个性化的假体根据术前患者的影像学资料，提取数据并定制假体，但制作过程复杂，周期也长。3D打印是工业化的革命性进步，是从减材制作到增材制造的伟大转变。3D打印技术的材料已涉及多种，从尼龙玻纤、耐用性尼龙材料、石膏材料、橡胶类等向铝材料、钛合金、不锈钢、镀银、镀金的转变。

并开始用于工业设计、建筑、工程、汽车、航天航空和土木工程等领域。后引入医疗产业，用于骨科和口腔等领域的病变模型和导板制作。随着制作工艺的改进，金属打印的强度得以提升，强度已经能达到铸造和锻造之间。

在骨科植入物领域，3D打印已经用于人工关节假体的制作，对发育不良的短小的髋臼提供了安全牢固的假体并能很好的匹配人工股骨头。在脊柱外科领域，自年北医三院首个3D人工椎体的临床植入以来，越来越多的疑难部位的脊柱肿瘤得以治疗，并获得满意的疗效。

一、3D打印人工椎体的设计和制作

应用计算机辅助设计(CAD)是实现快速原型（RP）的方法之一，是原材料的分层离散和逐层加工堆积的过程，然后生成实体模型。快速原型法首先需要获得相关的数据，获得数据的方法有CT扫描、三维激光扫描和逆向工程。CT扫描是不破坏原物体结构的真正的无创的扫描，通过射线的穿透即能获得数据。

CT扫描简单快速，患者容易配合。CT从最初的1-2个探测器，发展到如今的多个探测器，扫描的时间缩短至仅仅数秒，就完成了全身的64排螺旋CT或更高的配置进行薄层扫描。CT的图像分辨率能精确到1毫米，甚至0.5毫米。

扫描时选取相应节段以及上下各包含几个节段后，以DICOM或者JPG的格式保存并输出导入至Mimics软件进行数据的采集。高蕊等行头面部骨和软组织CT扫描时发现低剂量CT(35mA)扫描可用于颌面部软硬组织三维模型的重建。管电流与分辨率成正比，管电流降低导致模型表面变粗糙。

二、3D打印人工椎体的材料和方式

1.3D打印的金属和陶瓷材料

按照材料属性可以将骨科植入物的材料分为：金属的植入物，常见的钛合金、钴铬合金和不锈钢材料都可以行3D打印；非金属的材料有陶瓷材料、可降解材料和生物材料等。

研究表明,对比观察医用钛和激光烧结3d打印纯钛在不同溶液中的金属离子析出情况、应力加载下的耐腐蚀情况,以及氟离子和pH值对电化学行为的影响情况等,来评价激光快速成形纯钛的耐腐蚀性。3D成形纯钛具有优良的生物安全性和更优的耐电化学腐蚀及耐应力腐蚀性能。

Ti6Al4V是临床常用的钛合金，具有耐腐蚀性好、比强度高,耐疲劳性好,生物相容性极佳,且弹性模量接近人体骨骼的优点和特点。在几种工艺试件表面骨髓基质干细胞黏附及增殖情况,结果显示骨髓基质干细胞在EBM、SLM、传统锻造三种试件上的黏附增殖能力相近,细胞数量随着培养时间的延长而明显增加,细胞形态也随着培养时间的延长，具有良好的生物相容性和协助组织生长的能力。

2.生物材料对3D打印人工椎体的启示

3D生物打印按照生物墨水的来源可以分为天然材料和人工合成的材料。天然材料来源广泛，主要有盐，如海藻酸盐和透明质酸钠等；蛋白类，如纤维蛋白、胶原和丝素蛋白等；糖类，如壳聚糖；④复合成分，如脱细胞外基质等。

合成材料有主要有聚己酸内酯和聚乙二醇等。按照材料在骨组织的再生和重建的过程中所起的作用可以分为结构支撑型，壳聚糖是一种天然的阳离子型海洋生物多糖，是甲壳素脱N-乙酰基的产物。这样的高分子具有天然的广谱抗菌性、生物相容性、生物可降解性、无毒性、无免疫原性等性能。

