作者：北京大學第三醫(yī)院骨科   劉忠軍

3D打印學名增材制造，是一種起源于20世紀80年代的工業(yè)生產(chǎn)技術，當時被稱為“快速成型”技術。最初用于“打印”的原料均為非金屬無機材料，采用金屬材料進行增材制造開始于21世紀，至今不過十余年。隨著金屬材料增材制造技術，即3D打印技術的問世，其重要性凸顯，實用性日益受到人們的青睞。

3D打印的突出優(yōu)勢之一是可在短時間內(nèi)“打印”出任意復雜形狀與結構的物體，而骨骼作為一種硬組織，形態(tài)與結構相對恒定，采集自CT等影像學圖像的骨骼數(shù)據(jù)經(jīng)轉換即可獲得3D打印所需的數(shù)字模型文件。正是由于這種便捷的數(shù)據(jù)轉換途徑，3D打印技術在骨科，尤其在脊柱外科中的應用明顯早于醫(yī)學其他領域，發(fā)展也更為迅速。目前3D打印技術在脊柱外科領域的應用概括起來包括三個方面。
（1）采用非金屬無機材料打印骨骼模型。
（2）采用非金屬無機材料打印手術操作導向模版。
（3）采用金屬材料打印手術置入假體。

3D打印技術在脊柱外科中的應用國內(nèi)學者扮演了先行者的角色。無論臨床應用探索還是相關基礎研究，國內(nèi)學者一直都開展得更為積極，在該領域占據(jù)一席之地?，F(xiàn)行已經(jīng)研發(fā)出的主流3D打印鈦合金脊柱內(nèi)置物產(chǎn)品，如標準化及定制式人工椎體、椎間融合器等也是最早在中國進行臨床試驗并注冊上市

。3D打印技術在脊柱外科應用的臨床實踐與強大需求甚至在一定程度上推動了國內(nèi)相關法規(guī)———“定制式醫(yī)療器械監(jiān)督管理規(guī)定（試行）”的出臺，該法規(guī)已于2020年1月1日開始施行。本期專刊旨在將近年來3D打印技術在國內(nèi)脊柱外科臨床應用的經(jīng)驗和結果進行相對集中和系統(tǒng)的歸納與展示。然而，由于專刊篇幅所限，本期內(nèi)容恐難涉及3D打印技術在脊柱外科應用的所有角落，難以囊括國內(nèi)學者業(yè)已做出的所有成就。但可以相信，本專刊勢必在一定程度上反映出3D打印技術的特色及其在脊柱外科領域應用的臨床價值與發(fā)展趨勢。

從本刊發(fā)表的論著中我們不難看出，3D打印技術對脊柱外科手術在操作技術層面的明顯提升作用和對脊柱疾病在治療層面的明顯改善效果。幾十年來，脊柱外科手術技術的進步在相當大的程度上得益于內(nèi)固定器材的不斷改進和更新?lián)Q代。然而，受傳統(tǒng)工藝技術瓶頸的制約，內(nèi)置物形狀只能以比較規(guī)整的幾何形狀為主，很難制造出與脊椎復雜解剖形態(tài)與結構相匹配的內(nèi)固定置入物，使得諸多臨床治療難題未能得到圓滿解決。正是在傳統(tǒng)工藝難以再取得進一步突破的窘境下，3D打印脊柱外科手術內(nèi)置物產(chǎn)品應運而生。

近年來已經(jīng)取得的臨床與相關基礎研究結果顯示出3D打印金屬內(nèi)置物，尤其鈦合金微孔設計內(nèi)置物的諸多重要優(yōu)勢：
（1）該類內(nèi)置物的生物相容性以及在重建脊柱力學結構方面的作用不遜于甚或優(yōu)于傳統(tǒng)工藝制造的相同材質(zhì)內(nèi)置物，如鈦網(wǎng)或類似假體。
（2）形狀、大小及結構的任意設計與可量體定制的優(yōu)勢使該類內(nèi)置物能更好地適應脊柱外科手術的需求，尤其當應對某些特殊解剖部位的手術時，如寰樞椎、骶椎等病變的切除手術時。
（3）該類內(nèi)置物置入脊椎骨骼之間后，其金屬微孔可吸引相鄰骨細胞/組織的長入，實現(xiàn)與宿主骨的有效融合，從而與之整合為一體，且這種整合的牢固程度可以達到正常人體功能所需。

