胡巍然,余 斌
·新進(jìn)展·
3D打印技術(shù)在骨腫瘤診療中的研究進(jìn)展
胡巍然,余 斌*
3D打印技術(shù)應(yīng)用于骨腫瘤的治療是骨科領(lǐng)域重要技術(shù)進(jìn)展之一,本文回顧了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外有關(guān)3D打印技術(shù)在骨腫瘤診療中的研究進(jìn)展,并分析其在臨床應(yīng)用中的利與弊,得出3D打印技術(shù)具有獨(dú)特的臨床應(yīng)用優(yōu)勢(shì),在骨腫瘤診療中具有廣闊的應(yīng)用前景。
骨腫瘤;3D打印技術(shù);治療應(yīng)用
胡巍然,余斌.3D打印技術(shù)在骨腫瘤診療中的研究進(jìn)展[J].中國(guó)全科醫(yī)學(xué),2017,20(21):2675-2678.
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3D打印技術(shù)近年來(lái)于外科領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。3D打印技術(shù)可以幫助醫(yī)生制定個(gè)體化手術(shù)計(jì)劃、術(shù)前模擬操作以及應(yīng)用于術(shù)中導(dǎo)航,因其具有精確性、安全性及快速性等特點(diǎn),目前已應(yīng)用于骨科,并顯示出廣闊的應(yīng)用前景。然而3D打印技術(shù)在骨腫瘤治療方面應(yīng)用較少,但其具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α=陙?lái)國(guó)內(nèi)外報(bào)道3D打印技術(shù)比傳統(tǒng)治療手段更具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[1-2],為此本文回顧了相關(guān)文獻(xiàn),對(duì)3D打印技術(shù)在骨腫瘤的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行綜述如下。
3D打印技術(shù)是一種快速制造技術(shù),其原理是“分層制造,逐層疊加”,即先通過(guò)3D打印機(jī)分層制造,形成二維結(jié)構(gòu)物質(zhì)平面,再根據(jù)需要精確的堆積材料、逐層疊加,最終形成產(chǎn)品的三維結(jié)構(gòu)[1]。目前最常用的3D打印程序是:首先進(jìn)行螺旋CT掃描得到Dicom文件,用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)軟件——Mimics進(jìn)行三維重建和設(shè)計(jì),將重建結(jié)果以STL格式輸入到3D打印機(jī),按照設(shè)計(jì)圖,逐層精確制造出每一層面后疊加起來(lái),從而得到想要的實(shí)物模型[2-3]。3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)上最先應(yīng)用于頜面外科[4-5]。目前,3D打印技術(shù)已在骨科領(lǐng)域廣泛應(yīng)用,尤其是在復(fù)雜骨折和骨盆重建方面顯示出其獨(dú)特優(yōu)越性[6]。
骨腫瘤由于其發(fā)病部位多累及重要關(guān)節(jié)(膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)),毗鄰大血管及其他解剖結(jié)構(gòu),因此不規(guī)范的外科治療會(huì)導(dǎo)致肢體殘疾甚至危及患者生命[7]。同時(shí)腫瘤切除范圍的界定也是手術(shù)的一大挑戰(zhàn),術(shù)前即便通過(guò)CT、MRI等影像學(xué)檢查確定腫瘤范圍和邊界,而在術(shù)中實(shí)施過(guò)程中,對(duì)于解剖部位復(fù)雜的腫瘤或微小腫瘤,依然難以直接確定腫瘤的切除范圍;若切除范圍過(guò)小,易導(dǎo)致腫瘤復(fù)發(fā);切除范圍過(guò)大,會(huì)給患者機(jī)體功能重建帶來(lái)困難,導(dǎo)致不必要的功能損失[8]。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)為解決上述問(wèn)題提供了很好的解決方案[9]。
