吳天順1,2陳揚(yáng)2*藍(lán)濤2蘇萌2袁俊虎2楊欣建2

在最近20年科技技術(shù)的發(fā)展中，尤其是近幾年，熱點(diǎn)的3D打印技術(shù)已經(jīng)深深地融入了我們醫(yī)療領(lǐng)域中。已經(jīng)有相當(dāng)多的醫(yī)療器械公司在研發(fā)新產(chǎn)品上使用3D打印技術(shù)?，F(xiàn)在，在我們骨科領(lǐng)域里面，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)有部分完成了從實(shí)驗(yàn)室節(jié)段到臨床應(yīng)用階段的轉(zhuǎn)化。3D打印技術(shù)制作的產(chǎn)品也不單單局限于各種解剖結(jié)構(gòu)模具及手術(shù)導(dǎo)板，也有如髖臼臼杯、脊柱椎體等各種個(gè)性化的植入物。在臨床上，我們可以通過將影像學(xué)數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)重建三維模型，制作出個(gè)性化實(shí)物模型，使醫(yī)生更加直觀全面地、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)影像學(xué)隱藏的解剖信息，并且還可以直接在打印的實(shí)物模型上進(jìn)行診斷、制定手術(shù)方案甚至模擬等，從而使得疾病診斷率、手術(shù)方案精準(zhǔn)性均得到一定程度提高，在我們脊柱外科的臨床診療中提供了極大的可考量性 [1,2]。

個(gè)體化定制，即術(shù)者根據(jù)患者自身實(shí)際情況制作的植入物，以滿足在生物力學(xué)、人體工程學(xué)等多方面的具體要求。如需要與患者解剖結(jié)構(gòu)更為合適的植入物以提高手術(shù)療效時(shí)，則需要個(gè)體化的植入物，3D打印可以滿足其復(fù)雜性要求。李小康等 [3]在頸前路椎間盤切除術(shù)中，應(yīng)用3D打印技術(shù)打印椎間融合器，置入實(shí)驗(yàn)雌性小尾寒羊體內(nèi)。并且術(shù)后觀察顯示實(shí)驗(yàn)寒羊雙下肢活動(dòng)良好。而且術(shù)后影像學(xué)檢查及術(shù)后6月處死實(shí)驗(yàn)動(dòng)物后發(fā)現(xiàn)椎間融合器位置、椎間高度、椎體融合良好?？梢娡ㄟ^3D打印技術(shù)完成的個(gè)體化椎間融合器可保證椎間不規(guī)則形態(tài)匹配，更加貼附周圍結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)對(duì)脊柱椎間融合器主要應(yīng)用的3D打印材料分類以及部分打印工藝及臨床應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)，大概了解分析并展望3D打印脊柱椎間融合器的發(fā)展趨勢(shì)，為臨床醫(yī)生與科研人員提供參考。

1 打印材料

為了能夠?qū)崿F(xiàn)身體承重、活動(dòng)等基本功能，對(duì)于人體骨科植入物來說，其必須具有一定的生物力學(xué)性能才能夠確保植入物及周圍結(jié)構(gòu)的形態(tài)完整性。作為制作椎間融合器材質(zhì)，首先得具有有良好的生物組織相容性，其次必須有一定的強(qiáng)度確?？梢灾巫甸g隙、維系足夠椎間隙高度，并且對(duì)周圍組織有一定的生物安全性 [4]。目前一般用于科學(xué)研究及臨床應(yīng)用的椎間融合器材料主要有金屬類，如鈦合金、鉭金屬及記憶金屬鎳鈦合金等，非金屬類如聚醚醚酮（PEEK）、聚乳酸（PLA）、碳纖維等 [5]。

1.1 金屬材料

1.1.1 鈦合金材料

在各種植入物的制作中，已經(jīng)有相當(dāng)多的文獻(xiàn)研究并被應(yīng)用于臨床，其中最廣泛的即為金屬及其合金。鈦及其合金因多個(gè)優(yōu)勢(shì)被最廣泛研究并用于制備椎間融合器。Rapuano等 [6]研究發(fā)現(xiàn)鈦合金能于自身表面形成一層氧化層促進(jìn)如纖維蛋白、膠原蛋白等粘附于其表面，從而使成骨細(xì)胞有更牢固的粘附力。孫鈺等 [7]人通過研究一種新型超細(xì)晶低彈鈦合金發(fā)現(xiàn)，這種新鈦合金不僅生物組織相容性及安全性較高，還有極強(qiáng)的抗腐蝕性，促進(jìn)骨生長能力強(qiáng)，擁有很好的應(yīng)用發(fā)展前景。