基于3D打印技術的諸多優(yōu)勢，將其應用于脊柱外科臨床后對疾病治療所產(chǎn)生的影響主要包括：
（1）使一些脊柱常見疾病手術治療的效果獲得顯著提高。比如脊柱手術導向模板的應用在一定程度上提高了椎弓根螺釘置入或某些穿刺診療操作的精準性和安全性；3D打印鈦合金微孔人工椎體取代傳統(tǒng)鈦網(wǎng)后不僅使置入物的術后穩(wěn)定增強、塌陷率大幅度降低，而且還節(jié)省了自體或異體骨材料的使用。后者優(yōu)勢對腫瘤及結核病變切除的病例尤其具有實用性價值。

（2）使不少脊柱疑難病癥的治療取得了突破性進展。對于復雜的脊柱畸形、腫瘤等病例，3D打印病變模型為手術醫(yī)生策劃手術提供了形象生動的參照物；而定制式置入假體的應用則更為許多高難度手術的實施帶來前所未有的顛覆性變化。以往樞椎腫瘤切除后缺乏可靠的頸椎穩(wěn)定性重建技術，采用寰椎至下頸椎之間鈦網(wǎng)支撐是近年來最為普遍的方法，但采用這種方法后，即便在Halo外固定架的輔助下，術后并發(fā)癥仍屢見不鮮，而應用定制式人工樞椎取代鈦網(wǎng)進行置入后，由于理念和技術的根本性改進，使樞椎腫瘤切除后頸椎穩(wěn)定性重建的難題獲得徹底性解決。胸腰椎多節(jié)段全脊椎切除后的穩(wěn)定性重建也曾是脊柱外科手術的重大難題，而利用3D打印內(nèi)置物可任意設計的優(yōu)勢，采用人工椎體與后路椎弓根螺釘固定系統(tǒng)相連接的方式，顯著增強了手術后脊柱的力學支撐功能，使多節(jié)段脊椎切除行3D打印人工椎體置入重建脊柱結構的患者同樣可以早期離床活動。正是借助3D打印定制式內(nèi)置物的獨特優(yōu)勢，使脊柱外科醫(yī)生對以往感到束手無策的疑難病例有了切實可行的治療方案。

（3）使骨缺損修復的理念和技術發(fā)生重大改變。當脊柱病變切除后出現(xiàn)骨缺損，尤其當多節(jié)段腫瘤切除后遺留巨大骨缺損時，無論按照傳統(tǒng)理念采用自體或異體骨塊直接填充修補，還是采用類似鈦網(wǎng)等金屬框架結構裝載自體/異體骨或人工骨等材料進行填充修補時，都面臨脊柱的即刻穩(wěn)定性強度不足、植骨融合周期過長及遠期骨整合效果的不確定性。實際上大量植骨材料的獲得有時也存在困難。而采用定制式3D打印鈦合金假體置入進行病變切除后的骨缺損修復，無論缺損形態(tài)如何復雜，無論缺損區(qū)范圍多大，均可按照解剖結構的需求，以“量體定制”的假體進行有效填充及修復，并且可根據(jù)病變的解剖部位特點設計與之高度適配的內(nèi)固定裝置，達到術后脊柱結構的即刻穩(wěn)定。最初人們對3D打印假體與宿主骨能否實現(xiàn)可靠整合帶有很多疑慮，而經(jīng)過至少5年以上的臨床隨訪觀察，證實了置入假體的穩(wěn)定性和骨整合效果。臨床實踐和相關動物實驗研究的結果正在向我們揭示一種新的骨融合方式的出現(xiàn)，即微孔金屬假體與人體骨骼之間的融合，這種融合方式或可為我們提供一種新的骨缺損修復理念，以及基于這種理念之上新的骨整合技術。

實際上，3D打印技術對脊柱疾病治療的影響并未止步于以上所介紹的幾個方面。針對3D打印技術的研究，尤其針對3D打印微孔金屬假體的研發(fā)仍在不斷深入。根據(jù)近期發(fā)表的相關文獻所提供的信息，3D打印微孔鈦合金假體可經(jīng)過表面改性技術獲得羥基磷灰石等物質(zhì)的附著，從而成倍增強骨整合能力；假體微孔內(nèi)載入成骨物質(zhì)，如骨形態(tài)發(fā)生蛋白2（BMP2），可顯著增加其吸引骨長入的能力；而假體微孔內(nèi)載入各種藥物，通過控制性緩釋，可實現(xiàn)抗感染、抗腫瘤等多種治療功效。這些研究成果向我們預示3D打印置入假體正在向功能化轉變的未來前景。

