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腾讯登录北医三院骨科团队应用3D打印技术解决又一世界性难题
| 导读 | 北京大学第三医院（以下简称「北医三院」）骨科主任刘忠军教授收治了一位4节颈椎被恶性肿瘤侵犯的重症患者。刘教授团队给患者实施了全世界首例4节颈椎切除手术，并给患者安装上全世界首个大跨度3D打印人工颈椎。距离手术结束仅一周，这个癌症患者在3D打印颈椎的帮助下已经可以起床活动了。这要是在3D打印出现之前，是没法想象的。 |
11月22日，距离手术结束仅一周，这个癌症患者在3D打印颈椎的帮助下已经可以起床活动了。这要是在3D打印出现之前，是没法想象的。
▲刘忠军教授讲解3D打印颈椎（北医三院供图）
3D打印作为一种新技术，从概念的提出到现在只有35年。1981年，名古屋市工业研究所的Hideo Kodama首次提出了3D打印的流程，并发明了两个塑料3D打印最早的机器（1-3）。由于当时的打印技术不利于商业化，所以很多公司并没有采用3D打印技术。
直到1983年，著名发明家Chuck Hull发明了光固化技术（Stereolithography，SLA），大大的改进了3D打印技术，才有了今天3D打印的蓬勃发展。随后Hull申请了专利保护（4），并于1986年参与创办了著名3D打印公司3D Systems，1988年第一个商业化的3D打印产品面市。由于Hull对3D打印的发展有巨大的贡献，因此被称为「3D打印之父」。2014年，Hull因这项伟大的发明进入美国专利商标局的发明家名人堂。
2014年，时年75岁的Hull在接受CNN采访时表示，「最让我吃惊地是3D打印在医疗方面的应用，我当初没有预料到这一点。直到与医疗影像领域的人一起工作，我才发现3D打印也能在医疗领域发挥作用。」
▲手握自己3D打印塑像的「3D打印之父」Chuck Hull没有料到3D打印在医疗领域的巨大潜力
实际上，一提起3D打印在医疗领域的应用，我们最先想到的都是打印心肝肺等人体器官。虽然最近几年3D生物打印有较大进展，但是3D生物打印活组织还处于科学研究阶段，远远没有到临床应用阶段。目前真正在临床上治病救人的主要是用于手术规划的3D打印人体器官模型，和高一级的不具备再生功能的人体植入物。
刘忠军教授团队在11月15日切除了癌症患者受肿瘤侵犯的四节颈椎后，给患者安装的，就是不具备再生功能的3D打印人体植入物。「这是世界首例四节颈椎切除手术，也是全世界首次用如此大跨度的3D打印内植物修复颈椎。做这么大跨度的颈椎切除，如果没有3D打印技术，我们现在是找不到合适的固定器械了。」刘忠军教授告诉奇点。
我们先撇开高难度的四节颈椎切除手术不谈。实际上在大部分脊柱损伤手术中，需要切除的多为1-2节椎骨。对于这种小跨度的切除，还是有东西修复的，它就是钛网。钛网是钛合金制成的金属网，由于与人体兼容性好，且耐腐蚀、强度高，是骨科手术中常用的耗材。
▲钛网就是把钛合金制成网状，在这个网的基础上可以根据需要做成多种性状。上图是修复头骨时使用的钛网
为了起到椎骨那样的支撑作用，设计人员将替换椎骨的钛网做成了中空的圆柱形（类似于没有底的竹篮子）。在使用时，医务人员可以根据患者椎骨的大小，将钛网截取成合适的长度，然后填到椎骨缺失的位置。由于钛网两端缺少固定的接头，一般钛网是依靠上下椎骨将其夹持住。为了促进钛网和上下椎骨之间的愈合，钛网中间会装一些异体骨（从其他人身上获取的骨头），将钛网两端的椎骨「连接」起来，将来中间的异体骨会慢慢生长，把钛网两端的椎骨真正的连接起来。
▲修复脊椎损伤的钛网。不难看出，由于钛网中空，所以与椎骨的接触面积非常小。因此与钛网接触的两节椎骨有时会被压坏，出现坍塌。后果可想而知，患者极有可能因此抬不起头。
但是这种国际通用的办法有很多问题，第一，钛网就是一个简单的支撑作用，上下也没有很好的连接固定，抗旋转能力、抗各种屈曲能力都很差；第二，如果切除的椎骨太长（比如4节及以上），由于临床需求少，甚至找不到现成的钛网；第三，钛网都是笔直的，但是人的脊椎是有生理曲线的；第四，钛网与相邻的椎体接触面积小，容易导致相邻椎体塌陷。
▲植入人体的钛网拍片效果图。这个钛网取代了患者的两节颈椎骨。医生为了让钛网固定，还在外面用一片钛网做了个「围栏」把支撑的钛网包了起来，防止起支撑作用的钛网移位。
这些问题，如果没有3D打印是很难解决的。2009年，与刘忠军教授团队合作改进人工关节的北京爱康宜诚医疗器材有限公司（以下简称爱康医疗）在国内率先引进了3D打印设备。刘忠军教授团队遂与爱康医疗的合作研发3D打印医用内植物，开发一些更好的骨科损伤治疗产品。