北京大學(xué)第三醫(yī)院研究團(tuán)隊(duì)[8]設(shè)計(jì)了3D打印鈦合金椎體，通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)后影像學(xué)可看出其骨融合、穩(wěn)定性良好。而且3D打印螺釘因其表面技術(shù)加工后較傳統(tǒng)螺釘粗糙，因此也有更高的摩擦力，在之后的臨床應(yīng)用檢測中也發(fā)現(xiàn)其更好的抗旋轉(zhuǎn)性能。

1.1.2 鉭金屬

隨著研究及初步的臨床應(yīng)用的迅猛進(jìn)展，使得鉭金屬及其合金在骨科應(yīng)用材料中逐漸成為一個(gè)新方向 [9]。

鉭金屬所制作的椎間融合器（TC）其微孔率高達(dá)80%，與其他任何假體金屬相比更接近于骨質(zhì)，其多孔性及其類似骨小梁的結(jié)構(gòu)可使骨的融合率及軟組織的滲入率更高[10]。TC還有低彈性模量、高負(fù)重強(qiáng)度及高摩擦系數(shù)等性質(zhì)，在即使超過生理負(fù)重時(shí)可以將應(yīng)力遮擋作用最小化，這些性質(zhì)使其足以承受生理負(fù)重并維持融合器的即刻穩(wěn)定性 [11]。

在脊柱外科的研究及臨床應(yīng)用中，現(xiàn)已有多篇文獻(xiàn)表明了TC的優(yōu)越性。張雷等 [12]研究可以看出，無論在術(shù)后近期或者遠(yuǎn)期觀察中，TC均能顯著地提高其脊柱的穩(wěn)定性、維持椎體高度、保證其椎間融合率，明顯提高患者術(shù)后生活質(zhì)量。Zou等 [13]通過測試在動(dòng)物脊柱上植入由技術(shù)加工的鉭金屬和碳纖素2種材料制備的椎間融合器，并在術(shù)后1、3、6月用X線及活動(dòng)癥狀等評(píng)分，發(fā)現(xiàn)術(shù)后6個(gè)月后鉭金屬組的脊柱椎體間的骨融合率更好，骨整合能力更佳（P＜0.05）。

1.1.3 鎳鈦合金

形狀記憶合金 (SMA)顧名思義，即擁有“記憶”效應(yīng)的合金，鎳鈦合金就屬于其中的一種，也是目前SMA中唯一已經(jīng)被應(yīng)用于臨床的 [14]。其主要特性有：形態(tài)記憶，在某特定的溫度或其他條件下可以產(chǎn)生形態(tài)的改變，當(dāng)條件發(fā)生改變時(shí)又會(huì)復(fù)原。適中的彈性模量，鎳鈦SMA的彈性模量性能與其他金屬及其合金相比，更為接近我們?nèi)梭w骨骼骨質(zhì)，且其生物力學(xué)性也較好。生物組織相容性好。鎳鈦SMA的抗磨損性能和耐腐蝕性能比鈦合金好，并且體內(nèi)毒性試驗(yàn)表示其具有不錯(cuò)的生物安全性，已被用于制作生物支架和內(nèi)固定材料等應(yīng)用于臨床。磁相容性良好，因其特殊的磁相容性的性質(zhì)，可直接進(jìn)行MRI檢查 [15,16]。昌耘冰等 [17]將其研發(fā)特制的鎳鈦SMA椎間融合器手術(shù)植入在新鮮腰椎節(jié)段標(biāo)本上測試發(fā)現(xiàn)，該椎間融合器以其獨(dú)特的變形特性對(duì)各個(gè)脊柱標(biāo)本均提供了可靠的穩(wěn)定性，并且由于其可以無需后路固定器械而單獨(dú)使用，這也為我們以后的植入物制作提供了一個(gè)新的思考方向。Liu等人 [18]通過在8例新鮮脊柱椎體節(jié)段標(biāo)本上測試鎳鈦合金椎體，發(fā)現(xiàn)其在屈曲、伸展、側(cè)彎、旋轉(zhuǎn)等多個(gè)方向上較原椎體有著更好的穩(wěn)定性（P＜0.05）。

