目前椎體結核、腫瘤、囊腫（zhǒng）、創傷所致椎體嚴重破壞的治療方（fāng）法主要為全椎體切除術，全椎（zhuī）體切除不僅對脊柱支撐、承載及緩衝的功能造成巨大影響，脊柱（zhù）的連續性也遭到破壞。因此，凡是行全椎體切除術者，無一例外需要重建脊柱的結構與生物力學的穩定性。傳（chuán）統的替代材料並非針對患者的個性化設計，需（xū）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（fā）症的控製方麵難以把握。3D打印技術是一種綜合應用了計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助製造（CAM）、數控技術、新型高分子材（cái）料、激光技術、三維CT等（děng）技術的（de）高科技製造方法。得益（yì）於精（jīng）細度（dù）高、成品堅固、可複製複雜的幾何模型等因素，越來越多的行業領（lǐng）域樂於采用3D打印的（de）方（fāng）式。北（běi）醫三院就應用3D打（dǎ）印技術完（wán）成了多例脊柱手術，並（bìng）且取得了良好的效果。北醫（yī）三院3D打印（yìn）人工樞椎植入已完成6例，都獲得很好的治療結（jié）果（guǒ）。

 

隨著3D打印技術逐（zhú）步（bù）引入脊（jǐ）柱外科應用（yòng），使個性化脊 柱重建成為（wéi）脊柱外科的（de）手術目標。該技術可（kě）定（dìng）製符（fú）合患者脊柱力學分布特點的個性化人工椎體，同（tóng）時為術前明確脊柱病變部位、椎（zhuī）體破壞範圍提供可視化模型，為脊柱腫瘤、炎症等侵犯（fàn）周圍軟組織情（qíng）況（kuàng）及脊柱創傷對鄰近結構的（de）損傷提供更為準確直觀的證（zhèng）據支持。本研究采用3D打印技術製作豬的脊柱，探討個性化人工椎體在脊柱外科應用的（de）可行性。接下來，我們應用（yòng）3D打印技術製作豬脊柱個性化椎體的過程，探討3D打印技（jì）術在脊柱（zhù）外科應用的可行性，並為 進一步進行人（rén）工椎體（tǐ）的生物相容性與生（shēng）物力學性能測試提（tí）供實體（tǐ）。

 此（cǐ）次研究流程是：

1）.通過對20頭紫（zǐ）金藍塘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（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（chú），得到滿（mǎn）意的3D圖（tú）像，並以STL格（gé）式保存。

3）.應用SolidWorks軟件優化設計具有不同孔隙大小、孔隙率等特征的複雜多孔結（jié）構。

4）.再通（tōng）過（guò）選（xuǎn）擇性激光熔化（SLM）技術（shù）打印出最終（zhōng）的人工椎體。

5）.然後（hòu），手術取（qǔ）出豬的整個7節腰椎，並將對應節段置換成人工椎體。

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

結果通過3D打印的人工椎體與手術取出的豬的相應節段椎體形態結構完全相（xiàng）符，置（zhì）換後脊柱形態與術前未發生明顯（xiǎn）變化。結論應用3D打印技術能夠實現（xiàn）複雜結構的椎體個性化製作，為被破壞的（de）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研究對象

選取（qǔ）20頭平均12（10~15）個月齡、體重平均53（48~56）kg的紫金藍塘草（cǎo）豬為（wéi）本次研究的對象，均未發（fā）現脊柱畸形及椎體（tǐ）破壞。分別選取L3~5椎體（L36例（lì），L48例，L56例）作（zuò）為目標椎體。

 

1.2 3D打印椎體的製作（zuò） 

 

1.2.1 數據收集

應（yīng）用64排（pái）螺旋CT機對（duì）目標椎體及鄰近節段解剖結構進行連續斷層掃描獲得其DI-COM醫學數字圖（tú）像標準數據，將DICOM格式文件導入到MIMICS軟（ruǎn）件（jiàn）中，得到椎（zhuī）體斷層圖，從3個不同 視角分別顯示掃描得到的斷麵圖，初步建（jiàn）立椎體的三維模型。通過（guò）對圖像灰度及對比度的調整，去掉椎體周圍軟組（zǔ）織陰影，從而對目標窗口椎（zhuī）體圖像進行閾值（zhí）界定，同時還可以對斷麵影像進行修補和擦除，得到完整的三維模型。利用（yòng）Ansys軟件（jiàn）對椎體三維（wéi）模型（xíng）進行網格劃分，經（jīng）過精減（jiǎn）網格（gé）、優化網格質（zhì）量及光滑處理後，最終得（dé）到滿意的3D圖像，並以STL格（gé）式保存。

