北醫(yī)三院骨科團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用3D打印技術(shù)解決又一世界性難題

據(jù)南極熊了解，國(guó)內(nèi)3d打印在醫(yī)療領(lǐng)域又有了全新的突破，身體健壯的云女士做夢(mèng)也沒(méi)有想到，惡性脊柱腫瘤——脊索瘤會(huì)長(zhǎng)在自己的頸椎上，更沒(méi)有想到，除了手術(shù)，別無(wú)它法。人的頸椎由7節(jié)組成，其中2節(jié)上頸椎不僅形態(tài)特殊，而且承擔(dān)了頸椎活動(dòng)范圍的50%左右。上頸椎對(duì)應(yīng)的頸脊髓內(nèi)有心跳、呼吸中樞，一旦損傷，會(huì)立即死亡……

云女士罹患的惡性脊柱腫瘤累及4節(jié)頸椎。手術(shù)，預(yù)示著至少要切掉1節(jié)上頸椎3節(jié)下頸椎。這種大跨度的頸椎切除后椎體重建手術(shù)世界罕見(jiàn)。不應(yīng)用3D打印技術(shù)，幾乎成為無(wú)法完成的手術(shù)。2016年10月17日，北京大學(xué)第三醫(yī)院(以下簡(jiǎn)稱(chēng)「北醫(yī)三院」)骨科主任劉忠軍教授收治了一位4節(jié)頸椎被惡性腫瘤侵犯的重癥患者。劉教授團(tuán)隊(duì)給患者實(shí)施了全世界首例4節(jié)頸椎切除手術(shù)，并給患者安裝上全世界首個(gè)大跨度3D打印人工頸椎。

11月22日，距離手術(shù)結(jié)束僅一周，這個(gè)癌癥患者在3D打印頸椎的幫助下已經(jīng)可以起床活動(dòng)了。這要是在3D打印出現(xiàn)之前，是沒(méi)法想象的。

▲劉忠軍教授講解3D打印頸椎(北醫(yī)三院供圖)

3D打印作為一種新技術(shù)，從概念的提出到現(xiàn)在只有35年。1981年，名古屋市工業(yè)研究所的Hideo Kodama首次提出了3D打印的流程，并發(fā)明了兩個(gè)塑料3D打印最早的機(jī)器(1-3)。由于當(dāng)時(shí)的打印技術(shù)不利于商業(yè)化，所以很多公司并沒(méi)有采用3D打印技術(shù)。

直到1983年，著名發(fā)明家Chuck Hull發(fā)明了光固化技術(shù)(Stereolithography，SLA)，大大的改進(jìn)了3D打印技術(shù)，才有了今天3D打印的蓬勃發(fā)展。隨后Hull申請(qǐng)了專(zhuān)利保護(hù)(4)，并于1986年參與創(chuàng)辦了著名3D打印公司3D Systems，1988年第一個(gè)商業(yè)化的3D打印產(chǎn)品面市。由于Hull對(duì)3D打印的發(fā)展有巨大的貢獻(xiàn)，因此被稱(chēng)為「3D打印之父」。2014年，Hull因這項(xiàng)偉大的發(fā)明進(jìn)入美國(guó)專(zhuān)利商標(biāo)局的發(fā)明家名人堂。

2014年，時(shí)年75歲的Hull在接受CNN采訪(fǎng)時(shí)表示，「最讓我吃驚地是3D打印在醫(yī)療方面的應(yīng)用，我當(dāng)初沒(méi)有預(yù)料到這一點(diǎn)。直到與醫(yī)療影像領(lǐng)域的人一起工作，我才發(fā)現(xiàn)3D打印也能在醫(yī)療領(lǐng)域發(fā)揮作用�！�

▲手握自己3D打印塑像的「3D打印之父」Chuck Hull沒(méi)有料到3D打印在醫(yī)療領(lǐng)域的巨大潛力

實(shí)際上，一提起3D打印在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用，我們最先想到的都是打印心肝肺等人體器官。雖然最近幾年3D生物打印有較大進(jìn)展，但是3D生物打印活組織還處于科學(xué)研究階段，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有到臨床應(yīng)用階段。目前真正在臨床上治病救人的主要是用于手術(shù)規(guī)劃的3D打印人體器官模型，和高一級(jí)的不具備再生功能的人體植入物。

劉忠軍教授團(tuán)隊(duì)在11月15日切除了癌癥患者受腫瘤侵犯的四節(jié)頸椎后，給患者安裝的，就是不具備再生功能的3D打印人體植入物�！高@是世界首例四節(jié)頸椎切除手術(shù)，也是全世界首次用如此大跨度的3D打印內(nèi)植物修復(fù)頸椎。做這么大跨度的頸椎切除，如果沒(méi)有3D打印技術(shù)，我們現(xiàn)在是找不到合適的固定器械了�！箘⒅臆娊淌诟嬖V奇點(diǎn)。