隨著4D打印技術(shù) [19]的成熟，形狀記憶合金將用于制備更多創(chuàng)新的脊柱內(nèi)植物。

1.2 非金屬材料

1.2.1 生物不可吸收型材料

（1）聚醚醚酮 (PEEK)/聚醚酮酮（PEKK）

PEEK/PEKK均為由人工合成的半水晶樣多聚體，其生物組織相容性很好，彈性適中，極少發(fā)生硬性斷裂[20]。研究表明，PEEK/PEKK有著適中的彈性模量，大致處于皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨之間，并且其有足夠的力學(xué)強(qiáng)度。更有研究表明PEEK/PEKK椎間融合器可以減少與其接觸的軟骨終板的應(yīng)力，從而降低融合器的塌陷率，防止融合器旋轉(zhuǎn)，提供更有力的融合，并且PEEK/PEKK材料能穿透X線，有利于評(píng)估觀測術(shù)后融合情況。再者，PEEK/PEKK椎間融合器內(nèi)塞充的碎骨粒會(huì)逐漸有新生骨長入取代，從而實(shí)現(xiàn)更加牢固的組織學(xué)融合 [21,22]。Lemcke等 [23]對(duì)335例行頸椎前路減壓融合手術(shù)中使用了PEEK椎間融合器的患者進(jìn)行了超過2～3年的隨訪，其中在277例有完整回訪記錄的信息中可以發(fā)現(xiàn)，其中有118例患者在日本骨科協(xié)會(huì)評(píng)估治療(JOA)評(píng)分中為恢復(fù)較佳，112例患者為良好，只有20例患者評(píng)分表示恢復(fù)一般，從中我們可以看出，PEEK椎間融合器其對(duì)術(shù)后患者臨床癥狀的改善是明顯的，均可達(dá)到良好的融合與穩(wěn)定性。

法國醫(yī)生Vincent于2014年通過使用MEDICREA公司以PEKK為材料制作的3D打印椎間融合器，成功完成1例脊柱融合手術(shù) [5]。

（2）碳纖維

早在20世紀(jì)90年代初，Britigan和 Steffee[24]便設(shè)計(jì)制作了碳纖維椎間融合器并在后路腰椎手術(shù)中應(yīng)用。碳纖維材料有以下優(yōu)勢(shì)：與正常組織比較，此材料制成的植入物在彈性模量性能及生物力學(xué)性能兩方面的差別較小，很大程度上減小了其應(yīng)力遮蔽作用；在制作中可于其表面加工成粗糙多孔型，可提供更佳的摩擦力及吻合力，降低移位幾率；能夠穿透 X線，使我們?cè)谛g(shù)后更好觀察骨植入材料及新生骨情況等。隨著醫(yī)療水平的提高及科技的進(jìn)步，YOO等 [25]對(duì)58例頸椎單節(jié)段退行性變的患者行手術(shù)時(shí)分別使用了碳纖維、PEEK材料制作的椎間融合器，通過對(duì)患者術(shù)前術(shù)后的影像學(xué)及臨床表現(xiàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)所有患者均有改善。Vadapalli等 [26]在將椎間融合器雙表面均改為弧面，更大地增加了融合器與上下椎體終板的接觸面。在之后的隨訪中也發(fā)現(xiàn)這樣可有效提高椎間體的骨整合能力，融合率高，很大程度上降低了融合器移位等并發(fā)癥出現(xiàn)的概率。

1.2.2 可吸收型材料

高分子材料既擁有極好的生物組織相容性，且在人體內(nèi)環(huán)境中能夠逐漸被分解成為無毒的小分子物質(zhì)，被吸收甚至繼續(xù)利用、參與生物代謝，又被稱為可吸收材料 [27]，在20世紀(jì)60年代中期可吸收材料逐漸在臨床上使用以來，目前已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，其優(yōu)越性越發(fā)引起人們關(guān)注。在脊柱外科，其衍生物已被研發(fā)出來制作椎間融合器使用，其中最為受用的為聚乳酸（PLA）及其衍生物。PLA為乳酸單體結(jié)構(gòu)構(gòu)成，為半晶體聚合物。由PLA材料制成的椎間融合器有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：首先可隨時(shí)間發(fā)生生物降解，生物安全性強(qiáng)，生物組織相容性良好，其次對(duì) X線通透性高，并且有著一定的初始力學(xué)強(qiáng)度，能夠保證足夠的支撐作用。

