3D打印技術(shù)在神經(jīng)外科應(yīng)用及發(fā)展前景

作者：首都醫(yī)科大學附屬北京天壇醫(yī)院神經(jīng)外科（趙元立、趙雅慧、葉迅）；
北京大學國際醫(yī)院神經(jīng)外科（趙元立、王亮）；
天津市第五中心醫(yī)院神經(jīng)外科（王亮）

3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，為制造業(yè)帶來巨大變革，該技術(shù)發(fā)展迅猛，并廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、生物組織工程、工業(yè)、軍事、航空航天等多種領(lǐng)域。2013年美國總統(tǒng)奧巴馬在一次國情咨文演講中肯定了3D打印技術(shù)的重要性。2015年8月21日盧秉恒院士在國務(wù)院的集體學習會議上作3D打印技術(shù)專題報告，引起國家的高度重視，并提出：“3D打印技術(shù)是制造業(yè)具有代表性的顛覆性技術(shù)，實現(xiàn)制造從等材、減材到增材的重大轉(zhuǎn)變，改變傳統(tǒng)制造的觀念和模式，具有重大價值”。

近年來，3D打印技術(shù)在神經(jīng)外科掀起一股熱潮，先后應(yīng)用于腦血管疾病、顱底腫瘤、脊柱脊髓等多個領(lǐng)域，輔助術(shù)前手術(shù)計劃制定、醫(yī)患溝通、臨床教學、技術(shù)培訓等。3D打印材料迅速開發(fā)，部分已用于臨床，如3D打印顱骨修補材料、3D打印人工修補硬腦膜等，其顯示出巨大優(yōu)勢和極高的應(yīng)用價值。本文就3D打印技術(shù)在神經(jīng)外科領(lǐng)域的應(yīng)用進行述評。

1.3D打印概念介紹
3D打�。�3D Printing）技術(shù)，也稱為快速成型技術(shù)（rapid prototyping）或增材制造（additive manufacturing），是指一種與傳統(tǒng)材料去除加工方法相反的，基于三維CAD模型數(shù)據(jù)，通過逐層增加材料，逆向制造出與相應(yīng)數(shù)學模型完全一致的三維物理實體模型的制造方法。該技術(shù)的思想起源于19世紀末美國一項分層構(gòu)造地貌地形圖專利。1984年美國科學家CharlesHull發(fā)明了將數(shù)字資源打印成三維立體模型的技術(shù)；兩年后，ChuckHull發(fā)明了立體光刻工藝，通過利用紫外線照射將樹脂凝固成形的方式進行模型制造，并獲得專利，開發(fā)出第一臺商業(yè)3D印刷機，這是3D打印技術(shù)發(fā)展的里程碑。

自1995年美國ZCorp公司開發(fā)第一臺3D打印機，到2005年首個高清彩色3D打印機問世，經(jīng)歷10年時間。2010年后3D打印進入快速發(fā)展階段，從gun到衣服、從汽車到珠寶首飾均可應(yīng)用3D打印技術(shù)制造。3D打印技術(shù)在醫(yī)學領(lǐng)域的應(yīng)用始于牙科與頜面部手術(shù)，其后在各個醫(yī)學亞專業(yè)學科的應(yīng)用均得到探索發(fā)展。外科應(yīng)用的打印材料通�；�于粉末，包括尼龍粉末、ABS粉末、金屬粉末、陶瓷粉末和干細胞溶液等，且可根據(jù)目標打印物的性質(zhì)選擇不同材料，如陶瓷、塑料、樹脂、高溫合金、不銹鋼和鈦等。打印精確度主要依賴于使用的設(shè)備，3D打印的解剖結(jié)構(gòu)對比原標本具有高度精確性，一項研究報道對結(jié)構(gòu)＞10mm的標本平均誤差在（0.32±0.054）mm。最新的3D打印技術(shù)已實現(xiàn)不同質(zhì)地的材料打印，即多彩多質(zhì)（例如骨骼、肌腱等），從而更準確地復制原始標本。