 

1.2.2 椎體替代物材料的選擇與多孔“蜂（fēng）窩狀”人工（gōng） 椎體（tǐ）設計

充分發揮選擇性激光熔化（SLM）技術在（zài） 複雜結構（gòu）成（chéng）型方麵的優勢，采用SolidWorks專業軟件優化設計以12麵體為（wéi）陣列單元，具有不（bú）同孔隙大小、孔隙率等重要特征的三維連通（tōng）的複（fù）雜多孔（kǒng）結構。在（zài）多孔結構的仿真分析方麵，采用ANSYSWorkbench專業（yè）軟件，利用有限元工作方式將連續的彈性體離散成為有限個單元，應用單元（yuán）位（wèi）移函數（shù），通過對單元進行力學分析（xī），從而獲得整（zhěng）個連續體的力學性質特征。結合（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（sù）性變形（xíng）的結構特征進行優化。多孔鈦及鈦合金由於具有獨特的（de）孔隙結構，通過（guò）改變孔隙形狀（zhuàng）、孔隙大小、孔隙率及孔（kǒng）隙（xì）的連通分布（bù）等（děng）因素，改變其力學性（xìng）能，能夠獲得與人（rén）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打印機製備成具有多孔“蜂窩狀（zhuàng）”人工椎體（tǐ），空隙大小控製在（zài）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（zhuàng）”人工椎體可以作（zuò）為一個載體，內部可以放（fàng）置BMP甚至骨粉，不（bú）僅起到（dào）了承重、連接的作用，同時多孔的結構（gòu）有利於骨（gǔ）細胞的黏附生長和體（tǐ）內營養物質的傳輸。

 

 

1.2.3應用SLM技術打印人工椎體SLM技術是增 

 

材製造技術的（de）一種，此類技術通過“層層疊加”的原理，部分或（huò）者全部熔化金（jīn）屬粉末，可直接實現CAD模（mó）型（xíng）到實（shí）物的轉（zhuǎn）換。根據（jù）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。由於DMLS和SLS燒結技術的不足。

 

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

①通過專業軟件將（jiāng）模具的3D模型分層，同時進行運算，生成每一層的（de）路徑；

②在充滿惰性氣體的金屬鈦粉（fěn）缸內，掃描（miáo）振鏡控製激光束作用於待成型（xíng）區域內的鈦粉，一層掃描完（wán）畢後，活塞缸內的活塞隨（suí）之下降一個（gè）層厚的距離；

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）積於已成型層之上；

④重複步驟①、②成（chéng）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（sāi）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（má）醉後俯臥（wò）於 手術台上，正規消毒、鋪巾，以定位的L4椎體為中心切開皮膚、皮下及筋膜，剝離肌（jī）肉附著點（diǎn），充分顯（xiǎn）露整個脊柱腰段；沿L1椎體上緣及L7下緣椎（zhuī）間盤切開，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（duàn）；仔細剔除附著於椎體（tǐ）及附件上的肌肉、黃韌帶及硬（yìng）膜囊，避（bì）免破壞正常的骨（gǔ）性結構；觀察脊柱對應節段椎體與3D打印之人工椎體間是否存在（zài）形態結構上的差異；取出相應（yīng）節段椎體，置換（huàn）為人工椎體，觀察整個脊椎（zhuī）有無形態變化。

 

2 結果 

 

20例均（jun1）成功通過3D打印製造出“蜂窩（wō）狀”人工 椎體，觀察人（rén）工椎體與（yǔ）手術取（qǔ）出（chū）的（de）相應節段椎體之高度（dù）、徑線（xiàn）等基本一（yī）致（圖3）。置換為人工椎體的脊柱除破壞了上下椎間盤導（dǎo）致脊（jǐ）柱高度輕（qīng）微丟失（shī）外，未見（jiàn）其他（tā）明顯形態變化。

 

3 討論

 