然而，3D打印技術也非完美無缺，更做不到無所不能。在脊柱外科手術應用中，3D打印人工椎體因其具有較大的骨接觸面積和可供骨長入的微孔結構似有較強優(yōu)勢，而在脊柱后方的固定和力學結構重建方面，以實體材質(zhì)、而非微孔結構為主的傳統(tǒng)固定裝置則仍占據(jù)主流地位。以目前在脊柱后路固定中應用最多的椎弓根螺釘與圓棒固定系統(tǒng)為例，如采用3D打印工藝設計和生產(chǎn)，恐在力學特性、生產(chǎn)成本等綜合因素比較下，并不具備顯著優(yōu)勢。但是3D打印鈦合金假體的臨床應用確實為脊柱手術中力學結構重建增加了更多優(yōu)化方案的選擇。

綜上所述，3D打印技術在脊柱外科的應用已經(jīng)從初期探索步入逐漸成熟的階段，并在相關疾病的治療中顯示出獨特優(yōu)勢，業(yè)已取得顯著效果；3D打印金屬置入假體的研發(fā)與應用推廣存在較大潛力與空間，同時相關技術的完善與規(guī)范化應得到高度重視；3D打印技術，尤其金屬微孔置入假體與相關技術在脊柱外科領域的應用值得進一步探索與研究，以挖掘出其更大的價值。

根據(jù)3D打印技術發(fā)展的現(xiàn)狀和特點，更多類型并可用于更多解剖部位的鈦合金置入假體的研發(fā)仍將繼續(xù)開展。更接近骨骼彈性模量、更易于快速骨融合以及可載藥發(fā)揮治療功能的人工椎體會成為未來研究的熱點之一；利用3D打印假體設計和制造的便捷性，研發(fā)能保留椎間關節(jié)活動功能的假體裝置或許也會成為下一個追求目標。然而，當前3D打印的置入假體仍有其局限性，一些核心技術難點仍需攻克，以期在力學強度、生物學功能及經(jīng)濟成本方面獲得長足的進步和革新。

來源：中國脊柱脊髓雜志2020年第30卷第9期

作者：北京大學第三醫(yī)院骨科   劉忠軍

3D打印學名增材制造，是一種起源于20世紀80年代的工業(yè)生產(chǎn)技術，當時被稱為“快速成型”技術。最初用于“打印”的原料均為非金屬無機材料，采用金屬材料進行增材制造開始于21世紀，至今不過十余年。隨著金屬材料增材制造技術，即3D打印技術的問世，其重要性凸顯，實用性日益受到人們的青睞。

3D打印的突出優(yōu)勢之一是可在短時間內(nèi)“打印”出任意復雜形狀與結構的物體，而骨骼作為一種硬組織，形態(tài)與結構相對恒定，采集自CT等影像學圖像的骨骼數(shù)據(jù)經(jīng)轉換即可獲得3D打印所需的數(shù)字模型文件。正是由于這種便捷的數(shù)據(jù)轉換途徑，3D打印技術在骨科，尤其在脊柱外科中的應用明顯早于醫(yī)學其他領域，發(fā)展也更為迅速。目前3D打印技術在脊柱外科領域的應用概括起來包括三個方面。
（1）采用非金屬無機材料打印骨骼模型。
（2）采用非金屬無機材料打印手術操作導向模版。
（3）采用金屬材料打印手術置入假體。

3D打印技術在脊柱外科中的應用國內(nèi)學者扮演了先行者的角色。無論臨床應用探索還是相關基礎研究，國內(nèi)學者一直都開展得更為積極，在該領域占據(jù)一席之地?，F(xiàn)行已經(jīng)研發(fā)出的主流3D打印鈦合金脊柱內(nèi)置物產(chǎn)品，如標準化及定制式人工椎體、椎間融合器等也是最早在中國進行臨床試驗并注冊上市

。3D打印技術在脊柱外科應用的臨床實踐與強大需求甚至在一定程度上推動了國內(nèi)相關法規(guī)———“定制式醫(yī)療器械監(jiān)督管理規(guī)定（試行）”的出臺，該法規(guī)已于2020年1月1日開始施行。本期專刊旨在將近年來3D打印技術在國內(nèi)脊柱外科臨床應用的經(jīng)驗和結果進行相對集中和系統(tǒng)的歸納與展示。然而，由于專刊篇幅所限，本期內(nèi)容恐難涉及3D打印技術在脊柱外科應用的所有角落，難以囊括國內(nèi)學者業(yè)已做出的所有成就。但可以相信，本專刊勢必在一定程度上反映出3D打印技術的特色及其在脊柱外科領域應用的臨床價值與發(fā)展趨勢。

