目前椎體結核、腫瘤、囊腫、創傷所（suǒ）致椎體嚴重破壞的治療方法（fǎ）主要為全椎體切除術，全椎體切除（chú）不僅對脊柱支撐、承載及緩衝的功（gōng）能（néng）造成巨大影響，脊柱的連續性也遭到破壞。因此，凡是行全椎體切除術者，無一例外需（xū）要重建（jiàn）脊柱的結構與生物（wù）力（lì）學的穩定性。傳統的替代材料並非針對患者的個性化設計，需要臨床醫師根據術中情況臨時塑形，在手術時間、術中出血、並發症（zhèng）的控（kòng）製方麵難以把（bǎ）握。3D打印技術是一種綜合（hé）應用了計算機輔（fǔ）助設計（CAD）、計算機輔助製造（CAM）、數控（kòng）技術、新型高分子材料、激光技術、三維CT等技術的高（gāo）科（kē）技製造方法。得益於精細（xì）度高、成品堅固、可（kě）複製複雜的幾何模型等（děng）因素，越來越多的行業（yè）領域樂於采用3D打印的方（fāng）式。北醫三院就應用3D打印技術完成了多例脊柱手術，並（bìng）且取得了良好的效果。北醫三院3D打印人工樞椎植（zhí）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（gè）性化脊 柱重建成為脊柱外科的手術目標。該技術可定製符（fú）合患者脊柱力學分布特點（diǎn）的個（gè）性化人（rén）工椎體，同時為術前明確脊柱（zhù）病變部位、椎體破壞範（fàn）圍提供可視化模型，為脊柱腫瘤（liú）、炎症等侵犯周圍軟（ruǎn）組織情況及脊柱創傷（shāng）對鄰近結構的損傷（shāng）提供更為準確直觀的證據支持。本研究采用3D打印技術製作豬的脊（jǐ）柱，探（tàn）討個性化人工椎體在脊（jǐ）柱外科應用的可行（háng）性。接下來（lái），我們應用3D打印技術製作豬脊柱個性化（huà）椎體的過程，探討3D打（dǎ）印技術在脊柱外科應用的可行性，並（bìng）為 進一步進行人工椎體的（de）生物相容性與生物力學性能測試提（tí）供實體。

 此次（cì）研究流程是：

1）.通過對（duì）20頭（tóu）紫金藍塘（táng）草豬的腰椎進行連續斷層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，並應用該軟件對斷麵影像進行修補和擦除（chú），得到滿意的3D圖像，並以STL格式保存。

3）.應用SolidWorks軟件（jiàn）優化設計具（jù）有不同孔隙大小、孔隙率（lǜ）等特征的複雜多孔結構。

4）.再通過選擇性激光熔化（SLM）技（jì）術打（dǎ）印出最終的（de）人工椎（zhuī）體。

5）.然後，手術取出（chū）豬的整個7節腰椎，並將對應節段置換（huàn）成人工（gōng）椎體。

6）.觀察人工椎體與豬脊柱椎體形態差異及椎體置換後整個腰椎形（xíng）態（tài）變化。

結果通過（guò）3D打（dǎ）印的人工椎體與手術取出的（de）豬的相應節段椎體（tǐ）形態結構（gòu）完全相符（fú），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（gòu）實現複雜結構（gòu）的椎體個性化製作，為被破壞的椎體實現個性化人工椎體置換提供新的（de）思路。

 

1 材料與方法

 

1.1研究對（duì）象

選取20頭平均12（10~15）個（gè）月齡、體重平均53（48~56）kg的紫金藍塘草（cǎo）豬為本次研究的對象，均未發現脊柱畸形及椎體破壞。分（fèn）別（bié）選取L3~5椎體（L36例，L48例，L56例）作為（wéi）目標椎體。

 

1.2 3D打印椎體的製作 

 

1.2.1 數（shù）據（jù）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連續斷層（céng）掃（sǎo）描獲得其DI-COM醫學數字圖像（xiàng）標準數據，將DICOM格式文（wén）件導入到MIMICS軟件中（zhōng），得（dé）到椎體斷層（céng）圖，從（cóng）3個不同 視（shì）角分別顯示掃描得到的斷麵圖，初步建立椎體（tǐ）的三維模型。通過對圖（tú）像灰度及對比度的調整，去掉椎體周圍軟組織陰影，從而（ér）對目標窗口椎體（tǐ）圖像進行閾值界定，同時還（hái）可以（yǐ）對斷（duàn）麵影像進行修補和擦（cā）除，得到完整（zhěng）的三維模型。利用（yòng）Ansys軟件對椎體三維模（mó）型進行（háng）網格劃分，經過精減網格、優化網格質（zhì）量及光滑（huá）處理後，最終（zhōng）得到滿意（yì）的3D圖像，並以STL格式保存。