经过3年的研发，北医三院骨科团队推出了国内首个3D打印髋关节。经过大量的临床观察之后，2015年7月底，3D打印人工髋关节产品获得国家食品药品监督管理总局（CFDA）注册批准，成为我国首个3D打印人体植入物。随后，刘忠军教授团队与爱康医疗联合研发的人工椎体和椎间融合器先后获得CFDA注册批准。
▲中国首个获CFDA注册批准的3D打印植入物——3D打印髋关节（北医三院供图）
「我们开发的髋关节植入物，颈椎上用的椎间融合器和人工椎体，已经获得CFDA批准上市了，它们都是标准化产品，有各种不同的型号，现在患者切个椎间盘和椎体，医生只需选个合适型号直接用就可以了。」刘忠军教授说。实际上，对于那些可以用标准化植入物治疗的人体构件，3D打印的技术优势并没有完全发挥。
2014年7月中旬，刘忠军教授收治了一名枢椎（头下面第二节颈椎）被恶性肿瘤侵犯的患者。与其他颈椎相比，枢椎是颈椎中最不稳定、最脆弱的部分，一直以来都是「手术禁区」，而且枢椎的大小和结构因人而异，目前的医疗耗材根本没法满足需求。虽然国际通用的钛网也可以用于治疗，但是风险较高。
在3D打印领域已经潜心研究5年的刘忠军教授团队，已经自主研发了一套3D打印椎体的方法（5），并在动物实验中取得良好的效果。于是，刘忠军教授和他的团队决定尝试使用3D打印微孔钛合金枢椎代替缺损的椎骨。2014年7月底，刘忠军教授成功给患者植入世界首个定制化3D打印枢椎椎体（6）。
▲刘忠军教授和3D打印枢椎椎体（北医三院供图）
「像这样的定制化3D打印人工枢椎，到目前为止我们已经完成了6例，没出任何问题，都获得了很好的结果。全世界目前没有哪家医院能像我们做到这样。」刘忠军教授拿着两个标本说，「像这个枢椎和这次这个四节的内植物都是个体定制的，因为每个人他都不是标准的，我们只能根据每个人的情况做成不同大小。」3D打印技术在医疗中的应用价值，只有在这种定制化治疗中才能完全展现出来。
▲用来替换4节颈椎的3D打印内植物（是不是跟想象中的完全不一样，做成这样是有原因的，后文会告诉你）。该内植物通过两端的接头直接固定在第一节和第六节椎骨上。它的力学强度和与上下椎骨的接触面积，都明显大于传统的钛网。一段时间后，这个具备人体生理曲度的「海绵状」微孔钛合金3D打印内植物会被新生的骨组织充满（见下图），并被各种软组织包被。（北医三院供图）
在技术相对成熟的今天，定制3D打印内植物的过程并不复杂。首先给病人做CT扫描获取患者的颈椎数据，并用专业的软件把CT扫描的数据转换成3D打印的数据，然后就可以打印出患者的颈椎模型。医务人员再根据这个颈椎模型来设计内植物的大小，曲度和形态，然后把数据输入到相关的设备里面，只需开动机器打印就行了。按照目前的设备，打印这个替代4节椎骨的内植物大概需要13个小时左右。
奇点一直以为定制化3D打印椎骨跟人体的椎骨一模一样，然而并不是，而且完全不一样。后来奇点了解到，定制化3D打印椎骨之所以跟椎骨不一样，主要是考虑到实用性。由于颈椎中布满神经、血管和脊髓，所以为了便于手术中操作方便，在满足力学强度的前提下，就要把植入物设计的相对小一些。这样对患者的创伤也较小，更有利于患者快速恢复。
这个定制化3D打印椎骨最大的难点和亮点是通体「海绵状」的微孔结构。这就意味着整个内植物都是由微孔组成的。这样设计的目的主要是为了让人的骨头可以直接长到微孔里面，和这个内植物实现融合（7）。这也是跟钛网最主要的区别。
▲动物实验中的3D打印微孔内植物切片显微图（就是上图的钛合金内植物在植入动物体内一段时间后的切片图），可以看到微孔中已经长满了骨组织
从上图可以看到，骨头在微孔钛合金里长得很好。刘忠军教授团队还在做进一步的研究，希望通过在内植物的表面上再附着一层更容易长骨头的材料，让骨头长得更快、更好。这样一来，就可以大大缩短患者的康复时间。
「实际上3D打印在这里面的作用不是说使我们的手术变简单了，手术该怎么难，还是怎么难。关键是我们手术以后，想把这个颈椎的结构再把它重建，3D打印给我们提供了一个非常好的技术。3D打印可以使原来没有治疗办法的疑难疾病，找到治疗办法，原来有治疗办法的，可以得到一定的改进，提高治疗效果。」刘忠军教授说。
虽然定制化的3D打印内植物可以满足医疗中更多的需求，但是由于目前还没有相关的法规，这项新技术还没有被广泛用在临床。而刘教授团队一直在国内积极推动3D打印技术的产业化。
「我们现在用这个东西主要是基于治病救人，没有这个东西，就没有办法挽救他了。在这个前提下，有前边我们这些研究，有这些标准化的产品做支撑，所以我们采用这种个体定制的产品先挽救患者，当然在这个过程里面也是为我们正在建立的法规，不断地提供依据。」刘忠军教授说。
相关资料：
【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
（转化医学网360zhyx.com）
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