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3D打印患者特异性手术导板在胸椎侧弯畸形治疗中的应用：工程师与外科医生的跨学科合作
【字体： 大 中 小 】 时间：2025年07月23日 来源：3D Printing in Medicine 3,2 3.2
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本研究针对胸椎侧弯畸形患者椎弓根螺钉置入精度不足的问题，开发了基于CT扫描的个性化3D打印手术导板（PSI）。通过对比熔融沉积成型（FFF）与光固化（SLA）两种3D打印技术，发现聚乳酸（PLA）材料导板成本降低85%且机械性能达标，同时验证了院内工程师-外科医生协作模式可显著提升手术规划效率。该成果发表于《3D Printing in Medicine 3,2》，为脊柱畸形精准治疗提供了经济高效的解决方案。
脊柱侧弯畸形手术中，椎弓根螺钉置入的精准度直接关系患者神经安全。传统自由手技术（freehand）的误置率高达17.1%，而计算机导航和机器人辅助虽能提高精度，却面临设备昂贵、操作复杂等局限。在此背景下，西班牙加的斯大学机械工程与工业设计系（University of Cádiz, Department of Mechanical Engineering and Industrial Design）联合Puerta del Mar大学医院骨科团队，探索了3D打印患者特异性手术导板（Patient-Specific Instruments, PSI）的院内全流程开发方案，相关成果发表于《3D Printing in Medicine 3,2》。
研究团队采用多学科协作模式，通过CT扫描数据构建椎体3D生物模型，利用开源软件Invesalius和Meshmixer完成脊柱分割与导板设计。针对胸椎畸形特点，迭代开发了三种导板原型，最终选定四支撑柱结构的圆柱形导板（Prototype 3）兼顾稳定性与操作空间。关键技术包括：1）基于DICOM图像的椎体分割；2）FFF与SLA两种3D打印工艺对比；3）PLA与光敏树脂材料的机械性能测试；4）模拟手术负载的生物力学验证。
PSI评估与选择策略
通过外科医生实操测试发现，四支撑柱设计的PLA导板在L1-L3椎体应用中获评最高分（5分），其解剖贴合度优于方形商业导板。T8-T12导板因椎体变形出现2-3分精度下降，印证了畸形解剖对导板适配的挑战。
拉伸测试与材料性能
PLA的杨氏模量（2400±450 MPa）与树脂（2310±110 MPa）相当，但强度降低50%（vs厂商数据）。值得注意的是，两种材料导板均能承受椎弓根钻孔时的轴向载荷（>50 MPa），PLA样本的孔径收缩率（5%）略高于树脂（2.2%）。
经济效益分析
院内生产PLA导板的材料成本仅0.027�/g，较外包商业导板节省85%。SLA导板虽表面光洁度更优，但单件打印时间延长30%，且需额外60分钟紫外固化。
该研究证实，FFF技术制造的PLA导板能以更低成本实现与SLA相当的机械性能，而院内跨学科协作模式将导板交付周期压缩至48小时内。这一方案不仅解决了传统导板价格高、交付慢的痛点，更通过工程师与外科医生的实时互动，实现了从影像到实物的精准转化。未来研究可进一步探索PLA导板的灭菌复用潜力，以及人工智能辅助的导板自动化设计流程。
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