Krijnen等人 [28]對(duì)35例成年荷蘭山羊的L3-L4行椎體融合術(shù)，制作的椎間融合器分別使用了鈦金屬及PLA合成物聚-DL-乳酸 (PDLLA)。在后期的隨訪中發(fā)現(xiàn)，PDLLA椎間融合器的機(jī)械穩(wěn)定性較鈦合金差，其主要表現(xiàn)在融合器的變形及較低的融合率，這也提示著PDLLA椎間融合器若要獲得成功的融合必須增強(qiáng)其內(nèi)在強(qiáng)固性。但另一方面，PDLLA融合器只有輕微的宿主反應(yīng)，可見其生物相容性是相對(duì)優(yōu)秀的。

Zhang等 [29]研究將納米金剛石（ND）與PLA處理轉(zhuǎn)換的聚-L-乳酸(PLLA)混合合成ND/PLLA復(fù)合材料，其彈性模量和硬度較前明顯提高，力學(xué)性能與人皮質(zhì)骨相近，且能促進(jìn)成骨細(xì)胞生長，是良好的植骨替代材料。聚乳酸-羥基乙酸共聚物 (PLGA)由PLA和聚己酸共聚物按一定比例混合合成，強(qiáng)度與PLLA相當(dāng)，具有良好的生物相容性，降解速率可調(diào)，完全吸收時(shí)間在9～18個(gè)月之間，比完全吸收需要耗時(shí)3～5年的PLLA顯著縮短。

目前，PLA及其衍生的混合共聚物的科學(xué)研究及臨床應(yīng)用工作正在逐步開展，該材料最主要的優(yōu)勢(shì)在于其應(yīng)用于融合器時(shí)可針對(duì)性地因混合物不同的需要來靈活改變物質(zhì)參數(shù)，但關(guān)鍵參數(shù)對(duì)于融合器的強(qiáng)度及生物相容性等均有重要影響 [30]，因此尋找一個(gè)最優(yōu)化的參數(shù)組合對(duì)于此研究領(lǐng)域來說仍是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。可吸收材料用于制備3D打印椎間融合器的應(yīng)用文獻(xiàn)尚未有報(bào)道，但其這些特殊的性質(zhì)及優(yōu)勢(shì)也為我們醫(yī)療科研人員提供了一個(gè)未來椎間融合器新的發(fā)展方向。

1.2.3 醫(yī)用無機(jī)非金屬材料

近年來，隨著生物工程材料學(xué)科研人員的努力，目前已經(jīng)研發(fā)了擁有高質(zhì)量強(qiáng)度且抗磨性能、抗腐蝕性好的生物陶瓷、生物玻璃及磷酸鈣陶瓷和醫(yī)用碳素等，這些材料與我們正常人骨骼性質(zhì)相似。其中磷酸鈣生物陶瓷是較早用于研究的 [31]，它因?yàn)槟軌蛐纬深愃朴谌梭w骨組織的結(jié)構(gòu)，對(duì)骨組織細(xì)胞的分化生長非常合適。有報(bào)道稱 [32]已研究出一種3D打印的由雙管道聚乳酸/-磷酸三鈣生物陶瓷復(fù)合材料構(gòu)成的生物支架，其不僅有一定的力學(xué)強(qiáng)度，并且其獨(dú)特的可調(diào)多孔結(jié)構(gòu)能很好地用于修復(fù)骨重建缺損。研究表明[33]，3D打印的陶瓷支架具有明顯促進(jìn)干細(xì)胞成骨細(xì)胞分化和血管生成等功能作用。并且研究表示增加 -磷酸三鈣的含量，亦可顯著加強(qiáng)促進(jìn)干細(xì)胞成骨細(xì)胞分化的能力?？梢钥闯觯锾沾傻目箟毫?qiáng)度與其骨誘導(dǎo)能力與人體松質(zhì)骨相近，但其打印時(shí)需要在極高溫環(huán)境下，并且此材料有脆性高、韌性差、剪切應(yīng)力弱的缺點(diǎn)[34]。目前對(duì)生物陶瓷的3D打印研究僅僅局限于硬組織，但不難看出，該材料良好的生物相容性結(jié)合3D精確快速成型、個(gè)性化等諸多優(yōu)點(diǎn)，在生物組織材料以及個(gè)體化醫(yī)療領(lǐng)域中必定能取得新的突破。