從本刊發(fā)表的論著中我們不難看出，3D打印技術對脊柱外科手術在操作技術層面的明顯提升作用和對脊柱疾病在治療層面的明顯改善效果。幾十年來，脊柱外科手術技術的進步在相當大的程度上得益于內(nèi)固定器材的不斷改進和更新?lián)Q代。然而，受傳統(tǒng)工藝技術瓶頸的制約，內(nèi)置物形狀只能以比較規(guī)整的幾何形狀為主，很難制造出與脊椎復雜解剖形態(tài)與結構相匹配的內(nèi)固定置入物，使得諸多臨床治療難題未能得到圓滿解決。正是在傳統(tǒng)工藝難以再取得進一步突破的窘境下，3D打印脊柱外科手術內(nèi)置物產(chǎn)品應運而生。

近年來已經(jīng)取得的臨床與相關基礎研究結果顯示出3D打印金屬內(nèi)置物，尤其鈦合金微孔設計內(nèi)置物的諸多重要優(yōu)勢：
（1）該類內(nèi)置物的生物相容性以及在重建脊柱力學結構方面的作用不遜于甚或優(yōu)于傳統(tǒng)工藝制造的相同材質(zhì)內(nèi)置物，如鈦網(wǎng)或類似假體。
（2）形狀、大小及結構的任意設計與可量體定制的優(yōu)勢使該類內(nèi)置物能更好地適應脊柱外科手術的需求，尤其當應對某些特殊解剖部位的手術時，如寰樞椎、骶椎等病變的切除手術時。
（3）該類內(nèi)置物置入脊椎骨骼之間后，其金屬微孔可吸引相鄰骨細胞/組織的長入，實現(xiàn)與宿主骨的有效融合，從而與之整合為一體，且這種整合的牢固程度可以達到正常人體功能所需。

基于3D打印技術的諸多優(yōu)勢，將其應用于脊柱外科臨床后對疾病治療所產(chǎn)生的影響主要包括：
（1）使一些脊柱常見疾病手術治療的效果獲得顯著提高。比如脊柱手術導向模板的應用在一定程度上提高了椎弓根螺釘置入或某些穿刺診療操作的精準性和安全性；3D打印鈦合金微孔人工椎體取代傳統(tǒng)鈦網(wǎng)后不僅使置入物的術后穩(wěn)定增強、塌陷率大幅度降低，而且還節(jié)省了自體或異體骨材料的使用。后者優(yōu)勢對腫瘤及結核病變切除的病例尤其具有實用性價值。

（2）使不少脊柱疑難病癥的治療取得了突破性進展。對于復雜的脊柱畸形、腫瘤等病例，3D打印病變模型為手術醫(yī)生策劃手術提供了形象生動的參照物；而定制式置入假體的應用則更為許多高難度手術的實施帶來前所未有的顛覆性變化。以往樞椎腫瘤切除后缺乏可靠的頸椎穩(wěn)定性重建技術，采用寰椎至下頸椎之間鈦網(wǎng)支撐是近年來最為普遍的方法，但采用這種方法后，即便在Halo外固定架的輔助下，術后并發(fā)癥仍屢見不鮮，而應用定制式人工樞椎取代鈦網(wǎng)進行置入后，由于理念和技術的根本性改進，使樞椎腫瘤切除后頸椎穩(wěn)定性重建的難題獲得徹底性解決。胸腰椎多節(jié)段全脊椎切除后的穩(wěn)定性重建也曾是脊柱外科手術的重大難題，而利用3D打印內(nèi)置物可任意設計的優(yōu)勢，采用人工椎體與后路椎弓根螺釘固定系統(tǒng)相連接的方式，顯著增強了手術后脊柱的力學支撐功能，使多節(jié)段脊椎切除行3D打印人工椎體置入重建脊柱結構的患者同樣可以早期離床活動。正是借助3D打印定制式內(nèi)置物的獨特優(yōu)勢，使脊柱外科醫(yī)生對以往感到束手無策的疑難病例有了切實可行的治療方案。