我們先撇開(kāi)高難度的四節(jié)頸椎切除手術(shù)不談。實(shí)際上在大部分脊柱損傷手術(shù)中，需要切除的多為1-2節(jié)椎骨。對(duì)于這種小跨度的切除，還是有東西修復(fù)的，它就是鈦網(wǎng)。鈦網(wǎng)是鈦合金制成的金屬網(wǎng)，由于與人體兼容性好，且耐腐蝕、強(qiáng)度高，是骨科手術(shù)中常用的耗材。

▲鈦網(wǎng)就是把鈦合金制成網(wǎng)狀，在這個(gè)網(wǎng)的基礎(chǔ)上可以根據(jù)需要做成多種性狀。上圖是修復(fù)頭骨時(shí)使用的鈦網(wǎng)

為了起到椎骨那樣的支撐作用，設(shè)計(jì)人員將替換椎骨的鈦網(wǎng)做成了中空的圓柱形(類(lèi)似于沒(méi)有底的竹籃子)。在使用時(shí)，醫(yī)務(wù)人員可以根據(jù)患者椎骨的大小，將鈦網(wǎng)截取成合適的長(zhǎng)度，然后填到椎骨缺失的位置。由于鈦網(wǎng)兩端缺少固定的接頭，一般鈦網(wǎng)是依靠上下椎骨將其夾持住。為了促進(jìn)鈦網(wǎng)和上下椎骨之間的愈合，鈦網(wǎng)中間會(huì)裝一些異體骨(從其他人身上獲取的骨頭)，將鈦網(wǎng)兩端的椎骨「連接」起來(lái)，將來(lái)中間的異體骨會(huì)慢慢生長(zhǎng)，把鈦網(wǎng)兩端的椎骨真正的連接起來(lái)。

▲修復(fù)脊椎損傷的鈦網(wǎng)。不難看出，由于鈦網(wǎng)中空，所以與椎骨的接觸面積非常小。因此與鈦網(wǎng)接觸的兩節(jié)椎骨有時(shí)會(huì)被壓壞，出現(xiàn)坍塌。后果可想而知，患者極有可能因此抬不起頭。

但是這種國(guó)際通用的辦法有很多問(wèn)題，第一，鈦網(wǎng)就是一個(gè)簡(jiǎn)單的支撐作用，上下也沒(méi)有很好的連接固定，抗旋轉(zhuǎn)能力、抗各種屈曲能力都很差;第二，如果切除的椎骨太長(zhǎng)(比如4節(jié)及以上)，由于臨床需求少，甚至找不到現(xiàn)成的鈦網(wǎng);第三，鈦網(wǎng)都是筆直的，但是人的脊椎是有生理曲線(xiàn)的;第四，鈦網(wǎng)與相鄰的椎體接觸面積小，容易導(dǎo)致相鄰椎體塌陷。

▲植入人體的鈦網(wǎng)拍片效果圖。這個(gè)鈦網(wǎng)取代了患者的兩節(jié)頸椎骨。醫(yī)生為了讓鈦網(wǎng)固定，還在外面用一片鈦網(wǎng)做了個(gè)「圍欄」把支撐的鈦網(wǎng)包了起來(lái)，防止起支撐作用的鈦網(wǎng)移位。

這些問(wèn)題，如果沒(méi)有3D打印是很難解決的。2009年，與劉忠軍教授團(tuán)隊(duì)合作改進(jìn)人工關(guān)節(jié)的北京愛(ài)康宜誠(chéng)醫(yī)療器材有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)愛(ài)康醫(yī)療)在國(guó)內(nèi)率先引進(jìn)了3D打印設(shè)備。劉忠軍教授團(tuán)隊(duì)遂與愛(ài)康醫(yī)療的合作研發(fā)3D打印醫(yī)用內(nèi)植物，開(kāi)發(fā)一些更好的骨科損傷治療產(chǎn)品。

經(jīng)過(guò)3年的研發(fā)，北醫(yī)三院骨科團(tuán)隊(duì)推出了國(guó)內(nèi)首個(gè)3D打印髖關(guān)節(jié)。經(jīng)過(guò)大量的臨床觀(guān)察之后，2015年7月底，3D打印人工髖關(guān)節(jié)產(chǎn)品獲得國(guó)家食品藥品監(jiān)督管理總局(CFDA)注冊(cè)批準(zhǔn)，成為我國(guó)首個(gè)3D打印人體植入物。隨后，劉忠軍教授團(tuán)隊(duì)與愛(ài)康醫(yī)療聯(lián)合研發(fā)的人工椎體和椎間融合器先后獲得CFDA注冊(cè)批準(zhǔn)。