2.1 術(shù)前精準(zhǔn)診斷、制定計(jì)劃、模擬手術(shù) 傳統(tǒng)骨腫瘤手術(shù)常依靠X線、CT及MRI作為術(shù)前準(zhǔn)備的依據(jù),但術(shù)前影像資料的判讀要求醫(yī)生具有豐富的經(jīng)驗(yàn)及空間想象能力,否則易損傷毗鄰的重要器官、神經(jīng)及血管結(jié)構(gòu)。而利用3D打印技術(shù)則可使患者手術(shù)部位以1∶1的比例模型展示在醫(yī)生面前,可以幫助醫(yī)生更直觀地了解患者腫瘤病變程度,更準(zhǔn)確地診斷及分型。
術(shù)前3D模型的建立可以幫助醫(yī)生提前預(yù)判手術(shù)過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題與困境,選擇合適的手術(shù)入路,提前準(zhǔn)備術(shù)中需要的各種醫(yī)療器械。在3D模型上模擬手術(shù),可以在術(shù)前將鋼板預(yù)彎,螺釘預(yù)放置,甚至可以將個(gè)性化鋼板、螺釘直接打印出來(lái),不再需要準(zhǔn)備大量的備用器械,極大節(jié)約了手術(shù)消耗及手術(shù)時(shí)間,減少了術(shù)中透視、麻醉劑的使用劑量及術(shù)中出血量[10]。同時(shí)建立一個(gè)良好的3D模型有利于同患者家屬交流患者病情,可以更好地獲得家屬的理解與支持[11]。
WONG等[12]利用3D打印技術(shù),術(shù)前打印骨盆腫瘤患者手術(shù)部位的3D模型,明確各解剖層次之間的關(guān)系,明確手術(shù)入路及手術(shù)方案,并且打印出骨缺損后所需的個(gè)性化假體;該患者術(shù)后病理提示腫瘤切除干凈徹底,腫瘤切除范圍及假體放置位置最大誤差不超過(guò)4 mm,術(shù)后11個(gè)月隨訪,患者髖關(guān)節(jié)活動(dòng)功能正常,未發(fā)現(xiàn)腫瘤復(fù)發(fā)及假體松動(dòng)等。魏新旺等[13]將3D打印技術(shù)應(yīng)用于骨盆骨折患者,于修復(fù)術(shù)前行CT掃描,應(yīng)用3D打印技術(shù)打印患者1∶1骨盆模型,并進(jìn)行手術(shù)入路選擇、切口暴露范圍設(shè)計(jì)、骨折復(fù)位設(shè)計(jì)、鋼板預(yù)植入位置、鋼板最佳塑型設(shè)計(jì)、螺釘長(zhǎng)度測(cè)量、螺釘進(jìn)入方向設(shè)計(jì)等術(shù)前預(yù)操作,術(shù)后患者恢復(fù)優(yōu)良率達(dá)90%。
上述應(yīng)用結(jié)果表明3D打印技術(shù)應(yīng)用于臨床術(shù)前規(guī)劃可以減少手術(shù)操作時(shí)間、出血量,降低并發(fā)癥發(fā)生率,提高臨床療效及患者滿意度。
2.2 個(gè)性化手術(shù)導(dǎo)航模板輔助腫瘤精準(zhǔn)切除 在骨腫瘤手術(shù)中,術(shù)前影像學(xué)定位的模糊和不確定性增加了手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。腫瘤的切除范圍僅在肉眼直視下進(jìn)行判讀,其更多地依賴于醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)。腫瘤組織切除不徹底常導(dǎo)致術(shù)后復(fù)發(fā),而術(shù)中切除及截骨范圍過(guò)大會(huì)增加患者肢體重建的難度。應(yīng)用3D打印技術(shù)進(jìn)行手術(shù)導(dǎo)板設(shè)計(jì),通過(guò)快速成型技術(shù)制作實(shí)體導(dǎo)板,術(shù)中引導(dǎo),實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤精確切除的目的。