 

1.2.2 椎體替代物材料的選擇（zé）與多孔“蜂窩狀”人工 椎體設計

充分發（fā）揮選擇性激光熔（róng）化（SLM）技術在 複雜結構成型方麵的優勢，采用SolidWorks專業軟件優化設（shè）計以12麵體為（wéi）陣列（liè）單元，具有（yǒu）不同孔隙大小、孔隙率等重要特征的三維連通的複雜多孔結構。在多孔結（jié）構的仿真（zhēn）分析方麵，采（cǎi）用ANSYSWorkbench專業軟件，利用有限元工作（zuò）方式將連續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，從而獲得整個連續體的力（lì）學性（xìng）質特征。結合多孔（kǒng）結構的應力和應變分布（bù）仿真模擬結果，可對存（cún）在應力集（jí）中或者明顯塑性變（biàn）形的（de）結構特征進行優化。多（duō）孔鈦及鈦合金由（yóu）於（yú）具有獨特的孔（kǒng）隙結構，通過改（gǎi）變孔隙形狀、孔（kǒng）隙大（dà）小、孔隙率及孔隙的連通分布等因（yīn）素，改變其（qí）力學性能，能夠獲得與人骨相匹配的彈性模量，從而減（jiǎn）弱甚至避免由“應力屏蔽”造成的問題。利（lì）用3D打印機製備（bèi）成具有多孔（kǒng）“蜂窩（wō）狀”人工椎體（tǐ），空隙大小控製在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（zhuī）體可以作（zuò）為一個載體，內部可（kě）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於骨（gǔ）細胞的黏附（fù）生長（zhǎng）和體內營養物質的傳輸。

 

 

1.2.3應（yīng）用SLM技術打印（yìn）人（rén）工椎體（tǐ）SLM技術是增 

 

材製造技術的（de）一種，此（cǐ）類技術通過“層層疊加”的原（yuán）理（lǐ），部分或者全部熔化金屬粉末，可（kě）直接實現CAD模型到（dào）實物（wù）的轉換。根據激（jī）光對金屬粉末的熔化方式，選擇性（xìng）激光快速成型技術可以分為（wéi）選擇性（xìng）激光燒結（DMLS或SLS）和（hé）SLM2大類。由於DMLS和SLS燒結技術的不足（zú）。

 

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

①通過專業軟件將模具的（de）3D模（mó）型分層，同時進行運算，生成每一層（céng）的（de）路徑；

②在充滿惰性氣體的金屬鈦粉缸內，掃描振鏡控製激光束作用於待成（chéng）型區域內的鈦粉，一層掃（sǎo）描完畢後，活塞缸內的活塞隨之下降一個層厚的距離；

③送粉（fěn）係統輸送一定（dìng）量的鈦粉（fěn），鋪粉係統（tǒng）鋪（pù）展一層厚的鈦粉沉積於已成型（xíng）層之上；

④重（chóng）複步（bù）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最後，活塞上推，從（cóng）成（chéng）型裝（zhuāng）備（bèi）中取（qǔ）出人（rén）工椎體（tǐ）。

 

1.3椎（zhuī）體取出（chū）與人工椎體（tǐ）置

 

換將豬麻醉後俯臥於 手術台（tái）上，正規消毒、鋪巾，以定（dìng）位的L4椎體為中心（xīn）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（zhuī）間盤切（qiē）開，分離上下關節突關節，離斷棘間韌帶與棘上韌帶，取出整個脊柱腰段；仔細剔除附著於椎體及（jí）附件上的肌肉、黃韌帶及硬膜囊，避免破壞正常的骨性結構；觀察脊柱對應節段椎體與3D打印之（zhī）人工椎體間是否存（cún）在形態結構上的差異；取出相（xiàng）應節段椎體，置換為人工椎體（tǐ），觀察整個脊椎有無形態變化。

 

2 結果 

 

20例均成功（gōng）通過3D打印製造出“蜂窩狀”人工 椎體，觀（guān）察人工椎體與手術取出的（de）相應節段椎體之高度、徑（jìng）線等（děng）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（dù）輕微丟失外，未見其他明顯形態變化。

 

3 討論

 

