3D打印仿生人工椎体手术在粤完成

受访专家：南方医科大学南方医院脊柱骨科副主任医师 郑明辉

通讯员 李晓姗

当前，新一轮的数字化制造浪潮已在世界各国兴起，随着发达国家制造业竞争力的持续下滑，“3D打印”将成为实现数字化制造的关键技术。据了解，3D打印在医学领域，尤其是骨科方面可根据病人的病变部位切除重建的需要设计个性化的重建椎体，植入体内，使其功能的重建，并获得理想部位的功能。近期，南方医院就有一名患者成功进行了3D打印仿生人工椎体置换手术。

脊柱肿瘤使致椎体严重破坏

35岁的男性患者黄某，5个月前双下肢不明原因出现疼痛、麻木、无力等症状，且症状逐渐加重，仅能缓慢行走。在南方医科大学南方医院脊柱骨科进行相关检查后诊断为：骨巨细胞瘤合并动脉瘤样骨囊肿，相应层面椎管狭窄，压迫脊髓，导致胸12椎体及其附件骨质破坏。病人因脊椎肿瘤压迫神经，疼痛剧烈，生活质量严重下降。

据了解，骨巨细胞瘤是一种侵袭性肿瘤，又称破骨细胞瘤。其在我国的发病率仅次于骨软骨瘤和骨肉瘤，居骨肿瘤的第三位；绝大多数骨巨细胞瘤患者在20-40岁之间，15岁以下罕见，10岁以下极罕见；最常发生在长骨的骨端，常见于股骨下端、胫骨上端与橈骨下端，呈溶骨性，脊柱上比较少见。动脉瘤样骨囊肿又称良性骨动脉瘤，具有侵袭性的骨病损；60%-75%发生于股骨上端、椎体和附件，主要表现为局部肿痛，靠近关节时出现运动障碍，侵犯胸腰椎可以出现疼痛和下肢萎缩，大小便失禁甚至截瘫；多发生于10-20岁年龄段的人群。

南方医科大学南方医院脊柱骨科副主任医师郑明辉介绍，骨巨细胞瘤合并动脉瘤样骨囊肿很少见。肿瘤对该患者骨组织的破坏造成椎体强度下降，椎体高度丢失，继而出现腰背部疼痛症状，同时部分肿瘤组织突破进入椎管，造成脊髓、神经受压，患者有双下肢感觉、运动减退症状进行性加重。

经过集合全科及相关科室力量，详细评估患者病情，手术指证明确，经病例讨论后一致认为全麻下行全椎体切除、椎体置换。然而，用一个现有脊柱内固定产品的标准无法匹配病人的生理参数，且易出现内植入物下沉，继而出现钉板系统断裂可能。为了解决这个难题，治疗团队决定根据患者的情况，为他特制一个人工椎体。

3D打印仿生人工椎体手术让其恢复正常生活

据了解，研究团队根据病人脊柱的CT扫描数据，为患者的脊柱建立了精准的3D图像。根据这个图像，设计出属于病人的个性化植入物，并进行3D打印。为了使个性化定制的人工椎体与病人椎体之间更好的融合，研究团队设计二十余种承受荷载的框架结构，数十种骨小梁拓扑结构，圆柱形、肾形、笑脸型、香蕉型等十余种外形及大小，组合达到上千种。

经过数百次修改、模拟、再修改，确定了一体化结构、上下匹配结构及左右铆合结构三种最要框架结构结构；8面体、12面体、14面体三种骨小梁拓扑结构；100%、80%、61.8%三种大小；正方形、肾形、笑脸形三种外形；55%、65%、75%三种孔隙率（块状材料中孔隙体积与材料在自然状态下总体积的百分比）。

最后，经过测试筛选，结合该患者为单节段椎体破坏，并且位于胸12(胸腰段)，治疗团队选择了一体化结构、12面体骨小梁拓扑结构、原始椎体、75%孔隙率的人工椎体。

据了解，治疗团队通过患者术前脊柱CT，同时应用“逆向形技术”获取临近椎体终板形态作为人工椎体的上下面，这样可以让人工椎体与患者脊柱骨界面完全贴合，提高其接触面积、降低内植入物与骨界面应力，减少甚至避免终板骨折、人工椎体下沉。

“人工椎体坚强的内部框架结构支撑力，能够通过人工椎体轻松承载人体上半身重量，不仅恢复脊柱整体高度，同时提高脊柱整体稳定性，减少脊柱内固定松动和断裂的风险。这样患者术后尽早下地活动甚至进入正常生活。”最后，在手术团队和设计团队的共同努力下，手术取得圆满成功，患者术后3天便可自由下地活动，获得理想的治疗效果。

3D打印仿生人工椎体完工可控制在2周左右

郑明辉介绍，脊柱肿瘤、脊柱严重爆裂性骨折等所致椎体严重破坏的病患，其治疗方法主要为全椎体切除术，该手术会严重破坏脊柱生物力学的稳定性，凡是施行全椎体切除术者，均需要重建脊柱稳定性，即在切除的椎体处植入人工椎体，传统的人工椎体并非针对患者的个性化设计，是早已按型号机器加工设计好的，大小或不匹配，传统的人工椎体并非针对患者的个性化设计，大小匹配不合适，人工椎体上下面与人体本身的椎体不能完全接触，受力不均匀，易出现终板骨折、内固定下沉，严重影响其支撑力度，达不到理性的远期效果，有时需再次手术，再次手术时由于瘢痕生长，手术难度很大，风险高。

3D 打印个体化制备的置入物进行组织缺损的修复，可以大大提高外科手术的精确性与安全性。“所有的设计，都是尽量按照原始椎体的构造设计，达到更仿生、更符合患者解剖结构，减少甚至避免术中及术后对脊髓和神经的激惹、损伤，让手术团队能更快捷、更安全地完成人工椎体的置入，提高患者脊柱整体稳定性，有利于病人快速康复及参加工作。”除此之外，骨科手术导航模板能对复杂骨科手术进行术中导航，有助于提高手术成功率、降低手术难度。

该3D打印仿生人工椎体/间盘一体化植入物已拥有自主知识产权，达到国际领先水平。郑明辉表示，通过3D打印仿生人工椎体的设计，团队摸索了一套优化流程，目前可以将从患者获取病变椎体参数开始到最后个性化3D打印仿生人工椎体完工控制在2周左右。这为我国的科技创新事业写下浓厚的一笔。