3D打印(three dimensional printing)也称为增材制造(additive manufacturing)或快速原型制作(rapid prototyping), 在各行业的现代化科技生产中发挥着重要作用。自1980年将3D打印引入医疗领域以来，其在多个医学领域中都得到了迅速的应用和发展^[1]。由于脊柱肿瘤容易压迫及侵犯邻近部位神经、脊髓、椎体等重要脏器，严重破坏脊柱稳定性并出现疼痛、麻木、瘫痪等症状；同时，瘤体周围血供丰富可造成手术难度大、耗时长、出血多^[2-3]。因此，在术中尽量减少正常椎体结构破坏的情况下完整、精准地切除肿瘤，准确置钉重建脊柱稳定性，是预防肿瘤局部复发、改善患者生存质量及提高生存率的关键。3D打印技术通过结合医学成像技术[如计算机断层扫描(CT)和磁共振成像(MRI)]，并根据患者个体化数据分析, 应用金属或生物材料等进行逐层印刷从而精确生成三维模型，不仅可以更好地还原人体结构，同时还可获得与机体拟合度更高的特异性植入物(PSI)。目前，其疗效在脊柱肿瘤的临床实践中已获得肯定，具有广阔的应用前景^[1]。

随着社会老龄化和诊疗技术的发展，脊柱肿瘤的发病率呈上升趋势。原发性脊柱肿瘤非常罕见^[4]，良性肿瘤比例高于恶性, 男性患者多于女性^[5]。其中良性肿瘤以颈椎居多, 恶性肿瘤以骶椎居多。而转移性脊柱肿瘤最常见的受累位置为胸椎(70%)，其次是腰椎和颈椎^[6]。转移性脊柱肿瘤的预后相对较差, 一项对患有转移性脊柱肿瘤并接受手术治疗的732名患者回顾性分析显示其90d和1年死亡率分别为25.1%和54.3%^[7]。

脊柱肿瘤在椎体内或脊柱周围生长、侵犯、压迫脊髓及周围神经组织，从而可导致疼痛及功能丧失等并发症，严重影响患者生活质量，成为亟待解决的问题。目前肿瘤边界外整块切除受累病椎的全脊椎整块切除术(total enbloc spondylectomy, TES)是临床根治脊柱肿瘤的常规手术方式^[8]。但该手术具有出血多、难度大、风险高等特点，而3D打印技术的应用，使得手术不断走向成熟^[9]。脊柱具有支持躯干的功能, 由于TES切除范围广, 完全破坏了脊柱前中后柱的稳定性。因此, 为确保机体的正常活动, 必须完成其功能的重建^[10]。

脊柱解剖结构极为复杂，与众多神经、血管毗邻，脊柱肿瘤的明确诊断也存在一定的局限性。传统上，脊柱肿瘤的诊断依靠X线、CT及MRI等术前影像资料，要求手术医生具有丰富的经验及空间想象能力，对外科医生临床素养和经验要求极高。3D打印技术可根据每个患者的解剖结构(肿瘤形状、大小与浸润程度)，制作与实体病灶区域1 :1大小的脊柱三维模型，外科医生可参考3D打印模型更清晰、直观地全面认识脊柱肿瘤并作出明确诊断，确定肿瘤的具体临床分期以指导进一步治疗^[1]。

3D打印技术可以直观、全面地显示脊柱病灶区域的解剖毗邻关系, 术者能够提前熟悉病灶, 从而制定切实可行的手术方案，尽可能避免重要神经、血管的损伤，并模拟手术操作过程，选择最佳的手术入路。Guenette等^[11]利用可视化软件模型规划和模拟手术安全通路，经皮超声引导冷冻消融术成功治疗椎弓根类骨质瘤和椎板成骨细胞瘤患者。Zhou等^[12]通过对尸体标本进行了寰枢关节的详细解剖测量，并对标本进行了经口内镜联合入路模拟手术(图 1A)。术前采用3D重建打印模型，术中经口内镜联合入路切除患者颈椎良性肿瘤。术后随访12个月，寰枢椎椎体骨基本修复，颈椎未见复发(图 1B)。经口内镜联合入路切除颈椎肿瘤具有安全有效、操作相对简单、疗效可靠、并发症少等优点^[12]。外科医生Mobbs开发了3D计算机辅助设计软件，并将医学成像数据与一脊索瘤患者脊柱的3D塑料模型相关联，制作了适于该患者的三维模型，参考打印模型, 制定手术方案, 模拟手术操作过程指导治疗。术中做到了精确、完整地切除病灶区域。术后9个月X线复查, 可见内置物位置良好, 未见松动、移位^[13]。由此可见，3D打印可以协助临床医生选择最佳手术入路，有效改善患者预后，值得在临床工作中推广。

图 1

图 1 模拟手术入路及随访[12] 注：A.模拟手术入路(a)在内窥镜下对咽软组织作纵向切口(1.咽后黏膜，2.肌肉，3.椎前筋膜)；(b)暴露寰枢椎骨，寰椎前弓和前结节(1.寰椎前弓，2.椎体，3.前结节)；(c)侧块暴露(1.齿状突2.椎骨)；(d)暴露寰椎横韧带(1.寰椎横韧带)；(e)暴露硬脊膜(1.硬脊膜、2.椎间韧带)；(f)寰枢椎外侧关节和椎动脉暴露(1、2.椎动脉，3.侧椎体肿块，4.轴向关节突)； B.(a)在术后3个月的随访中，轴位颈椎CT增强显示人工植骨无坏死，部分与寰枢椎融合，肿瘤无复发迹象；(b)术后12个月随访，寰枢椎骨大部分修复，肿瘤无复发

