摘 要
3D打印技術在復雜脊柱手術中的應用不斷深入，從簡單的外科手術術前規劃演變為外科手術導向器、最后成為打印的植入物本身。本文概述了3D打印在復雜脊柱手術中應用的歷史、現狀和未來發展方向，并指出目前該技術遇到的一些問題。
在診治特發性、先天性、退行性以及損傷相關等等復雜的脊柱畸形時，脊柱外科醫生有時需要采用復雜而新型的外科技術對其進行穩定和矯正。盡管最近幾十年來，手術治療策略和內固定植入物得到顯著發展和改善，但復雜的脊柱畸形矯正手術仍然是一項艱巨的任務。為了評估脊柱畸形的嚴重性并對外科手術進行計劃，醫師在傳統上依賴于包括x光、透視、計算機斷層掃描(CT)和磁共振成像(MRI)的成像模式。然而，放射平片圖像或3維掃描數據的2維投影無法準確地表示出3D解剖畸形的全部細節，從而在術前規劃過程中降低了它們的價值。
近年來，3D建模和快速成型(RP)或3D打印技術越來越多地用于復雜手術的術前計劃。那些在平面成像模式下容易遺漏或誤解的高度復雜畸形的解剖細節，可以得到精確再現。來自澳大利亞昆士蘭科技大學兒童健康研究中心的Caroline等人對3D打印在復雜脊柱手術中應用的歷史、現狀和未來發展方向進行了綜述，并發表在《Techniques in Orthopaedics》雜志2016年第31期上。
為了探討3D打印在復雜脊柱手術中的應用現狀，并探討這項技術的未來潛力，作者對包含“3D打印、快速成型、生物標記或生物模型”等關鍵詞，結合“脊柱、脊柱和手術、手術規劃”等檢索詞，對文獻進行了搜索。在檢索出的16篇文章中，有1篇因為沒有英文版而被剔除。出版年份介于1999年和2015年之間。接近一半的論文在近五年發表，與該技術的快速增長的情況相一致。檢索結果共顯示出三個關鍵的重點領域：對復雜脊柱畸形病例模型打印以進行手術計劃、設計患者個體化的手術導向器以及最近出現的定制個體化鈦植入物。
3D打印模型用于手術計劃
1999年在澳大利亞的一個小組最早報道了在復雜脊柱畸形的手術規劃中使用3D打印模型。 D'Urso等人對5例復雜病例進行了初步前瞻性研究，以考察其在脊柱畸形手術中的有效性。該時期幾項研究均認為，復雜脊柱畸形的全面信息需要通過3D重建模型來獲取，使用常規的成像模式往往不夠。這些研究發現，盡管可以在計算機監視器上從任何方向和角度顯示和觀察CT的3D重建，但是這些缺乏觸覺的視圖常帶來不全面的信息，常迫使術中需要做出相應改變，比如對植入物、手術方法或固定方式進行調整等。
進一步研究發現，3D打印的生物模型提供了許多便利，并帶來更好的手術效果。比如，Mizutani等人在類風濕性頸椎手術前使用3D模型進行規劃，發現對頸椎椎弓根螺釘軌道及進釘點的評估更理想，并能確定枕頸連接處內固定位置，避免術后吞咽困難等并發癥。Lzatt等人將3D打印模型應用于脊柱腫瘤和畸形手術中，發現與CT或MRI 3D重建相比，3D打印模型上解剖學細節得以更好的顯示或完全可見，這對內植物及置入部位的術前判斷造成較大影響，降低了術中修正的幾率，并減少了手術時間。
此外，多個研究均表明3D打印模型具有明顯的視覺優勢，更有利于術前計劃、選擇內固定及植入位置的判斷，并能減少手術時間、減少手術失誤率。此外，3D打印模型是與同事及患者/家屬溝通的一個理想工具，可以幫助他們更好地理解病變部位解剖結構、手術方式及相應風險。然而，使用3D打印模型技術時同時存在不少限制，主要涉及額外的時間、勞動力及模型制作成本等的耗費等，限制了該技術的應用。
3D打印設計患者個體化手術導向模板
自2009年以來，椎弓根置釘設計及制作導向模板成為3D打印應用的新領域，特別是頸椎手術中。該部位的解剖結構相當密集，在兒科病例中更是如此，精密的神經組織密切相鄰，此時精確的螺釘置入至關重要。Lu等人較早報道在頸椎手術中應用塑料的3D打印導向模板，術中將其與顯露的骨骼解剖標志直接接觸，沿著預定通道進行置釘。他們發現該技術置釘準確性非常高，并減少了操作時間及輻射暴露。
隨后，多個研究均證明了3D打印塑料椎弓根釘導向模板的有效性，術中的置釘位置和角度與術前預期非常接近。考慮到塑料材質與鉆頭等手術工具接觸時可能產生碎屑，帶來潛在的安全性風險，Takemoto等人建議采用鈦金屬材料制作3D打印導向模板，并通過研究證明了其安全性及有效性。他們認為，鈦金屬模板具有較高的強度和剛性的優點，確保了更高的精度和可靠性，減少了翹曲和折彎的機會，并且消除了鉆頭或螺釘穿過材料時切割產生碎屑的可能性。
3D打印定制個體化植入物
近年來金屬印刷技術(如激光直接燒結和電子束熔煉技術)的發展，使個體化定制的脊柱植入物變得可行。比起傳統的脊柱植入物，3D打印通用的和定制的金屬植入物具有許多優點。比如，3D打印符合患者椎體終板幾何形狀的植入物具有更好的剛度及抗壓能力，同時鈦金屬多孔結構材料具有誘導骨長入的生物活性，具有很大的潛力成為骨替代材料。目前，已有許多公司專門為患者定制個體化的脊柱植入物。
目前，脊柱手術中使用3D打印作為術前規劃工具在過去30年中一直持續發展，并具有明顯的優點——減少手術時間、減少術中輻射暴露、改善整體手術效果、可在術前選擇植入物并可作為醫療團隊成員之間溝通的有力工具。盡管如此，為何該技術卻仍然沒有得到快速的發展和普及?其中一個可能，是來自于該技術可用性及成本的限制。并且，從對患者進行掃描到生產出3D打印模型再寄送達外科醫生進行手術，需要數天時間。另一個可能是，并非所有的脊柱外科醫生都需要進行復雜的矯形手術，反而是由小部分高度專業的脊柱畸形團隊包攬了大部分復雜脊柱畸形患者的診治管理。
隨著3D打印技術不斷發展，打印模型的成本將逐漸降低、速度將逐漸提高，3D打印將成為脊柱畸形手術的重要組成部分。相比術前設計模型、術中導向模板，3D打印個體化植入物得以成為一個理想的發展方向，并將體現出3D打印技術的最大效益，可使手術更加微創、更加精確。在不久的將來，3D打印技術可能會對醫療保健領域做出更大貢獻，甚至可能帶來醫療保健模式的改變。