▲中國(guó)首個(gè)獲CFDA注冊(cè)批準(zhǔn)的3D打印植入物——3D打印髖關(guān)節(jié)(北醫(yī)三院供圖)

「我們開(kāi)發(fā)的髖關(guān)節(jié)植入物，頸椎上用的椎間融合器和人工椎體，已經(jīng)獲得CFDA批準(zhǔn)上市了，它們都是標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，有各種不同的型號(hào)，現(xiàn)在患者切個(gè)椎間盤(pán)和椎體，醫(yī)生只需選個(gè)合適型號(hào)直接用就可以了�！箘⒅臆娊淌谡f(shuō)。實(shí)際上，對(duì)于那些可以用標(biāo)準(zhǔn)化植入物治療的人體構(gòu)件，3D打印的技術(shù)優(yōu)勢(shì)并沒(méi)有完全發(fā)揮。

2014年7月中旬，劉忠軍教授收治了一名樞椎(頭下面第二節(jié)頸椎)被惡性腫瘤侵犯的患者。與其他頸椎相比，樞椎是頸椎中最不穩(wěn)定、最脆弱的部分，一直以來(lái)都是「手術(shù)禁區(qū)」，而且樞椎的大小和結(jié)構(gòu)因人而異，目前的醫(yī)療耗材根本沒(méi)法滿(mǎn)足需求。雖然國(guó)際通用的鈦網(wǎng)也可以用于治療，但是風(fēng)險(xiǎn)較高。

在3D打印領(lǐng)域已經(jīng)潛心研究5年的劉忠軍教授團(tuán)隊(duì)，已經(jīng)自主研發(fā)了一套3D打印椎體的方法(5)，并在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中取得良好的效果。于是，劉忠軍教授和他的團(tuán)隊(duì)決定嘗試使用3D打印微孔鈦合金樞椎代替缺損的椎骨。2014年7月底，劉忠軍教授成功給患者植入世界首個(gè)定制化3D打印樞椎椎體(6)。

▲劉忠軍教授和3D打印樞椎椎體(北醫(yī)三院供圖)

「像這樣的定制化3D打印人工樞椎，到目前為止我們已經(jīng)完成了6例，沒(méi)出任何問(wèn)題，都獲得了很好的結(jié)果。全世界目前沒(méi)有哪家醫(yī)院能像我們做到這樣�！箘⒅臆娊淌谀弥鴥蓚�(gè)標(biāo)本說(shuō)，「像這個(gè)樞椎和這次這個(gè)四節(jié)的內(nèi)植物都是個(gè)體定制的，因?yàn)槊總�(gè)人他都不是標(biāo)準(zhǔn)的，我們只能根據(jù)每個(gè)人的情況做成不同大小�！�3D打印技術(shù)在醫(yī)療中的應(yīng)用價(jià)值，只有在這種定制化治療中才能完全展現(xiàn)出來(lái)。

▲用來(lái)替換4節(jié)頸椎的3D打印內(nèi)植物(是不是跟想象中的完全不一樣，做成這樣是有原因的，后文會(huì)告訴你)。該內(nèi)植物通過(guò)兩端的接頭直接固定在第一節(jié)和第六節(jié)椎骨上。它的力學(xué)強(qiáng)度和與上下椎骨的接觸面積，都明顯大于傳統(tǒng)的鈦網(wǎng)。一段時(shí)間后，這個(gè)具備人體生理曲度的「海綿狀」微孔鈦合金3D打印內(nèi)植物會(huì)被新生的骨組織充滿(mǎn)(見(jiàn)下圖)，并被各種軟組織包被。(北醫(yī)三院供圖)

在技術(shù)相對(duì)成熟的今天，定制3D打印內(nèi)植物的過(guò)程并不復(fù)雜。首先給病人做CT掃描獲取患者的頸椎數(shù)據(jù)，并用專(zhuān)業(yè)的軟件把CT掃描的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成3D打印的數(shù)據(jù)，然后就可以打印出患者的頸椎模型。醫(yī)務(wù)人員再根據(jù)這個(gè)頸椎模型來(lái)設(shè)計(jì)內(nèi)植物的大小，曲度和形態(tài)，然后把數(shù)據(jù)輸入到相關(guān)的設(shè)備里面，只需開(kāi)動(dòng)機(jī)器打印就行了。按照目前的設(shè)備，打印這個(gè)替代4節(jié)椎骨的內(nèi)植物大概需要13個(gè)小時(shí)左右。