馬立敏等[14]將3D打印技術(shù)應(yīng)用于股骨遠(yuǎn)端腫瘤患者,術(shù)前通過(guò)CT掃描進(jìn)行三維重建和模型模擬手術(shù),并設(shè)計(jì)復(fù)位導(dǎo)板,通過(guò)快速成型技術(shù)制作實(shí)體導(dǎo)板,術(shù)中引導(dǎo)骨腫瘤截骨;術(shù)后平均隨訪48個(gè)月,患者無(wú)局部腫瘤復(fù)發(fā),無(wú)假體周圍感染、松動(dòng)及斷裂事件發(fā)生。付軍等[15]通過(guò)計(jì)算機(jī)完成個(gè)體化手術(shù)、導(dǎo)板設(shè)計(jì),同時(shí)采用3D打印技術(shù),術(shù)前完成腫瘤切除設(shè)計(jì)及重建手術(shù),術(shù)后X線或CT掃描均顯示腫瘤完整切除。3D打印個(gè)性化手術(shù)導(dǎo)航模板能夠滿足骨腫瘤手術(shù)的個(gè)體化需求,在術(shù)中能夠準(zhǔn)確還原術(shù)前設(shè)計(jì),重建位置良好,從而幫助醫(yī)生更加順利地完成手術(shù),增強(qiáng)了腫瘤切除的精確性。
潘偉等[16]采用旋轉(zhuǎn)鉸鏈型人工膝關(guān)節(jié)置換術(shù)治療脛骨近端惡性骨腫瘤16例,術(shù)前行64排螺旋CT掃描及3.0 T MRI掃描,建立膝關(guān)節(jié)三維解剖模型并模擬手術(shù)及設(shè)計(jì)復(fù)位導(dǎo)板,應(yīng)用熔融沉積成型技術(shù)制作實(shí)體導(dǎo)板,術(shù)中引導(dǎo)骨腫瘤截骨;對(duì)所有患者隨訪5~44個(gè)月,平均隨訪31個(gè)月,總優(yōu)良率為88.1%;術(shù)后無(wú)假體松動(dòng)、感染等并發(fā)癥發(fā)生;結(jié)論為旋轉(zhuǎn)鉸鏈型人工膝關(guān)節(jié)可減少骨與假體之間的應(yīng)力,降低假體松動(dòng)及疲勞性骨折發(fā)生率,因此旋轉(zhuǎn)鉸鏈型膝關(guān)節(jié)置換術(shù)是膝部惡性骨腫瘤較理想的保肢方法。應(yīng)用3D打印個(gè)性化手術(shù)導(dǎo)航模板可減少手術(shù)操作時(shí)間,提高假體安裝精度,從而達(dá)到更佳的手術(shù)效果。
2.3 個(gè)性化假體制作的應(yīng)用 腫瘤切除后的假體植入是重建患者骨與關(guān)節(jié)功能的重要方法,傳統(tǒng)假體植入存在模式固定的不足,無(wú)法滿足特殊疾病患者的需求。而假體的不匹配會(huì)導(dǎo)致圍術(shù)期假體失穩(wěn)、假體松動(dòng)、肢體不等長(zhǎng)、假體周圍骨折,增加患者再次手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)。因此,個(gè)體的差異性導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)假體無(wú)法滿足個(gè)性化需求[17]。
傳統(tǒng)的假體植入物多是合金鋼板,只具有一定的生物力學(xué)性能,不具備成骨或誘導(dǎo)成骨的功能,而3D打印技術(shù)可以打印出具有生物活性的假體內(nèi)植物[18]。如果骨移植材料選用生物材料,同時(shí)添加干細(xì)胞及生長(zhǎng)因子,通過(guò)干細(xì)胞的分化及骨細(xì)胞的生成,可以永久填充骨腫瘤切除后出現(xiàn)的缺損,對(duì)解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行永久生物重建。
HOLLANDER等[19]報(bào)道,利用3D打印技術(shù)制作的鈦合金骨組織工程多孔支架不僅具有良好的生物力學(xué)性能,而且在體外研究中,支架表面和孔內(nèi)有大量成骨細(xì)胞黏附、生長(zhǎng)。DING等[20]利用3D打印技術(shù)將軟骨細(xì)胞和骨髓基質(zhì)細(xì)胞分別植入到具有特定形狀和結(jié)構(gòu)的聚乳酸涂層的聚羥基乙酸和聚己內(nèi)酯/納米羥基磷灰石支架中,于外植體內(nèi)成功制作出羊股骨頭,其組織結(jié)構(gòu)及生物力學(xué)性能與活體羊股骨頭相似。張明等[21]利用3D打印技術(shù)制作了一種新型生物活性復(fù)合鎂骨修復(fù)支架材料,為一種含骨誘導(dǎo)活性鎂顆粒的PLGA/8-TCP/Mg復(fù)合材料多孔支架,有效結(jié)合了聚合物、生物陶瓷、金屬的優(yōu)點(diǎn),具有良好的生物相容性、可降解性、骨傳導(dǎo)性及骨誘導(dǎo)性;在植入家兔骨缺損模型8周后,microCT下可見(jiàn)骨缺損部分修復(fù)。