1.2.4 再生骨-細(xì)胞參與的生物3D打印材料

近幾年在3D打印醫(yī)療領(lǐng)域中，有人提出一種把需要的細(xì)胞混合在打印的組織中共同打印后進(jìn)行體內(nèi)移植的新設(shè)想，主要觀點(diǎn)為植入體內(nèi)后的細(xì)胞繼續(xù)生長，而其他成分被吸收。這是一項(xiàng)需要醫(yī)學(xué)、材料學(xué)、計(jì)算機(jī)學(xué)、生物學(xué)等多個(gè)學(xué)科配合參加的超級(jí)大科學(xué)。雖然此設(shè)想目前大部分還在實(shí)驗(yàn)階段，但肌肉的打印早已出現(xiàn)。Trojani等 [35]的“生物墨盒”即是利用多種細(xì)胞制作，并用其打印出3D肌性組織，并通過一定的處理后很好的維持其體內(nèi)外的存活，目前神經(jīng)、血管的修復(fù)重建已有不少學(xué)者研究并取得了不錯(cuò)的進(jìn)展，這些都給了我們對(duì)日后脊柱的損傷修復(fù)有一定的鼓舞及啟示，目前這種細(xì)胞參與的生物3D打印如椎間融合器等植入物仍停留在設(shè)想階段。

2 3D打印椎間融合器的技術(shù)加工處理

目前，選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）、電子束熔融技術(shù)（EBM）、選擇性激光熔融技術(shù)（SLM）等仍是用于制備3D打印植入物的主要技術(shù) [5]。SLS是指通過定點(diǎn)高功率激光燒灼使材料間產(chǎn)生反應(yīng)合成產(chǎn)品的打印技術(shù)。其應(yīng)用材料廣泛是最突出的優(yōu)勢(shì)，如PEEK、PDLLA、鈦合金、陶瓷等任何激光燒灼后產(chǎn)生相鄰原子黏結(jié)的細(xì)顆粒材料均可。而SLM與EBM均屬于金屬直接熔融技術(shù)，分別使用激光或電子束定點(diǎn)燒灼金屬顆粒。其中SLM最大優(yōu)勢(shì)就是其成型精度高，因其能分層燒灼各種金屬材料，但也造成了其打印速度較慢，并且通常必須二次熱處理，比較常用在制作微型、精確度高的產(chǎn)品打印。EBM的成型精度雖稍低于SLM，但其相對(duì)地有打印速度快、效率高、去除雜質(zhì)等優(yōu)越性能，并在高溫下可自行再次塑型，不用再次熱處理等 [36,37]。從多篇文獻(xiàn)報(bào)道總結(jié)中可以設(shè)想，在脊柱椎間融合器等植入物的制造中，SLS技術(shù)相對(duì)而言有著應(yīng)用材料廣泛、微觀可調(diào)控、較好的生物力學(xué)及相容性等優(yōu)勢(shì)，但由于其應(yīng)用材料均存在一定的內(nèi)應(yīng)力，相對(duì)容易變形、穩(wěn)定性較差等問題。而應(yīng)用金屬作材料的SLM及EBM技術(shù)，其有精度高、優(yōu)越的組織相容性及良好的穩(wěn)定性和融合率等顯著優(yōu)勢(shì)，但其也存在著應(yīng)用材料僅限于金屬、可調(diào)控性相對(duì)差等不足。如何將兩者取長補(bǔ)短，使其能夠通過不同需求采用各種材料適應(yīng)的同時(shí)，也使其打印出來的植入物具有良好的生物相容性、優(yōu)越的穩(wěn)定融合率等，也是我們廣大臨床科研者需要鉆研的一項(xiàng)難題。

人骨主要由皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨組成，兩者在組成成分、孔隙大小及組織密度上均有明顯差別。脊柱椎體表層的骨密質(zhì)較薄，內(nèi)部主要是疏松的骨松質(zhì)[38]。我們的3D打印技術(shù)通過控制孔隙參數(shù)使椎間融合器擁有多孔結(jié)構(gòu)，使其具有一定的彈性模量的同時(shí)增加骨組織的滲入率，降低松動(dòng)和椎間高度丟失等相關(guān)并發(fā)癥問題 [39,40]。