2.3D打印在神經(jīng)外科領(lǐng)域的應(yīng)用


2.1 3D打印在神經(jīng)外科教學及培訓中的應(yīng)用
2017年國務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于深化醫(yī)教協(xié)同進一步推進醫(yī)學教育改革與發(fā)展的意見》，對高素質(zhì)醫(yī)學人才培養(yǎng)提出更高要求，其中重點強調(diào)要全面提升人才培養(yǎng)質(zhì)量，強化醫(yī)學生的臨床能力培養(yǎng)。神經(jīng)外科具有獨特性、復雜性、立體性、精準性等特點，需要良好的空間想象能力及不斷進行解剖結(jié)構(gòu)的強化學習，才能達到良好的訓練效果。

目前醫(yī)學教育體系中，神經(jīng)外科顱腦解剖與外科手術(shù)教學脫節(jié)，大批神經(jīng)外科醫(yī)生從醫(yī)學院畢業(yè)后到熟練掌握各級手術(shù)前，存在嚴重的培訓斷層和學習需求。所需顱腦解剖標本匱乏，涉及到具體疾病的標本模型尤其稀缺，隨著3D打印開始應(yīng)用于教學解決了這一問題。WANG等利用3D打印動脈瘤模型對青年神經(jīng)外科醫(yī)師進行培訓，可提高青年醫(yī)師對動脈瘤解剖的理解；同時，可提高青年手術(shù)醫(yī)師的基本手術(shù)技能。國外臨床醫(yī)生采用3D打印腦室模型進行第三腦室底造瘺術(shù)的培訓，這些模擬器均由可重復使用的基礎(chǔ)部分以及一次性使用的可變壓力模擬腦室系統(tǒng)組成，神經(jīng)外科醫(yī)師可在其中進行手術(shù)模擬操作。

在教學培訓中，3D打印能夠滿足較大的標本需求量，彌補人體組織標本短缺，并可對不同病變進行高度針對性模擬教學，同時較人體標本更加清潔衛(wèi)生，具有獨到優(yōu)勢及廣泛前景。

2.2 3D打印在顱骨修補材料的應(yīng)用
3D打印顱骨修補材料在臨床取得良好應(yīng)用效果。KIM等利用3D打印技術(shù)，采用聚甲基異丁烯酸（PMMA）作為修補材料，在術(shù)前將頭顱CT掃描數(shù)據(jù)進行建模，打印出顱骨模型，植入顱骨缺損部位，達到非常完美的修補效果。同時，即使簡易3D打印機也能出色打印修補材料，且具有成本較低的優(yōu)點。

目前國內(nèi)廣泛應(yīng)用的3D打印修補材料主要為聚醚醚酮（PEEK），尤其是對顱面復雜外傷后顱骨缺損病人，3D打印較傳統(tǒng)鈦網(wǎng)修補材料具有精準度更高、組織相容性更好的特點。

2.3 3D打印技術(shù)在腦血管病手術(shù)中的應(yīng)用
腦血管病手術(shù)是神經(jīng)外科手術(shù)中風險較大、難度較高的手術(shù)，具有很高的致殘率與致死率。術(shù)前，醫(yī)師需要充分解讀影像資料，以便對術(shù)中解剖達到深刻的理解和認識，傳統(tǒng)上依賴于醫(yī)師自身較好的空間想象能力。在過去幾十年中，腦血管疾病的影像診斷已經(jīng)從2D血管造影發(fā)展到3D、甚至4D血管造影，盡管現(xiàn)在3D影像重建技術(shù)在一定程度上可以幫助外科醫(yī)生理解疾病的解剖學細節(jié)，但難以提供更加實際的手術(shù)體驗。

3D打印腦血管病模型可完美解決這一問題，疾病模型不僅可以從任何角度查看，模擬手術(shù)中的解剖方位，同時可以觸摸、可以操作，能夠逼真模擬實際手術(shù)過程，是一種更有利的可視化方法。對動脈瘤夾閉手術(shù)，透徹理解動脈瘤的形狀、朝向、瘤頸及動脈瘤與鄰近動脈及其分支、腦組織、腦神經(jīng)、顱骨的關(guān)系至關(guān)重要；對復雜動脈瘤手術(shù)，術(shù)中挑選及調(diào)試動脈瘤夾也是手術(shù)的難點之一。