奇點(diǎn)一直以為定制化3D打印椎骨跟人體的椎骨一模一樣，然而并不是，而且完全不一樣。后來(lái)奇點(diǎn)了解到，定制化3D打印椎骨之所以跟椎骨不一樣，主要是考慮到實(shí)用性。由于頸椎中布滿(mǎn)神經(jīng)、血管和脊髓，所以為了便于手術(shù)中操作方便，在滿(mǎn)足力學(xué)強(qiáng)度的前提下，就要把植入物設(shè)計(jì)的相對(duì)小一些。這樣對(duì)患者的創(chuàng)傷也較小，更有利于患者快速恢復(fù)。

這個(gè)定制化3D打印椎骨最大的難點(diǎn)和亮點(diǎn)是通體「海綿狀」的微孔結(jié)構(gòu)。這就意味著整個(gè)內(nèi)植物都是由微孔組成的。這樣設(shè)計(jì)的目的主要是為了讓人的骨頭可以直接長(zhǎng)到微孔里面，和這個(gè)內(nèi)植物實(shí)現(xiàn)融合(7)。這也是跟鈦網(wǎng)最主要的區(qū)別。

▲動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中的3D打印微孔內(nèi)植物切片顯微圖(就是上圖的鈦合金內(nèi)植物在植入動(dòng)物體內(nèi)一段時(shí)間后的切片圖)，可以看到微孔中已經(jīng)長(zhǎng)滿(mǎn)了骨組織

從上圖可以看到，骨頭在微孔鈦合金里長(zhǎng)得很好。劉忠軍教授團(tuán)隊(duì)還在做進(jìn)一步的研究，希望通過(guò)在內(nèi)植物的表面上再附著一層更容易長(zhǎng)骨頭的材料，讓骨頭長(zhǎng)得更快、更好。這樣一來(lái)，就可以大大縮短患者的康復(fù)時(shí)間。

「實(shí)際上3D打印在這里面的作用不是說(shuō)使我們的手術(shù)變簡(jiǎn)單了，手術(shù)該怎么難，還是怎么難。關(guān)鍵是我們手術(shù)以后，想把這個(gè)頸椎的結(jié)構(gòu)再把它重建，3D打印給我們提供了一個(gè)非常好的技術(shù)。3D打印可以使原來(lái)沒(méi)有治療辦法的疑難疾病，找到治療辦法，原來(lái)有治療辦法的，可以得到一定的改進(jìn)，提高治療效果�！箘⒅臆娊淌谡f(shuō)。

雖然定制化的3D打印內(nèi)植物可以滿(mǎn)足醫(yī)療中更多的需求，但是由于目前還沒(méi)有相關(guān)的法規(guī)，這項(xiàng)新技術(shù)還沒(méi)有被廣泛用在臨床。而劉教授團(tuán)隊(duì)一直在國(guó)內(nèi)積極推動(dòng)3D打印技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。

「我們現(xiàn)在用這個(gè)東西主要是基于治病救人，沒(méi)有這個(gè)東西，就沒(méi)有辦法挽救他了。在這個(gè)前提下，有前邊我們這些研究，有這些標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品做支撐，所以我們采用這種個(gè)體定制的產(chǎn)品先挽救患者，當(dāng)然在這個(gè)過(guò)程里面也是為我們正在建立的法規(guī)，不斷地提供依據(jù)�！箘⒅臆娊淌谡f(shuō)。

相關(guān)資料：

【1】Kaye R， Goldstein T， Zeltsman D， Grande DA， Smith LP. 2016. Three dimensional printing： A review on the utility within medicine and otolaryngology. International Journal of Pediatric Otorhinolaryngology 89：145-8

【2】Kodama H. 1981. Automatic method for fabricating a three‐dimensional plastic model with photo‐hardening polymer. Review of Scientific Instruments 52：1770-3

【3】Kodama H. 1981. A scheme for three-dimensional display by automatic fabrication of three-dimensional model. IEICE Trans. Electron. Jpn J64-C (4)：237-41

【4】Hull CW. 1986. Apparatus for production of three-dimensional objects by stereolithography. Google Patents

【5】Yang J， Cai H， Lv J， Zhang K， Leng H， et al. 2014. In vivo study of a self-stabilizing artificial vertebral body fabricated by electron beam melting. Spine 39：E486-E92

【6】Xu N， Wei F， Liu X， Jiang L， Cai H， et al. 2016. Reconstruction of the Upper Cervical Spine Using a Personalized 3D-Printed Vertebral Body in an Adolescent With Ewing Sarcoma. Spine 41：E50-E4

【7】Xiu P， Jia Z， Lv J， Yin C， Cheng Y， et al. 2016. Tailored Surface Treatment of 3D Printed Porous Ti6Al4V by Microarc Oxidation for Enhanced Osseointegration via Optimized Bone In-Growth Patterns and Interlocked Bone/Implant Interface. ACS Applied Materials & Interfaces 8：17964-75

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