目前广泛的应用在药物缓释、组织工程学等生物医学、食品化工、功能材料等领域。近几年，在制备成生物墨水后，可以准确有效的按照实际的需要定制加工成各种形状，结合各类生长因子和松质骨可以广泛用于再生医学的各个领域。

骨组织工程支架中加入羟基磷灰石，将会大大提高其力学性能和生物相容性。通过冷冻干燥法和交替矿化法制备了覆盖有羟基磷灰石的壳聚糖多孔支架，新型强化型磷酸钙骨水泥（calciumphosphatecement，CPC）复合支架材料的弹性模量为（15.12±0.71）GPa。

与松质骨及皮质骨的最低弹性模量接近，而预成型CPC的材料弹性模量仅为（11.81±1.52）GPa。研究证实皮质骨的硬度为0.56～0.74GPa，松质骨为0.52～0.62GPa，单纯CPC支架材料的硬度为（0.41±0.05）GPa，而各复合支架材料的硬度范围为平均0.52～0.62GPa，提示壳聚糖结合的骨水泥材料符合松质骨与皮质骨的力学要求。

生物诱导支架型，如3D打印的软骨支架再造人耳、关节软骨的再造和人造半月板。壳聚糖作为生物支架，在支架上培养软骨种子细胞，行体外培养，壳聚糖以其与胶原组织类似的结构，有利于骨修复细胞的生长。

3.常用3D打印的方法

常见的3D打印技术常用的有熔融挤出成型(FDM)。材料在喷头内被加热熔化呈液态，随着打印机喷头的运动，材料迅速固化，并与周围的材料粘结成完整的成品。

光固化成型（SLA），主要材料是液态的光敏树脂，其原理是紫外光的照射下而发生光聚合反应,是最早出现的快速成形工艺。光聚合作用使液态光敏树脂的分子量增大,材料从液态转变成固态。但SLA也被报道有毒性而饱受诟病，对生态环境的发展不利。

分层实体制造技术（LOM）：主要材料如纸、金属膜、塑料薄膜等。片材表面事先涂覆上一层热熔胶，随着打印机的运动，完成层层粘合叠加后成型。这样的打印对材料的浪费比较多,且精度不够。

该方法只能行简单模型的初步制作，对于制造精密或复杂结构的制品还不适用。三维粉末粘接技术，通过高温下粉末的快速融化后的成型和粘接成品技术。制作的主要材料是各种粉末材料，诸如陶瓷、金属和塑料粉末。

4.陶瓷材料的3D打印

陶瓷的3D打印是近年来的研究热点，陶瓷的植入物与金属的植入物相比具有同样的强度和耐磨损。除此，陶瓷材料比金属更稳定，在关节的活动中不会产生金属颗粒和离子，不会产生相应的症状。随着3D打印的进步，多种方法参与到陶瓷的3D打印中来。

常用的陶瓷3D打印的方法有喷墨打印技术(Ink-JetPrinting,IJP)、FDM、SLA、LOM、SLM/SLS、3DP和浆料直写成型技术(DIW)。3DP打印的过程用喷头喷出粘结剂，将陶瓷粉末进行粘连，而选择性激光烧结（SLS）以陶瓷粉末混合着有机物粉末作为原料进行直接溶解烧结3D打印，打印的过程中不需要再使用粘结剂。

与传统陶瓷成型方法相比,3D打印技术在陶瓷制备领域的应用具有如下明显的优势:制作时无需模具,可快速制备出个性化的陶瓷假体,缩短制备周期;可以通过预先的结构设计在软件的辅助下即可控制产品的外形,显著缩短开发周期，减少原材料的浪费。

合理的打印技术能够做到微米级以下高精度陶瓷零部件和假体植入物的微孔化处理有利于骨长入。磷酸三钙,又称磷酸三钙陶瓷(TCP),化学组成与人体骨骼的矿物相似,天然的生物学性能决定其多用于医学领域。