自D'URSO等第1次報道3D打印技術(shù)在顱內(nèi)動脈瘤和動靜脈畸形中的應(yīng)用，目前已有數(shù)十篇關(guān)于3D打印動脈瘤模型應(yīng)用的文章發(fā)表于國內(nèi)外雜志。除外科手術(shù)之外，3D打印還應(yīng)用于動脈瘤的介入治療，NAMBA等報道利用該技術(shù)輔助微導管塑形，成功為10例病人施行動脈瘤栓塞術(shù)。3D打印動脈瘤模型不僅可以幫助手術(shù)醫(yī)師更好理解動脈瘤細節(jié)，做到術(shù)前模擬夾閉、挑選動脈瘤夾，而且可以用于術(shù)前醫(yī)患溝通，幫助病人理解動脈瘤疾病，使病情交流更加順暢。在動靜脈畸形方面，使用精準的3D模型，可以明顯改善手術(shù)計劃，提高良好預后的概率。

相關(guān)研究報道指出：術(shù)前應(yīng)用3D打印的動靜脈畸形病例中，手術(shù)時間明顯縮短，再次表明打印模型有助于手術(shù)計劃及實施。3D打印動靜脈畸形報道較動脈瘤要少，主要原因是動靜脈畸形的血管解剖更加復雜，多變的供血動脈、引流靜脈，畸形本身與腦組織混雜，畸形血管散在等都是造成3D打印困難的原因。目前仍在發(fā)展的高精準度3D建模技術(shù)及打印技術(shù)可能能夠改善其在腦血管畸形中的應(yīng)用。


2.4 3D打印在顱底腫瘤的應(yīng)用
顱底腫瘤位置深在、解剖復雜、功能重要，對術(shù)者的解剖知識及手術(shù)技巧要求極高。在經(jīng)鼻蝶內(nèi)鏡鞍區(qū)腫瘤切除術(shù)領(lǐng)域，開創(chuàng)將3D打印應(yīng)用到模擬手術(shù)開發(fā)中的先河。在相關(guān)研究中，目前已創(chuàng)建3D打印顱骨模型用以對內(nèi)鏡鞍區(qū)手術(shù)進行術(shù)前評估；該模型可以注冊到手術(shù)導航系統(tǒng)中，能更準確反映手術(shù)過程，并且模型可與相應(yīng)的神經(jīng)影像實時配對，提供更加直觀的模擬體驗，是其重要優(yōu)勢之一。

MULLER等研究表明：對復雜顱底病變，相對于使用3D打印技術(shù)進行術(shù)前評估，僅使用常規(guī)影像的術(shù)前評估效果較差。3D打印模型能夠準確模擬復雜顱底腫瘤的解剖，能夠在術(shù)前模擬顱骨磨除，幫助了解神經(jīng)血管與病變的關(guān)系，適用于高度個體化的復雜顱底手術(shù)的計劃制定。


2.5 3D打印在脊柱脊髓手術(shù)中的應(yīng)用
脊柱脊髓是神經(jīng)外科一個重要的分支，但我國神經(jīng)外科所開展的脊柱脊髓疾病治療，大部分限于脊髓腫瘤手術(shù)，其中一個主要的原因就是對相關(guān)解剖結(jié)構(gòu)不熟悉。3D打印模型更好地解決這個問題，通過對脊柱解剖的模擬，使脊柱復雜骨折、椎弓根螺釘固定等復雜的脊柱手術(shù)過程變得更加容易。SUGAWARA等設(shè)計一種個體化的多步驟螺絲導向器，其可鎖定在椎板上，以防止錯誤移動，其對10例病人進行手術(shù)及評估，結(jié)果發(fā)現(xiàn)固定平均偏差＜1mm。

此外，3D打印技術(shù)同樣解決脊柱外科的手術(shù)技巧問題。目前，國內(nèi)外科學家開始探索將3D打印技術(shù)應(yīng)用于椎間盤退變的組織工程解決方案，期望以3D打印技術(shù)實現(xiàn)再生椎間盤，從而替代脊柱融合術(shù)和人工椎間盤置換術(shù)，然而生產(chǎn)臨床可用的植入物仍需要進一步研究。