脊柱的解剖結構（gòu）相對（duì）於其他骨關（guān）節部位要複雜得多，普通二維CT、MRI及X線片等醫學影像（xiàng）資料難以顯示（shì）椎體形態變化的連續性與完整性，很難為複雜的脊柱（zhù）外科手術提供全麵的解剖信（xìn）息，對於嚴重的脊柱畸形、脊柱創傷導致的病理（lǐ）形態改變尤其如此。盡（jìn）管目前的脊柱二維CT及三維重建等醫學影像能（néng）使脊柱（zhù）複（fù）雜的解剖結構、骨折移位等病理改（gǎi）變獲（huò）得（dé）更好（hǎo）的顯示，但仍然隻是提供平麵圖像，難以為脊柱外科手術的釘道設（shè）計等提供立體影像。而應用3D打印技術，不（bú）僅可在術（shù）前準確地對椎弓根釘的進釘點、進釘方向與角（jiǎo）度等方麵（miàn）進行設計，模擬手術過程，還可以在術中複雜術野下準確判斷病變部位，在複雜的脊柱結構上精確定位內固定裝（zhuāng）置，使複雜的手術簡單化，大大縮短手術時間，減少術中出血，從而提（tí）高手術安（ān）全性，改（gǎi）善預（yù）後。本研究結果顯示，3D打印能很（hěn）好地顯示椎體局部（bù）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（bì）免“應力（lì）遮蔽（bì）”，還為促進植骨（gǔ）融合提供誘導和空間。

 

 脊柱3D打印的優點：

①術前製（zhì）備個性化椎體和（hé）三維模型，可進行術前手（shǒu）術模擬；

②個性化椎體直接用於手術，減少手術時間、術中出血及並發（fā）症的發生；

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（de）人工椎體設計大大增加了植骨的融合率，降低了植骨（gǔ）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（mǔ）細胞腫（zhǒng）瘤患者打印了（le）3D模型，通（tōng）過術前觀察與手術規劃，順利為該患者（zhě）完整切除腫瘤（liú）。VanDijk等對4例脊椎腫瘤患者的脊柱實體模型進行術前規劃，模擬腫瘤切除和椎（zhuī）體重建手術（shù），並為患者定製了置（zhì）入假（jiǎ）體及椎弓根釘等內固（gù）定裝置，結果證明，所有模型都為手術提供了必要的信息，部分細節內容甚至影（yǐng）響了術前手術決策的製定，使手術得以順（shùn）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（zhuāng）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（háng）了量化研究，用數據顯示了3D技（jì）術在脊柱外科的重要（yào）性，對26例（lì）（脊（jǐ）柱畸形21例，脊柱腫瘤5例（lì））28個脊柱椎（zhuī）體進行了三維重建並獲得實物模型，通過觀察（chá）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（zhì）置入物；

 

結（jié）果顯示，65％的患者可以通過3D模型獲得比傳統醫學（xué）影像資料更為全麵的信息，11％的患者獲得（dé）了隻有3D模型才能提（tí）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（de）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（wán）全相同，還有（yǒu）58％的實物模型解剖和術（shù）中解剖也沒有太（tài）大差異，隻有1例差異稍大；通（tōng）過實物模型的應用，均不（bú）同程度地縮（suō）短了手（shǒu）術時間（脊（jǐ）柱畸形手術縮短約22％的操作時間，而脊柱腫瘤手術縮短（duǎn）約 8％）。Guarino等的研究也得出（chū）類似結論，即通過對 脊柱實物模型的觀察與模擬手術，能夠為手術決策的製（zhì）定與術中操作提供可靠的（de）信息。兒童脊柱實（shí）物模型的應用（yòng）能夠明顯提（tí）高小兒脊柱手術的安全性，同時大大縮短手術時間，從（cóng）而（ér）最大限度地減少了手術創傷，為術後恢複創造條件。Yang等（děng）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後重建手術，成功克服了傳（chuán）統重建技術難（nán）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（zài）很大程（chéng）度上限（xiàn）製了其作（zuò）為個性化置入物在醫學上的應用。個性化椎體（tǐ）的製作（zuò）時間較長（zhǎng），費用昂貴，據相關文獻報（bào）道，目前每完整打（dǎ）印一個脊柱實物模型需要大約1周的（de）時間，花費為幾百至幾（jǐ）千美元不等，這也是限製其廣泛應用的一（yī）個重要原因。