磷酸三钙是一种良好的骨修复材料,是目前临床使用最多的陶瓷材料，与骨组织结合好,无排异反应。陶瓷的优良的生物稳定性和良好的生物相容性可以作为辅助材料或单独的全陶瓷材料使用在人工椎体上。3D打印人工椎体的骨长入以及促进骨长入的涂层。

对于大块骨缺损的研究除了自体骨或人工骨之外，3D打印的金属具有良好的填充作用，作为填充作用的金属块需要具有如下特点：与缺损部位的完好匹配；金属稳定性好，不容易分解释放离子，无毒性等副反应；金属的生物力学性能与骨骼类似，既不能塌陷，也不能盈利遮挡。

良好的骨细胞长入能力。3D打印的金属植入物无论是不锈钢还是钛合金都需要做打印前的处理或打印后的表面处理或改性，这样的处理有利于骨组织和植入物的生物融合。

3D打印前的处理是在软件上直接设计出微孔结构，打印后的处理主要是指3D打印后植入物表面的涂层处理，常用方法有①喷砂处理，②抛光以及灭菌处理，③喷涂纯钛和喷涂羟基磷灰石或磷酸钙，④烧结钛珠涂层。

三、3D打印人工椎体的强度测试

1.无机生物陶瓷材料

45S5是以生物活性玻璃为原材料，通过光固化成型（DLP）3D打印方法和高温烧结来制备出三维多孔活性骨组织工程支架,其孔径为μm,孔隙率为55.79%,与人工骨支架的要求相符。该材料能作为填充物，但不能作为固定的材料，在使用时需要辅以相应的外固定或内固定，以确保固定的稳定。

ElenaBoccardi的生物玻璃陶瓷支架孔隙率68%，孔隙直径–，结果表明该支架的强度在两天左右成型的高峰时期的抗压能力达到37MPa，随着时间的增加该支架逐渐降解吸收，在降解的低28天抗压能力仅6Mpa。

2.金属材料

金属的3D打印时，在层层铺粉烧结的过程中因工艺的关系产生气泡、裂纹，或局部熔解不够的现象，并由此不均衡二产生局部受力改变和断裂现象。

改进的方式有送入细颗粒，改进现有的颗粒大小，采用纳米级的粉末，改善现有的机器，将层厚进一步压缩，加大金属的密度使熔解和成型更加紧密；成型后的表面处理，抛光和喷砂处理。

SLM成型的金属零件的良好的机械性能接近锻打件水平源于其高达90%以上的致密度高，抗拉强度等指标显著优于铸件。由于是打印过程中完全融化，因此尺寸精度较高；与传统减材制造相比，可节约大量材料。机械应力也是骨组织工程的主要因素。

四、人工椎体3D打印的展望

金属作为支架或结构支撑在人体内具有非常久远的使用历史和良好的使用效果，而作为异物存在的金属，在体内会产生排异反应、感染、磨损颗粒和局部的毒副反应等。

生物可降解材料包括天然的生物材料和人工合成的生物材料。从化学结构上来分，生物材料可分为医用无机非金属材料(生物陶瓷、生物玻璃等)以及医用有机高分子材料(聚乳酸(PLA)、聚乙醇酸(PGA)、聚乳酸-乙醇酸共聚物(PLGA)等)。

金属材料具有生物材料所不可替代的弹性、强度和抗疲劳的特性，因此，改进金属材质的性质或寻求可降解可吸收的金属材质是3D打印原材料选择的一个方向。可吸收的金属包括对人体无害镁基合金和人体所必须的铁基、锌基原料。

新材料对3D打印即是一个机遇，也是一个不断改进的过程，其强度、弹性模量和生物相容性都是要不断深入的研究。人工椎体作为脊柱支撑结构的重要组成部分，必须要有良好的强度，同时弹性模量尽可能的小。作为可降解材料，其降解的速度也必需与生物融合的速度一致。

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