【3D打印】解析3D打印技术应用于脊柱个性化椎体定制的实验研究

目前椎体结核、肿瘤、囊肿、创伤所致椎体严重破坏的治疗方法主要为全椎体切除术，全椎体切除不仅对脊柱支撑、承载及缓冲的功能造成巨大影响，脊柱的连续性也遭到破坏。因此，凡是行全椎体切除术者，无一例外需要重建脊柱的结构与生物力学的稳定性。传统的替代材料并非针对患者的个性化设计，需要临床医师根据术中情况临时塑形，在手术时间、术中出血、并发症的控制方面难以把握。3D打印技术是一种综合应用了计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、数控技术、新型高分子材料、激光技术、三维CT等技术的高科技制造方法。得益于精细度高、成品坚固、可复制复杂的几何模型等因素，越来越多的行业领域乐于采用3D打印的方式。北医三院就应用3D打印技术完成了多例脊柱手术，并且取得了良好的效果。北医三院3D打印人工枢椎植入已完成6例，都获得很好的治疗结果。

随着3D打印技术逐步引入脊柱外科应用，使个性化脊 柱重建成为脊柱外科的手术目标。该技术可定制符合患者脊柱力学分布特点的个性化人工椎体，同时为术前明确脊柱病变部位、椎体破坏范围提供可视化模型，为脊柱肿瘤、炎症等侵犯周围软组织情况及脊柱创伤对邻近结构的损伤提供更为准确直观的证据支持。本研究采用3D打印技术制作猪的脊柱，探讨个性化人工椎体在脊柱外科应用的可行性。接下来，我们应用3D打印技术制作猪脊柱个性化椎体的过程，探讨3D打印技术在脊柱外科应用的可行性，并为 进一步进行人工椎体的生物相容性与生物力学性能测试提供实体。

此次研究流程是

1）.通过对20头紫金蓝塘草猪的腰椎进行连续断层CT影像采集，获得猪腰椎DICOM影像数据。

2）.将所获得的影响数据导入MIMICS软件中，并应用该软件对断面影像进行修补和擦除，得到满意的3D图像，并以STL格式保存。

3）.应用SolidWorks软件优化设计具有不同孔隙大小、孔隙率等特征的复杂多孔结构。

4）.再通过选择性激光熔化（SLM）技术打印出最终的人工椎体。

5）.然后，手术取出猪的整个7节腰椎，并将对应节段置换成人工椎体。

6）.观察人工椎体与猪脊柱椎体形态差异及椎体置换后整个腰椎形态变化。

结果通过3D打印的人工椎体与手术取出的猪的相应节段椎体形态结构完全相符，置换后脊柱形态与术前未发生明显变化。结论应用3D打印技术能够实现复杂结构的椎体个性化制作，为被破坏的椎体实现个性化人工椎体置换提供新的思路。

1 材料与方法

1.1研究对象

选取20头平均12（10~15）个月龄、体重平均53（48~56）kg的紫金蓝塘草猪为本次研究的对象，均未发现脊柱畸形及椎体破坏。分别选取L3~5椎体（L36例，L48例，L56例）作为目标椎体。

1.2 3D打印椎体的制作

1.2.1 数据收集

应用64排螺旋CT机对目标椎体及邻近节段解剖结构进行连续断层扫描获得其DI-COM医学数字图像标准数据，将DICOM格式文件导入到MIMICS软件中，得到椎体断层图，从3个不同 视角分别显示扫描得到的断面图，初步建立椎体的三维模型。通过对图像灰度及对比度的调整，去掉椎体周围软组织阴影，从而对目标窗口椎体图像进行阈值界定，同时还可以对断面影像进行修补和擦除，得到完整的三维模型。利用Ansys软件对椎体三维模型进行网格划分，经过精减网格、优化网格质量及光滑处理后，最终得到满意的3D图像，并以STL格式保存。