3D打印另一項(xiàng)重要技術(shù)是表面粗糙工藝。研究表明[41,42]，植入物的相關(guān)生物組織學(xué)反應(yīng)如成骨細(xì)胞的分化生長等，均與其表面工藝如粗糙程度等有關(guān)，并且發(fā)現(xiàn)在表面較粗糙的植入物中骨生長的能力較光滑的更強(qiáng)。亦有學(xué)者利用EBM熔融鈦合金TC4金屬粉末使光滑的螺釘表面粗糙，并與原光滑螺釘比較，結(jié)果顯示表面粗糙螺釘與周圍骨組織有更多的融合及更強(qiáng)的抗扭轉(zhuǎn)特性，體現(xiàn)了表面粗糙植入物的優(yōu)勢(shì) [43]。

3 3D打印脊柱內(nèi)植物的主要問題與展望

3.1 3D打印技術(shù)的優(yōu)越

3D打印技術(shù)是一項(xiàng)具有跨越性的技術(shù)革命創(chuàng)新，在脊柱植入物的制作方面相對(duì)于傳統(tǒng)工藝優(yōu)勢(shì)顯著。脊柱手術(shù)的難度與其復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)、較深的部位及周圍毗鄰神經(jīng)及血管密切相關(guān)。而手術(shù)成功與其疾病的正確診斷、準(zhǔn)確定位責(zé)任節(jié)段以及術(shù)前合理規(guī)劃緊密相關(guān)。隨著3D打印技術(shù)的研發(fā)工作取得多個(gè)難點(diǎn)的突破及我們?cè)谂R床應(yīng)用獲取的經(jīng)驗(yàn)，如今我們可以靈活地使用3D打印技術(shù)制作個(gè)體化模具，為整個(gè)診療提供了一種新的方法。

生物3D打印技術(shù)的面世，成為多維打印在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)展中的一道獨(dú)特風(fēng)景。為了使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)和氧深入組織，Kang等 [44]人通過在組織中打印微通道結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)這樣在保持組織內(nèi)細(xì)胞存活的同時(shí)還能使組織建立血管系統(tǒng)。此技術(shù)使得3D打印人造骨骼及其它軟組織等有望成為現(xiàn)實(shí)。此外，智能記憶材料的應(yīng)用使3D打印增加了某一種特性，打印組織的形態(tài)結(jié)構(gòu)可隨溫度、時(shí)間等變化 [45]，隨著該材料的研發(fā)與應(yīng)用取得突破性的進(jìn)展，3D打印也慢慢朝著4D打印時(shí)代邁進(jìn)。

3.2 3D打印椎間融合器目前的主要問題

即使3D打印有著多方面的優(yōu)勢(shì)，也受到眾多相關(guān)學(xué)科科研人員的密切注視。但是，在如今的科技水平及社會(huì)環(huán)境下，3D打印椎間融合器的發(fā)展仍較受限。其中制約其發(fā)展最重要的因素即原材料“墨水”的問題，其中骨骼等硬組織相對(duì)較易研發(fā)，但其周圍軟組織如神經(jīng)血管等打印仍然較困難 [46]。“打印機(jī)”的研發(fā)。就目前來說，3D打印機(jī)的精確度與人體結(jié)構(gòu)仍有一定差距，并且不同材料需要其對(duì)應(yīng)的打印機(jī)，混合打印往往難以完整打印出理想“產(chǎn)品”。3D打印產(chǎn)物的“存活”問題，如何調(diào)整多種材料的具體參數(shù)使得打印產(chǎn)物與人體組織共同存活，也因?yàn)槭芟抻谌梭w結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性仍需不斷研究，其神經(jīng)血管的營養(yǎng)支持仍是一項(xiàng)難攻克的挑戰(zhàn)。影像學(xué)資料的精確轉(zhuǎn)換，目前3D打印的原始數(shù)據(jù)基本來源于CT及MRI設(shè)備，有學(xué)者 [47]認(rèn)為若這些資料來源的設(shè)備較差或分辨率較低時(shí)均可能使其打印的精準(zhǔn)度產(chǎn)生偏差，這些也是目前部分地區(qū)資源設(shè)備條件所限制的。3D打印的植入物除了其治療的有效性、精準(zhǔn)性有待研究外，其安全性同樣是我們需要密切關(guān)注的，植入物在生物相容性、強(qiáng)度、硬度等方面均有嚴(yán)格要求，并且由于3D打印植入物技術(shù)較新，其植入后所可能產(chǎn)生的相關(guān)并發(fā)癥、及其與傳統(tǒng)制造的內(nèi)植物的比較、使用3D打印的效益分析等問題，仍有待長期的隨訪觀察及更多的科學(xué)研究。法律法規(guī)的限制，在國外多種3D打印技術(shù)制造的脊柱植入物已獲得市場準(zhǔn)入許可并進(jìn)入臨床應(yīng)用，但我國相關(guān)法律政策仍有待完善。醫(yī)用3D打印技術(shù)還涉及化學(xué)、材料學(xué)、計(jì)算機(jī)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，目前我國還未有專門的相關(guān)研究中心或機(jī)構(gòu)匯集這多個(gè)領(lǐng)域的資源，這也是一項(xiàng)將3D打印植入物從科研應(yīng)用到臨床需要的重要工作。從現(xiàn)在看來，相比較于傳統(tǒng)的脊柱椎間融合器來看，在常規(guī)手術(shù)中，3D打印椎間融合器沒有顯著優(yōu)勢(shì)。只有當(dāng)因患者解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜特殊時(shí)使用傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化椎間融合器無法滿足治療需求時(shí)，使用3D打印個(gè)體化椎間融合器，才能取得更佳的治療效果，所以3D打印脊柱植入物應(yīng)走個(gè)體化、精準(zhǔn)化的路線發(fā)展方向。