（3）使骨缺損修復的理念和技術發(fā)生重大改變。當脊柱病變切除后出現(xiàn)骨缺損，尤其當多節(jié)段腫瘤切除后遺留巨大骨缺損時，無論按照傳統(tǒng)理念采用自體或異體骨塊直接填充修補，還是采用類似鈦網(wǎng)等金屬框架結構裝載自體/異體骨或人工骨等材料進行填充修補時，都面臨脊柱的即刻穩(wěn)定性強度不足、植骨融合周期過長及遠期骨整合效果的不確定性。實際上大量植骨材料的獲得有時也存在困難。而采用定制式3D打印鈦合金假體置入進行病變切除后的骨缺損修復，無論缺損形態(tài)如何復雜，無論缺損區(qū)范圍多大，均可按照解剖結構的需求，以“量體定制”的假體進行有效填充及修復，并且可根據(jù)病變的解剖部位特點設計與之高度適配的內(nèi)固定裝置，達到術后脊柱結構的即刻穩(wěn)定。最初人們對3D打印假體與宿主骨能否實現(xiàn)可靠整合帶有很多疑慮，而經(jīng)過至少5年以上的臨床隨訪觀察，證實了置入假體的穩(wěn)定性和骨整合效果。臨床實踐和相關動物實驗研究的結果正在向我們揭示一種新的骨融合方式的出現(xiàn)，即微孔金屬假體與人體骨骼之間的融合，這種融合方式或可為我們提供一種新的骨缺損修復理念，以及基于這種理念之上新的骨整合技術。

實際上，3D打印技術對脊柱疾病治療的影響并未止步于以上所介紹的幾個方面。針對3D打印技術的研究，尤其針對3D打印微孔金屬假體的研發(fā)仍在不斷深入。根據(jù)近期發(fā)表的相關文獻所提供的信息，3D打印微孔鈦合金假體可經(jīng)過表面改性技術獲得羥基磷灰石等物質(zhì)的附著，從而成倍增強骨整合能力；假體微孔內(nèi)載入成骨物質(zhì)，如骨形態(tài)發(fā)生蛋白2（BMP2），可顯著增加其吸引骨長入的能力；而假體微孔內(nèi)載入各種藥物，通過控制性緩釋，可實現(xiàn)抗感染、抗腫瘤等多種治療功效。這些研究成果向我們預示3D打印置入假體正在向功能化轉變的未來前景。

然而，3D打印技術也非完美無缺，更做不到無所不能。在脊柱外科手術應用中，3D打印人工椎體因其具有較大的骨接觸面積和可供骨長入的微孔結構似有較強優(yōu)勢，而在脊柱后方的固定和力學結構重建方面，以實體材質(zhì)、而非微孔結構為主的傳統(tǒng)固定裝置則仍占據(jù)主流地位。以目前在脊柱后路固定中應用最多的椎弓根螺釘與圓棒固定系統(tǒng)為例，如采用3D打印工藝設計和生產(chǎn)，恐在力學特性、生產(chǎn)成本等綜合因素比較下，并不具備顯著優(yōu)勢。但是3D打印鈦合金假體的臨床應用確實為脊柱手術中力學結構重建增加了更多優(yōu)化方案的選擇。

綜上所述，3D打印技術在脊柱外科的應用已經(jīng)從初期探索步入逐漸成熟的階段，并在相關疾病的治療中顯示出獨特優(yōu)勢，業(yè)已取得顯著效果；3D打印金屬置入假體的研發(fā)與應用推廣存在較大潛力與空間，同時相關技術的完善與規(guī)范化應得到高度重視；3D打印技術，尤其金屬微孔置入假體與相關技術在脊柱外科領域的應用值得進一步探索與研究，以挖掘出其更大的價值。

根據(jù)3D打印技術發(fā)展的現(xiàn)狀和特點，更多類型并可用于更多解剖部位的鈦合金置入假體的研發(fā)仍將繼續(xù)開展。更接近骨骼彈性模量、更易于快速骨融合以及可載藥發(fā)揮治療功能的人工椎體會成為未來研究的熱點之一；利用3D打印假體設計和制造的便捷性，研發(fā)能保留椎間關節(jié)活動功能的假體裝置或許也會成為下一個追求目標。然而，當前3D打印的置入假體仍有其局限性，一些核心技術難點仍需攻克，以期在力學強度、生物學功能及經(jīng)濟成本方面獲得長足的進步和革新。

來源：中國脊柱脊髓雜志2020年第30卷第9期