裴延軍等[22]利用3D打印技術(shù)完成了鈦合金骨盆腫瘤假體植入術(shù),患者術(shù)后1個(gè)月可下地行走,軀體功能及外形均恢復(fù)良好,患者滿意度較高。該課題組隨后完成了世界首例3D打印技術(shù)鈦合金鎖骨和肩胛骨植入術(shù),恢復(fù)了患者肢體結(jié)構(gòu)的完整性及功能[23]。IMANISHI等[24]利用3D打印技術(shù)進(jìn)行了1例跟骨腫瘤切除術(shù)后腫瘤假體植入術(shù),手術(shù)過(guò)程順利,術(shù)后患者恢復(fù)良好,已恢復(fù)行走功能。
以上研究均表明,采用3D打印技術(shù)制備的假體更具有解剖空間精確性,有利于骨與軟組織的貼服與整合,更有利于組織功能的恢復(fù),并且可以圓滿地解決既往骨腫瘤切除術(shù)后大塊骨缺損難以治療的難題。
目前3D打印技術(shù)廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,不僅包括骨骼、牙齒、人造肝臟、人造血管等實(shí)體制造,而且國(guó)際上也開(kāi)始將此技術(shù)用于器官模型的制造、手術(shù)分析策劃、個(gè)性化組織工程支架材料[25]。隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展,人類將不斷取得包括骨腫瘤治療在內(nèi)的一系列疾病治療進(jìn)展。
美國(guó)華盛頓州立大學(xué)的GARY等采用3D打印技術(shù)將磷酸鈣制作成一種類似骨骼的結(jié)構(gòu),可在分解前作為新骨骼細(xì)胞生長(zhǎng)所需的支架,已在動(dòng)物體上實(shí)驗(yàn)成功,并取得了令人滿意的結(jié)果,經(jīng)一定時(shí)間取出后發(fā)現(xiàn),骨細(xì)胞已長(zhǎng)入網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)內(nèi),力學(xué)測(cè)試發(fā)現(xiàn)這種人造骨骼的生物力學(xué)性能優(yōu)于原骨骼[26]。
韓國(guó)浦項(xiàng)科技大學(xué)CHO等以PPF為原料,利用光固化立體印刷技術(shù)(SLA)制備多孔支架,具有與人松質(zhì)骨相似的力學(xué)性質(zhì),且支架能促進(jìn)成纖維細(xì)胞的黏附與分化;此外,通過(guò)將PPF支架移植到兔皮下或顱骨缺損部位,結(jié)果顯示,PPF支架能在動(dòng)物體內(nèi)與溫和的軟組織和硬組織響應(yīng),如移植2周后出現(xiàn)炎性細(xì)胞、血管生成和結(jié)締組織形成,8周后炎性細(xì)胞密度降低并形成更規(guī)則的結(jié)締組織;與傳統(tǒng)組織工程支架相比,3D打印技術(shù)組織工程支架可以隨意設(shè)計(jì)形狀、尺寸、孔的結(jié)構(gòu)和孔隙率等,研究者可以根據(jù)不同組織的修復(fù)要求來(lái)選擇需要打印出的支架結(jié)構(gòu)[27]。
3D打印技術(shù)給人類醫(yī)學(xué)帶來(lái)了福音,且應(yīng)用前景廣闊。但與此同時(shí),3D打印技術(shù)本身蘊(yùn)含醫(yī)學(xué)及倫理風(fēng)險(xiǎn),在不久的將來(lái),科學(xué)家可以打印出真正可供移植的人體器官,如果人體器官可以打印,一個(gè)真正的“人”同樣可以打印出來(lái),這會(huì)直接威脅到人類社會(huì)存在的倫理基礎(chǔ)。因此,國(guó)家與社會(huì)應(yīng)當(dāng)鼓勵(lì)、資助人造骨骼、人造血管、人造器官等具有醫(yī)學(xué)突破意義的3D打印技術(shù),也應(yīng)當(dāng)及時(shí)、審慎的制定或修正相應(yīng)的政策限制及法律規(guī)范,將3D打印技術(shù)限定在合理的、不至于威脅人類社會(huì)生存與發(fā)展的范圍內(nèi),使之更好的造福人類[28]。