3.3 已經(jīng)到來的4D時(shí)代

4D打印概念是由麻省理工學(xué)院斯凱勒·蒂比茨在2013年4月首次提出。按照他的解釋，所謂4D打印就是“自我智能轉(zhuǎn)換”，我們可以通過計(jì)算機(jī)編程的方法以3D打印的方式將智能復(fù)合材料打印成我們需要的產(chǎn)品，給予其某一特定的“指令”（周圍環(huán)境某種特定刺激如遇水、光照、加熱、加壓等），其就會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換成某一對(duì)應(yīng)的形態(tài)包括其物理屬性（如結(jié)構(gòu)、密度、彈性、體積、硬度、電磁特性等）或功能等的改變。其中鎳鈦記憶合金即可作為其中一種材料[48,49]。

而4D的概念早已出現(xiàn)在我們醫(yī)療領(lǐng)域中。比如，在髖關(guān)節(jié)置換術(shù)及其并發(fā)癥的研究中使用4D數(shù)字模型建模模擬。早已被用于臨床診斷和術(shù)中導(dǎo)航的4D CT，還有張寧等[50]人設(shè)計(jì)的PLGA支架也是4D設(shè)計(jì)。西安交通大學(xué)亦開發(fā)出具有形態(tài)記憶功能的聚合物，通過調(diào)節(jié)環(huán)境溫度，其結(jié)構(gòu)會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生相應(yīng)變化，并且設(shè)想通過4D打印技術(shù)，將其應(yīng)用于更多微創(chuàng)手術(shù)器械的制造[51]。

4D打印誕生至今，雖然只有不到四年時(shí)間，其研發(fā)也只能說是剛剛開始，臨床應(yīng)用更是尚未起步。不過可以期待其特殊的性能將對(duì)傳統(tǒng)物體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造帶來不可估計(jì)的推動(dòng)與發(fā)展，未來應(yīng)該進(jìn)行大力研究和開發(fā)[52]。

4 展望

3D打印技術(shù)在脊柱外科乃至整個(gè)醫(yī)療界發(fā)展前景巨大，隨著研發(fā)的深入，我們不僅僅可以直接快速、精確化地打印出骨骼、植入物等硬組織，還有望打印神經(jīng)、血管等。同時(shí)我們利用3D打印的實(shí)體模具，可以更好地輔助脊柱外科疾病的診斷、提高醫(yī)患溝通和教學(xué)效果、“私人定制”手術(shù)方案等，而隨著3D打印材料學(xué)及技術(shù)工藝學(xué)的突破，通過細(xì)胞參與多維打印的某些活性組織等也將廣泛應(yīng)用臨床。隨著生物細(xì)胞再生工程以及4D打印的發(fā)展，脊柱外科的損傷修復(fù)治療研究將取得更多的突破，這樣也能夠讓更多的有需要的病人從中受益。

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