相當精確。Izatt等（děng）對脊柱實物模型在脊柱外（wài）科手術中的實用性進行了量化（huà）研究，用數據顯（xiǎn）示（shì）了3D技術在脊柱外科的重要性，對26例（脊柱畸形21例，脊（jǐ）柱腫瘤5例）28個脊柱椎體（tǐ）進行了三維重建（jiàn）並獲得實物模型，通過觀察脊柱實物模型，製定手術方案，並為腫瘤切除及畸形矯正後定製置（zhì）入物；

 

結果顯示（shì），65％的患者可以通過3D模型（xíng）獲得比傳統醫學影像資（zī）料更為全麵的信息，11％的患者獲得（dé）了隻（zhī）有3D模型才能提供的可影（yǐng）響手術操（cāo）作的相關信息（xī），52％的患者因實物模型的應用改（gǎi）變了術前手術決策，甚至有74％的患（huàn）者因此改（gǎi）變了置入物的置（zhì）入部位；術中證實（shí）約39％的實物模型提供（gòng）的（de）解剖信息和術中所（suǒ）見完全相同，還（hái）有58％的實物（wù）模型解剖和（hé）術（shù）中解剖也沒有太大差異，隻有1例差異稍（shāo）大；通過實物模型的應用，均不同程度地縮短了手術時（shí）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（guò）對 脊柱實（shí）物模型（xíng）的觀察與模（mó）擬手術，能夠為手術決策的製定與術中操作提供可靠的信息。兒童脊柱實物模（mó）型的應用（yòng）能（néng）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（dà）限度地減少了（le）手術創傷，為術後恢（huī）複創造條件。Yang等應用3D打（dǎ）印技術（shù）順（shùn）利（lì）完成了1例樞椎腫瘤破壞的切除與術後重建手術，成功克服（fú）了傳統重建技術難以獲得滿意（yì）支撐與良好功能的難題。 

 

3D打印材料的生物相（xiàng）容性、生物力學（xué）性能（néng）等仍需不斷探索，這在很大程度上限製了其作為個性化置入物（wù）在醫學上的應用。個性化（huà）椎體的製作時間較長（zhǎng），費用昂貴，據（jù）相關文獻報道，目前（qián）每完（wán）整打印一（yī）個脊柱實物模型需（xū）要大約1周的時間，花費為（wéi）幾百至幾（jǐ）千（qiān）美元不等，這也是限製其廣泛應用的一個重要原因。