3D打印技術(shù)的出現(xiàn)為骨腫瘤的診療提供了新的思路與方法,與傳統(tǒng)技術(shù)相比,3D打印技術(shù)有明顯的優(yōu)勢(shì):(1)手術(shù)方案已在術(shù)前模擬,并利用3D打印個(gè)性化手術(shù)導(dǎo)航模輔助手術(shù),縮短手術(shù)時(shí)間、住院時(shí)間和術(shù)后康復(fù)時(shí)間,減少創(chuàng)傷,降低醫(yī)療費(fèi)用;(2)降低腫瘤復(fù)發(fā)率,個(gè)性化假體可提高肢體功能重建;(3)手術(shù)精度的提高可增加術(shù)后治療的精度(如惡性腫瘤術(shù)后放療)[29];(4)對(duì)術(shù)后效果進(jìn)行預(yù)測(cè),患者可直觀了解治療效果,積極配合手術(shù),獲得更好的理解與支持。與此同時(shí)3D打印仍存在諸多問(wèn)題:(1)缺乏足夠的臨床數(shù)據(jù)來(lái)證明3D打印相對(duì)傳統(tǒng)手術(shù)方法的優(yōu)越性[24];(2)3D打印的費(fèi)用還不足以支持其大規(guī)模臨床應(yīng)用;(3)3D打印技術(shù)仍存在不少缺陷,如耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng),難以應(yīng)用于急診手術(shù),打印的精度還有待于提升等。
作者貢獻(xiàn):胡巍然、余斌進(jìn)行文章的構(gòu)思與設(shè)計(jì);胡巍然進(jìn)行結(jié)果分析與解釋、撰寫論文;余斌進(jìn)行論文修訂、負(fù)責(zé)文章的質(zhì)量控制及審校,對(duì)文章整體負(fù)責(zé),監(jiān)督管理。
本文無(wú)利益沖突。
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(本文編輯:毛亞敏)
Application of 3D Printing Technology in the Treatment of Bone Tumors
HUWei-ran,YUBin*
DepartmentofOrthopedicsandTraumatology,NanfangHospital,SouthernMedicalUniversity,Guangzhou510515,China
*Correspondingauthor:YUBin,Chiefphysician,Professor,Doctoralsupervisor;E-mail:yubinol@163.com
Application of 3D printing technology in the treatment of bone tumors is one of the most important advances in the development of clinical orthopedics.In this paper,we reviewe domestic and international research progress of 3D printing in the diagnosis and treatment of bone tumors in recent years.In addition,we also analyze advantages and disadvantages of this technique in clinical application.3D printing technology has a unique advantage in clinical application,with a broad application prospects in diagnosis and treatment of bone tumors.
Bone neoplasms;3D printing technology;Therapeutic uses
國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(81572165);廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2016B090913004)
R 738.1
A
10.3969/j.issn.1007-9572.2017.05.y06
2017-02-02;
2017-04-18)
510515廣東省廣州市,南方醫(yī)科大學(xué)南方醫(yī)院創(chuàng)傷骨科
*通信作者:余斌,主任醫(yī)師,教授,博士生導(dǎo)師;
E-mail:yubinol@163.com