1.2.2 椎体替代物材料的选择与多孔“蜂窝状”人工 椎体设计

充分发挥选择性激光熔化（SLM）技术在 复杂结构成型方面的优势，采用SolidWorks专业软件优化设计以12面体为阵列单元，具有不同孔隙大小、孔隙率等重要特征的三维连通的复杂多孔结构。在多孔结构的仿真分析方面，采用ANSYSWorkbench专业软件，利用有限元工作方式将连续的弹性体离散成为有限个单元，应用单元位移函数，通过对单元进行力学分析，从而获得整个连续体的力学性质特征。结合多孔结构的应力和应变分布仿真模拟结果，可对存在应力集中或者明显塑性变形的结构特征进行优化。多孔钛及钛合金由于具有独特的孔隙结构，通过改变孔隙形状、孔隙大小、孔隙率及孔隙的连通分布等因素，改变其力学性能，能够获得与人骨相匹配的弹性模量，从而减弱甚至避免由“应力屏蔽”造成的问题。利用3D打印机制备成具有多孔“蜂窝状”人工椎体，空隙大小控制在100μm，可以保证细胞在椎体内自由生长，促进植骨融合（图1）。同时“蜂窝状”人工椎体可以作为一个载体，内部可以放置BMP甚至骨粉，不仅起到了承重、连接的作用，同时多孔的结构有利于骨细胞的黏附生长和体内营养物质的传输。

1.2.3应用SLM技术打印人工椎体SLM技术是增

材制造技术的一种，此类技术通过“层层叠加”的原理，部分或者全部熔化金属粉末，可直接实现CAD模型到实物的转换。根据激光对金属粉末的熔化方式，选择性激光快速成型技术可以分为选择性激光烧结（DMLS或SLS）和SLM2大类。由于DMLS和SLS工艺属于粉末烧结技术，金属粉末在激光作用下未完全熔化，存在成型材料致密度低、强度较低、成型尺寸精度不高和表面粗糙等不足。采用SLM技术，由于金属粉末在激光能量作用下完全熔化，能够形成高致密度的材料（图2），避免了DMLS和SLS烧结技术的不足。

本项目使用先进的Renishaw3D打印机，打印精度为0.3mm，打印过程

①通过专业软件将模具的3D模型分层，同时进行运算，生成每一层的路径；

②在充满惰性气体的金属钛粉缸内，扫描振镜控制激光束作用于待成型区域内的钛粉，一层扫描完毕后，活塞缸内的活塞随之下降一个层厚的距离；

③送粉系统输送一定量的钛粉，铺粉系统铺展一层厚的钛粉沉积于已成型层之上；

④重复步骤①、②成型过程，直至所有3D模型的切片层全部扫描完毕；

⑤最后，活塞上推，从成型装备中取出人工椎体。

1.3椎体取出与人工椎体置

换将猪麻醉后俯卧于 手术台上，正规消毒、铺巾，以定位的L4椎体为中心切开皮肤、皮下及筋膜，剥离肌肉附着点，充分显露整个脊柱腰段；沿L1椎体上缘及L7下缘椎间盘切开，分离上下关节突关节，离断棘间韧带与棘上韧带，取出整个脊柱腰段；仔细剔除附着于椎体及附件上的肌肉、黄韧带及硬膜囊，避免破坏正常的骨性结构；观察脊柱对应节段椎体与3D打印之人工椎体间是否存在形态结构上的差异；取出相应节段椎体，置换为人工椎体，观察整个脊椎有无形态变化。

2 结果

20例均成功通过3D打印制造出“蜂窝状”人工 椎体，观察人工椎体与手术取出的相应节段椎体之高度、径线等基本一致（图3）。置换为人工椎体的脊柱除破坏了上下椎间盘导致脊柱高度轻微丢失外，未见其他明显形态变化。

