3D打印技术的出现,给医疗领域带来了巨大的变革。近年来3D打印技术迅速发展,尤其是3D生物打印技术的突破,为3D打印技术与神经科学融合转化开辟出新的机遇。2015年,以首都医科大学附属北京天坛医院为依托,多家医院、院校、企业为共建单位,北京市神经系统3D打印临床医学转化工程技术研究中心成立,致力于3D打印技术在神经系统创伤修复、脑血管疾病、神经系统肿瘤疾病等领域的临床医学转化研究。为了解3D打印技术在神经外科的具体应用现状及未来发展前景,采访了首都医科大学附属北京天坛医院神经外科赵元立与叶迅两位教授。

3D打印技术在神经外科领域的应用

神经外科复杂疾病模型重构和术前模拟

“目前3D打印技术在颅内动脉瘤、脑血管畸形、脑肿瘤手术的术前模拟应用已经非常成熟。”赵元立教授介绍,3D打印将3D图像转化为现实的模型,模仿患者的真实解剖结构,为神经外科医生提供了立体和触感的耦合,增强了临床医生对病变位置、形状、毗邻结构以及质地的认识,让医生能够从任意角度直观地了解和分析复杂的病变特征,使术中定位更加准确。他表示,借助3D打印模型,医生不仅可以了解颅内病灶的具体情况,还可以进行假体演练、术前模拟,从而设计出最佳手术方案,提高手术的精准度及成功率。颅内动脉瘤显微外科手术有较高的致残、致死风险,手术治疗对术者技术要求较高。开颅动脉瘤夹闭术、包裹术以及血管内治疗是动脉瘤治疗的途径,合理选择治疗方式是改善动脉瘤治疗效果的关键。赵元立教授表示,尽管手术技术十分成熟,但由于 颅底动脉分支较多,加上有变异的交通支存在,复杂脑动脉瘤的手术治疗对神经外科医生仍是巨大的挑战。因此,利用3D打印模型进行术前模拟演练十分必要。赵元立教授认为,动脉瘤手术的难点在于明确动脉瘤颈与载瘤动脉的关系、是否与周围的血管有粘连,以及辨认被瘤体遮挡的细小血管分支等。“借助3D 打印的动脉瘤模型,术者可以从各个角度近距离地研究复杂的脑血管解剖结构,进而增强术者的理解,特别是在医学影像资料显 示不甚清晰时,3D打印模型的作用更加重要。”

复杂颅面、颅底重建修复

相较于传统手术方案,3D打印技术具有个性化治疗和精准治疗的优势。例如颅骨修补植入物的应用,因患者头骨曲线各有不同,且有些颅骨缺损区域结构复杂、形状不规则,利用3D打印技术可以为患者个性化定制出更符合患者颅骨结构特点的植入物。赵元立教授表示,相比传统的植入物,能减少患者治疗费用。叶迅教授在采访中谈到,在复杂颅面修复外科中,基于选择性激光烧结3D打印技术的 钛合金颅骨修复体和基于3D打印技术的PEEK材料修复体具有 生物相容性好、强度高、抗腐蚀性好等特点。快速成型结合 无模多点成形技术用于钛板颅 骨修补,与患者匹配度更高,使患者更加舒服、更快恢复。针对狭颅症患者治疗中存 在的塑形难、出血多、手术费时、无可吸收材料等问题,借助3D打印技术制作3D打印可吸收骨支架,可用于辅助颅骨成形。叶迅教授表示,医生可以 利用3D打印模型在术前进行精 准规划以减少手术时间及术中出血,使患者得到最大获益。

具有缓释功能的人工脑膜研究

通过纳米纤维打印设备制成 的纳米仿生人工硬脑膜,具有无病 毒传播及免疫排斥风险、生产效率高、与人体组织结构高度相似等特点,已获得欧盟CE认证并在中国CFDA注册。叶迅教授表示,基于3D打印技术具有缓释功能的人工脑膜研究拟用PLGA包封万古霉素、抗癫痫药物、促血管生长因子等药物制成人工硬脑膜,开发具有缓释功能的人工硬脑膜,能有效避开血脑屏障,具有很好的研究前景。

颅内恶性肿瘤个体化间质治疗可降解载体

胶质瘤等恶性脑肿瘤复发率高,化疗药物很难通过血脑屏障。目前用于颅内恶性肿瘤治疗的缓释载体还只停留在简单的缓释贴片阶段,治疗效果与术中置入的位置是否合适,是否移位导致局部浓度差异有很大的关系,远远达不到个体化要求,甚至局部化疗药物随脑脊液流动导致全脑累计相关不良反应,借鉴“现有人工硬膜3D打印技术开发 可植入脑组织内的具有缓释功能的胶原类缓释膜技术,进一步研制和开发个体化间质治疗可降解载体。”叶迅教授硕,3D打印个体化间质内缓释化疗药物,瘤腔局部形成有效稳态药物浓度,持续数周至数月,载体可完全降解消失。

基于3D打印技术的立体定位导向系统

颅内出血是神经外科的急危重症,准确而安全的穿刺是保证疗效和预防并发症的关键,但由于临床上存在一些潜在风险,包括CT定位误差、术者操作偏差、患者个体差异等因素,均可引起穿刺方向、距离等出现偏移,导致穿刺失败。叶迅教授指出,利用数字化设计和3D打印技术研制个体化导板,可实现个体化的精准微创血肿穿刺手术。“有些治疗三叉神经痛的手术也可通过这种导板定位来精准阻断神经疼痛,作为术者术中定位的有力参考。”

面临的问题及发展趋势

 虽然3D打印技术在医学应用较早,但仍旧属于新兴技术。赵元立教授总结了目前3D打印技术在神经外科领域面临的问题:(1)3D打印技术的实施需 要专门的软件及专业人员,打印设备的投入及人才培养是很多医院面临的共同问题。(2)3D打印技术处理耗时,3D打印机打印1个模具一般需要5h以上,部分模具打印甚至超过24h,耗时长给急诊手术带来了挑战。(3)精准医学的发展,需要3D打印技术提供更加精准的手术模型,这对打印方法、打印材料等提出了更高的要求。(4)在打印活体组织和器官方面的技术尚未完全成熟。在医工交叉合作日益紧密的大环境下,科技创新不断应用于临床,并使患者受益。3D打印技术在医学领域的研究从未停止,并且还将有很大的探索空间。叶迅教授指出,3D打印技术在神经外科领域的发展趋势主要有以下4个方面:(1)随着医学的不断发展,对于愈来愈复杂的一些疾病,用来辅助手术的3D打印复杂脑血管疾病模型将会越来越有必要。3D打印出的手术模型分辨率不断增高,材料越来越逼真,也越来越接近正常人体组织,对于复杂疾病的术前模拟以及外科培训意义重大。(2)新材料与新工艺的开发利用以及它们在神经外科领域的充分结合。(3)3D打印技术在神经再生领域的研究不断深入,未来有望在脑重塑、神经元修复以及植入物方面发挥更大的作用。(4)除了利用人工材料进行3D打印之外,生物打印或细胞打印将是3D打印技术的一个重要且前沿的领域,可以利用细胞等生物材料进行3D打印,制作肿瘤模型测试肿瘤细胞及肿瘤组织对药物的敏感程度。