脊柱的解剖結構相對於（yú）其他骨關節（jiē）部位要複雜得多，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）變化的連續性與完（wán）整性，很難為複雜（zá）的脊柱外科手術提供（gòng）全（quán）麵的解剖信息（xī），對（duì）於（yú）嚴重（chóng）的脊柱（zhù）畸（jī）形、脊柱創傷導（dǎo）致的病理形態改變尤其如此。盡管目前的脊柱二維CT及三（sān）維重建等醫學影像能使脊柱複雜的解剖結構、骨折移位等病理改（gǎi）變（biàn）獲得更好的顯示，但仍然隻是提供平麵圖（tú）像，難以為脊（jǐ）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（zhuī）弓根釘的進釘點、進釘方向與角度等方麵進行設計，模擬手術過程，還可（kě）以在術中複雜術野下準（zhǔn）確判斷病變部位，在複雜的脊柱結構上精確定（dìng）位（wèi）內固定裝置，使（shǐ）複雜的手術簡單化，大大縮短手術（shù）時間，減少術中出（chū）血，從而提高手術安全性（xìng），改（gǎi）善預後。本（běn）研究結果顯示，3D打印（yìn）能很好地顯示椎體局部形態。另外（wài），個性（xìng）化人工椎體的“蜂（fēng）窩狀”多孔（kǒng）設計（jì）不（bú）僅能有效削減和避免“應力遮（zhē）蔽”，還為促進植（zhí）骨融合提供誘導和空間。

 

 脊柱3D打印的優（yōu）點：

①術前製（zhì）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（yòng）於手術，減少手術時間、術中出血及並（bìng）發症的發生；

③手術操作精準，個性化椎體置入（rù）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（rù）物脫位、置入物壓縮變形的風險；

⑤更加符（fú）合國人脊（jǐ）柱解剖特點。

 

D'Urso等應用（yòng）3D打印技術為1例（lì）侵犯枕（zhěn）骨大孔的樞椎（zhuī）椎體骨母細胞腫（zhǒng）瘤患者打印了3D模型，通過術前觀察與手術規劃（huá），順利為該患者完整切除腫瘤。VanDijk等對4例脊（jǐ）椎腫瘤（liú）患者的（de）脊柱實體（tǐ）模型進行術前規劃，模擬腫瘤切除和椎體重建手術（shù），並為患者定（dìng）製了置入假（jiǎ）體及椎弓根釘等內固定裝置，結果證明，所有模型都為手術（shù）提供了必要的信息，部分細節內容（róng）甚至影（yǐng）響了術前手術決（jué）策（cè）的（de）製定，使手術得以順利完成，術中所見（jiàn）與模擬手術十分吻合（hé），置（zhì）入物與內固定裝置也相（xiàng）當精確。Izatt等對（duì）脊柱（zhù）實物模（mó）型在（zài）脊柱外科手術中的實用性進行了量（liàng）化研究，用數據顯示了3D技術（shù）在脊（jǐ）柱外科的重要（yào）性，對26例（脊柱畸形21例，脊柱腫瘤5例（lì））28個脊柱椎（zhuī）體進行（háng）了三維重建並（bìng）獲得（dé）實物模型，通過觀察脊柱實物模型，製定手術方案，並為（wéi）腫瘤切除及畸形矯正後定製置入物；

 

結果顯示，65％的患者可以通過3D模型獲（huò）得比傳統醫學影像資料更為全麵的信息，11％的患者獲得了隻有3D模型才能提供的可影響手術（shù）操作的相關信息（xī），52％的患者因實物模型的（de）應用改變了術前手（shǒu）術決策，甚至有（yǒu）74％的患者因此改變了置入物的置入部位；術中證（zhèng）實約39％的實物（wù）模型提供的解剖信息和術中所見完全相（xiàng）同，還有58％的實物（wù）模型解剖和術中解剖也沒有（yǒu）太（tài）大差（chà）異，隻（zhī）有1例差異稍大；通過（guò）實物模型的應用，均不同程度地縮短了手術時間（脊柱畸（jī）形手術縮短（duǎn）約22％的操作時間，而脊柱腫瘤手術縮短約 8％）。Guarino等的研究（jiū）也得出類似結論，即通（tōng）過對 脊柱實物模型的觀察與模擬手術（shù），能夠為（wéi）手（shǒu）術決策的製定與術中操作（zuò）提供可靠的信息。兒童脊柱實物模型的應用（yòng）能夠明顯提（tí）高小兒脊柱手術（shù）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傷，為術後恢複創造條件。Yang等應用3D打印技術（shù）順利完成了1例樞椎腫（zhǒng）瘤破壞的切除與術後重建手術，成功克服了傳統重建技術難以（yǐ）獲得滿意（yì）支撐與良好功能的難題（tí）。 

 

3D打印材料的生物相容性、生物力學（xué）性能等仍需不斷（duàn）探（tàn）索，這在很（hěn）大程度上限製了其作為（wéi）個性化置入（rù）物在醫學上的應用。個性化椎（zhuī）體的製作時間較長（zhǎng），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（xíng）需要大約1周的時間，花費（fèi）為幾百至幾千（qiān）美元不等，這也是限製其廣泛應用（yòng）的一個重要原因。