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(xué)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(xué)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(xué)習(xí)會議上作3D打印技術(shù)專題報(bào)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(shí)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(jià)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(gè)領(lǐng)域,，輔助術(shù)前手術(shù)計(jì)劃制定,、醫(yī)患溝通,、臨床教學(xué)、技術(shù)培訓(xùn)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(bǔ)材料,、3D打印人工修補(bǔ)硬腦膜等,，其顯示出巨大優(yōu)勢和極高的應(yīng)用價(jià)值。本文就3D打印技術(shù)在神經(jīng)外科領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行述評,。

1.3D打印概念介紹
3D打印（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(xué)模型完全一致的三維物理實(shí)體模型的制造方法。該技術(shù)的思想起源于19世紀(jì)末美國一項(xiàng)分層構(gòu)造地貌地形圖專利,。1984年美國科學(xué)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(jìn)行模型制造,，并獲得專利，開發(fā)出第一臺商業(yè)3D印刷機(jī),，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(jī)，到2005年首個(gè)高清彩色3D打印機(jī)問世,，經(jīng)歷10年時(shí)間,。2010年后3D打印進(jìn)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(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用始于牙科與頜面部手術(shù)，其后在各個(gè)醫(yī)學(xué)亞專業(yè)學(xué)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��,、ABS粉末,、金屬粉末、陶瓷粉末和干細(xì)胞溶液等,，且可根據(jù)目標(biāo)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(biāo)本具有高度精確性,，一項(xiàng)研究報(bào)道對結(jié)構(gòu)＞10mm的標(biāo)本平均誤差在（0.32±0.054）mm。最新的3D打印技術(shù)已實(shí)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(zhǔn)確地復(fù)制原始標(biāo)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(xué)及培訓(xùn)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(jìn)一步推進(jìn)醫(yī)學(xué)教育改革與發(fā)展的意見》,，對高素質(zhì)醫(yī)學(xué)人才培養(yǎng)提出更高要求，其中重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)要全面提升人才培養(yǎng)質(zhì)量,，強(qiáng)化醫(yī)學(xué)生的臨床能力培養(yǎng),。神經(jīng)外科具有獨(dú)特性、復(fù)雜性,、立體性,、精準(zhǔn)性等特點(diǎn)，需要良好的空間想象能力及不斷進(jìn)行解剖結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化學(xué)習(xí),，才能達(dá)到良好的訓(xùn)練效果,。

目前醫(yī)學(xué)教育體系中，神經(jīng)外科顱腦解剖與外科手術(shù)教學(xué)脫節(jié),，大批神經(jīng)外科醫(yī)生從醫(yī)學(xué)院畢業(yè)后到熟練掌握各級手術(shù)前,，存在嚴(yán)重的培訓(xùn)斷層和學(xué)習(xí)需求。所需顱腦解剖標(biāo)本匱乏,，涉及到具體疾病的標(biāo)本模型尤其稀缺,，隨著3D打印開始應(yīng)用于教學(xué)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(jìn)行培訓(xùn),，可提高青年醫(yī)師對動脈瘤解剖的理解,；同時(shí)，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(jìn)行第三腦室底造瘺術(shù)的培訓(xùn),，這些模擬器均由可重復(fù)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(jìn)行手術(shù)模擬操作,。

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

2.2 3D打印在顱骨修補(bǔ)材料的應(yīng)用
3D打印顱骨修補(bǔ)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(bǔ)材料，在術(shù)前將頭顱CT掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行建模,，打印出顱骨模型,，植入顱骨缺損部位，達(dá)到非常完美的修補(bǔ)效果,。同時(shí),，即使簡易3D打印機(jī)也能出色打印修補(bǔ)材料，且具有成本較低的優(yōu)點(diǎn),。

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

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(fēng)險(xiǎn)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(dá)到深刻的理解和認(rèn)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(xué)細(xì)節(jié),，但難以提供更加實(shí)際的手術(shù)體驗(yàn)。

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(shí)可以觸摸,、可以操作,，能夠逼真模擬實(shí)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(fù)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(diǎn)之一。

自D'URSO等第1次報(bào)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(bào)道利用該技術(shù)輔助微導(dǎo)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(xì)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(zhǔn)的3D模型,，可以明顯改善手術(shù)計(jì)劃，提高良好預(yù)后的概率,。

相關(guān)研究報(bào)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(shí)間明顯縮短，再次表明打印模型有助于手術(shù)計(jì)劃及實(shí)施,。3D打印動靜脈畸形報(bào)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(fù)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(zhǔn)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(fù)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(jìn)行術(shù)前評估；該模型可以注冊到手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中,，能更準(zhǔn)確反映手術(shù)過程,，并且模型可與相應(yīng)的神經(jīng)影像實(shí)時(shí)配對，提供更加直觀的模擬體驗(yàn),，是其重要優(yōu)勢之一,。

MULLER等研究表明：對復(fù)雜顱底病變，相對于使用3D打印技術(shù)進(jìn)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(zhǔn)確模擬復(fù)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(gè)體化的復(fù)雜顱底手術(shù)的計(jì)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(gè)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(gè)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(gè)問題,，通過對脊柱解剖的模擬，使脊柱復(fù)雜骨折,、椎弓根螺釘固定等復(fù)雜的脊柱手術(shù)過程變得更加容易,。SUGAWARA等設(shè)計(jì)一種個(gè)體化的多步驟螺絲導(dǎo)向器，其可鎖定在椎板上,，以防止錯(cuò)誤移動，其對10例病人進(jìn)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(xué)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(shí)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(jìn)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(xué),、藥劑學(xué)及藥物篩選,、癌癥研究等，目前已能夠?qū)Χ喾N組織類型進(jìn)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(jìn)展,，但臨床適用性仍然落后，依然任重道遠(yuǎn),。

美國食品藥品管理局批準(zhǔn)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(yuǎn),。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(fù)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?xiàng)l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(shí)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(gè)方面：

①打印時(shí)間及成本較高,，完成一件成品模型常需要花費(fèi)數(shù)小時(shí)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(jìn)步，能夠進(jìn)一步提升打印速度,、降低打印成本,，從而進(jìn)一步增加3D打印的應(yīng)用。

②3D打印的精度有限,，對一些細(xì)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(jī)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(gè)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(xué)數(shù)據(jù)打印出完全與實(shí)際標(biāo)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(shí)現(xiàn)多種質(zhì)地的模擬打印應(yīng)當(dāng)并不遙遠(yuǎn),。

④多種材料復(fù)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(shí)現(xiàn)。

⑤盡管生物打印研究已取得一定進(jìn)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(jì)實(shí)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(jìn)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(xué)、手術(shù)模擬,、技術(shù)培訓(xùn),、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(jìn)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(xué),、外科學(xué)的常規(guī)教學(xué)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(fù)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.