使用3D打印制作人工椎体的优点很多，包括能够制造复杂的几何图形、设计植入物孔隙率等^[14]。一项基础研究显示具有多巴胺涂层钛的种植体可明显改善细胞黏附性，促进早期成骨，其多孔表面可诱导骨向内生长并可增强稳定性，具有良好的理化性能和生物相容性、成骨活性^[15-16]。人工椎体的制作材料主要包括金属、陶瓷、高分子复合材料和含有活体细胞的水凝胶等, 其中金属以钛合金为主。Girolami等^[17]对13例使用3D打印钛椎体重建术后患者随访，发现除1例由于局部复发被移除和1例为进行性远端交界性后凸畸形被修复，其他患者人工椎体均未发生移动、破损或下沉到相邻椎体等并发症，表明3D打印钛椎体可以有效地用于重建。碳纤维作为新兴材料逐渐受到重视，特别是在肿瘤病例中，由于碳的低原子序数特性，使其在术后成像的散射达到最小化。此外，碳纤维具有很好的骨融合作用，可以长期随访^[18]。Choy等^[19]对由破坏性原发骨肿瘤导致的病理性骨折与进行性脊柱后凸畸形的患者进行3D打印重建特异性植入物, 通过矫正后凸角度以恢复矢状平衡，恢复脊柱的稳定性。由于特异性植入物的可定制特征，术前可设计好前柱构造附接到后椎弓根螺钉构造，通过可视化虚拟模型可以对假体进一步改进。由于脊椎肿瘤侵蚀使骨质流失，可导致椎体塌陷或压缩性骨折，因此，在人工椎体打印制作过程中，应调整相应参数，使假体大于预计切除病灶范围，以便更好地恢复脊柱形状及原始高度。

传统徒手置钉方法存在着钉道偏离、穿透椎弓根、损伤风险高等缺点，而3D打印可为复杂的脊柱重建提供额外的选择。利用3D打印个体化椎弓根导板辅助螺钉置入，可使导板与脊柱表面完全贴合，螺钉的大小、植入深度、角度均可得到科学计算，从而可有效避免对重要血管和神经的损伤^[20-21]。由于3D打印在复杂的重建中具有突出的作用，因而特别适用于颈椎手术，该部位复杂且相对较小的骨骼解剖结构以及重要的神经血管均与手术部位相邻^[22]。Li等^[23]对一名甲状腺乳头状癌并多层颈椎(C2-C4)转移性病变的女性患者行肿瘤切除和多层颈椎(C2-C4)重建，采用3D打印技术为患者行椎弓根螺钉内固定术，术后放射性碘治疗，术后1年内的随访中未发现植入物移位或下沉。此外，3D打印技术还可帮助外科医生在术中完整、精确地切除肿瘤。Lin等^[24]利用3D打印机在骨表面生成的参考区域形状，设计定制了截骨导向块C形截骨引导工具(图 2a)，成功切除了一例巨大骶神经鞘瘤(图 2b)，缩短了手术时间，结合术中冰冻切片，更准确地定位肿瘤切除边缘，提高了切除面积的准确性。

图 2

图 2 3D打印C形截骨导向块指导肿瘤切除[24] 注：A.C形截骨导向块指导切除区域；B.(a)骨模型复合体，指导后续切除；(b)C形截骨导向块紧贴骶骨正中，以保精确定位；(c)肿瘤切除后S1-S3神经根完整

3D打印材料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)可作为局部药物的递送工具。将抗生素与PMMA混合后，联合3D打印技术制作人工椎体，可以在进行脊柱功能重建的同时，提供持续和局部浓度的多种抗生素(例如妥布霉素)，同时将这些药物的全身暴露降至最低^[25]。将聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)骨水泥与甲氨蝶呤(MTX)或盐酸表柔比星(EPI)混合时不会影响抗肿瘤药物的药物活性和理化性质, 可以持久稳定地抑制肿瘤细胞增殖^[26]。此外，最近的一项研究调查了唑来膦酸盐的局部递送可以治疗骨恶性肿瘤。在这项研究中，将唑来膦酸盐装入羟磷灰石和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)骨水泥中，发现含有唑来膦酸盐的水泥降低了肿瘤细胞的生存能力^[27]。因此，将植入性抗肿瘤药物等特殊打印材料应用于3D打印技术，可使这些材料充当治疗性储库，持续释放药物，作为全身治疗的替代药物，促进脊柱肿瘤的治疗和预后^[28-29]。

虽然3D打印技术相较于传统治疗手段优势显著, 但在临床中的应用目前仍处于探索的初期阶段，技术不完全成熟，术前计划消耗时间长，花费较高，还存在相关伦理问题需要克服^[30]。3D打印假体制作要求高，须确保三维重建时数据保存完好, 因松质骨成像与软组织结构在CT显影中很难彻底分离, 若三维重建时数据有所损失, 制作出的假体则与人体无法完全契合。

3D打印技术根据患者的个体化数据制作人工椎体, 还原人体正常结构, 拟合度更好，具有更好的结构稳定性，并且具有可重复性。不仅为骨科医师提供了更为合理的术前手术方案，还实现了更为直观的术前模拟，减少了术中透视次数，保护了医护人员，提高了手术效率，实现了更为优良的功能重建。目前，3D打印技术应用还未发挥最大价值，相信随着技术的发展以及相关制度的完善，这项技术在脊柱肿瘤的个体化精准治疗方面必将发挥无可替代的作用。