2.6生物3D打印在神經(jīng)外科的應(yīng)用
生物打印技術(shù)的應(yīng)用場景包括組織工程和再生醫(yī)學、藥劑學及藥物篩選、癌癥研究等，目前已能夠?qū)Χ喾N組織類型進行生物打印，但打印的組織大多僅限于薄、空心或無血管組織，仍具有較大的局限性。近期，隨著在血管網(wǎng)絡(luò)生物打印方面的成熟，使打印更大的、具有生物活性的組織器官成為可能。盡管生物打印研究方面取得巨大進展，但臨床適用性仍然落后，依然任重道遠。

美國食品藥品管理局批準幾種組織工程皮膚替代品，可用于大面積創(chuàng)口的愈合治療。能夠應(yīng)用于在神經(jīng)外科的3D打印生物移植物尚且遙遠。未來，可期待應(yīng)用于神經(jīng)外科的生物打印組織有頭皮移植和血管打印，例如對大型復雜動脈瘤，血管置換是惟一可徹底解決問題的方法，3D生物血管打印可以提供相容性更好、管徑更加匹配、分支更加符合生理條件的血管，來替代目前應(yīng)用最多的橈動脈。在臨床中，目前可以使用樹脂材料實現(xiàn)大血管或中空血管的置換，但具有生物活性的血管置換材料目前仍在探索中。

3.挑戰(zhàn)與展望
目前，3D打印技術(shù)在神經(jīng)外科中應(yīng)用的局限性主要體現(xiàn)于以下幾個方面：

①打印時間及成本較高，完成一件成品模型常需要花費數(shù)小時到數(shù)天；因此，3D打印目前難以應(yīng)用于急診病例。相信隨著工業(yè)的進步，能夠進一步提升打印速度、降低打印成本，從而進一步增加3D打印的應(yīng)用。

②3D打印的精度有限，對一些細小的穿支動脈、散在的動靜脈畸形的打印較為困難，但隨著高精度建模軟件以及打印機的開發(fā)，該問題應(yīng)該能夠得到良好解決。

③目前可應(yīng)用于打印的材料以及材料的逼真度仍然局限。以打印顱腦腫瘤為例，不同腫瘤的質(zhì)地相異，即使同一種腫瘤，在不同個體間其腫瘤軟硬、質(zhì)地、壞死、鈣化、血供也是不同的，目前很難通過影像學數(shù)據(jù)打印出完全與實際標本質(zhì)地高度吻合的腫瘤。然而人體組織器官材質(zhì)物理性能數(shù)據(jù)庫的建立及完善，實現(xiàn)多種質(zhì)地的模擬打印應(yīng)當并不遙遠。

④多種材料復合打印技術(shù)目前尚未成熟，3D打印模型尚不能展示動脈內(nèi)血栓、動脈鈣化、血泡樣動脈瘤等，動脈瘤夾閉手術(shù)中動脈瘤破裂大出血也難以在模型上實現(xiàn)。

⑤盡管生物打印研究已取得一定進展，但在血管化和生物相容性等方面仍存在較大技術(shù)挑戰(zhàn)，且存在經(jīng)濟實用性和倫理上的障礙，其臨床應(yīng)用目前受到較大限制。然而，隨著臨床需求增加以及科技進步，生物打印轉(zhuǎn)化為臨床應(yīng)用是指日可待的。

3D打印技術(shù)在神經(jīng)外科打開了嶄新的領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用于解剖教學、手術(shù)模擬、技術(shù)培訓、醫(yī)患交流、生物材料等方面。如今，醫(yī)工交叉日益緊密，技術(shù)及材料的飛速發(fā)展，將進一步推動3D打印技術(shù)在臨床的應(yīng)用。未來，3D打印技術(shù)將不僅局限于改變解剖學、外科學的常規(guī)教學模式，隨著3D打印在再生領(lǐng)域的研究不斷深入，有望在腦重塑、顱內(nèi)生物血管、神經(jīng)元修復等領(lǐng)域發(fā)揮革命性的作用。

來源：趙元立,王亮,趙雅慧,葉迅.3D打印技術(shù)在神經(jīng)外科應(yīng)用及發(fā)展前景[J].中國微侵襲神經(jīng)外科雜志,2020,25(03):97-100.