3 讨论

脊柱的解剖结构相对于其他骨关节部位要复杂得多，普通二维CT、MRI及X线片等医学影像资料难以显示椎体形态变化的连续性与完整性，很难为复杂的脊柱外科手术提供全面的解剖信息，对于严重的脊柱畸形、脊柱创伤导致的病理形态改变尤其如此。尽管目前的脊柱二维CT及三维重建等医学影像能使脊柱复杂的解剖结构、骨折移位等病理改变获得更好的显示，但仍然只是提供平面图像，难以为脊柱外科手术的钉道设计等提供立体影像。而应用3D打印技术，不仅可在术前准确地对椎弓根钉的进钉点、进钉方向与角度等方面进行设计，模拟手术过程，还可以在术中复杂术野下准确判断病变部位，在复杂的脊柱结构上精确定位内固定装置，使复杂的手术简单化，大大缩短手术时间，减少术中出血，从而提高手术安全性，改善预后。本研究结果显示，3D打印能很好地显示椎体局部形态。另外，个性化人工椎体的“蜂窝状”多孔设计不仅能有效削减和避免“应力遮蔽”，还为促进植骨融合提供诱导和空间。

脊柱3D打印的优点

①术前制备个性化椎体和三维模型，可进行术前手术模拟；

②个性化椎体直接用于手术，减少手术时间、术中出血及并发症的发生；

③手术操作精准，个性化椎体置入更加简便、安全；

④“蜂窝状”的人工椎体设计大大增加了植骨的融合率，降低了植骨不融合、置入物脱位、置入物压缩变形的风险；

⑤更加符合国人脊柱解剖特点。

D'Urso等应用3D打印技术为1例侵犯枕骨大孔的枢椎椎体骨母细胞肿瘤患者打印了3D模型，通过术前观察与手术规划，顺利为该患者完整切除肿瘤。VanDijk等对4例脊椎肿瘤患者的脊柱实体模型进行术前规划，模拟肿瘤切除和椎体重建手术，并为患者定制了置入假体及椎弓根钉等内固定装置，结果证明，所有模型都为手术提供了必要的信息，部分细节内容甚至影响了术前手术决策的制定，使手术得以顺利完成，术中所见与模拟手术十分吻合，置入物与内固定装置也相当精确。Izatt等对脊柱实物模型在脊柱外科手术中的实用性进行了量化研究，用数据显示了3D技术在脊柱外科的重要性，对26例（脊柱畸形21例，脊柱肿瘤5例）28个脊柱椎体进行了三维重建并获得实物模型，通过观察脊柱实物模型，制定手术方案，并为肿瘤切除及畸形矫正后定制置入物；

结果显示，65％的患者可以通过3D模型获得比传统医学影像资料更为全面的信息，11％的患者获得了只有3D模型才能提供的可影响手术操作的相关信息，52％的患者因实物模型的应用改变了术前手术决策，甚至有74％的患者因此改变了置入物的置入部位；术中证实约39％的实物模型提供的解剖信息和术中所见完全相同，还有58％的实物模型解剖和术中解剖也没有太大差异，只有1例差异稍大；通过实物模型的应用，均不同程度地缩短了手术时间（脊柱畸形手术缩短约22％的操作时间，而脊柱肿瘤手术缩短约 8％）。Guarino等的研究也得出类似结论，即通过对 脊柱实物模型的观察与模拟手术，能够为手术决策的制定与术中操作提供可靠的信息。儿童脊柱实物模型的应用能够明显提高小儿脊柱手术的安全性，同时大大缩短手术时间，从而最大限度地减少了手术创伤，为术后恢复创造条件。Yang等应用3D打印技术顺利完成了1例枢椎肿瘤破坏的切除与术后重建手术，成功克服了传统重建技术难以获得满意支撑与良好功能的难题。

3D打印材料的生物相容性、生物力学性能等仍需不断探索，这在很大程度上限制了其作为个性化置入物在医学上的应用。个性化椎体的制作时间较长，费用昂贵，据相关文献报道，目前每完整打印一个脊柱实物模型需要大约1周的时间，花费为几百至几千美元不等，这也是限制其广泛应用的一个重要原因。

文章部分来源夏晓龙，陈扬，邱奕雁，杨欣建，张伟彬，杨泽雨（深圳市第二人民医院脊柱外科）