劉忠軍 北京大學第三醫(yī)院大外科主任，博士生導師。主要研究課題為脊柱腫瘤的外科治療與研究、脊柱微創(chuàng)外科技術(shù)的應用與研究、脊髓損傷的干細胞移植研究。

3D打印的脊柱植入物

劉忠軍在手術(shù)中將3D打印植入物植入患者體內(nèi)

“能不能用3D技術(shù)打印人體‘骨骼’？”8年前，當北醫(yī)三院骨科醫(yī)生劉忠軍冒出這一想法時，自己心里也很沒底。畢竟3D打印才剛剛興起，如果手術(shù)應用中失敗了，也沒有相應的法規(guī)來保護醫(yī)生。

但劉忠軍決定冒險一試。那年，他53歲，在外科治療與研究領(lǐng)域已功成名就。

為患者脫下金屬“鎧甲”

這些年，骨科醫(yī)療技術(shù)的進步，內(nèi)固定器材的作用功不可沒。過去，病人骨折后，往往要長時間躺在床上，通過打石膏或做牽引的方式讓局部骨骼保持穩(wěn)定，慢慢愈合。到上世紀80年代后，內(nèi)固定金屬器材逐漸進入臨床，可幫助患者進行骨骼結(jié)構(gòu)重建，大大縮短了康復周期。然而，受傳統(tǒng)工藝所限，也只能生產(chǎn)一些或圓或方的規(guī)則形狀內(nèi)固定金屬器材。在人體脊椎上，以結(jié)構(gòu)最為復雜的寰椎和樞椎為例，其形狀怪異，傳統(tǒng)內(nèi)植物顯然無法適應人體骨骼的復雜結(jié)構(gòu)。

2011年，與北醫(yī)三院骨科合作研發(fā)國產(chǎn)人工關(guān)節(jié)產(chǎn)品的醫(yī)療器械公司從瑞典引進了一種3D金屬打印設備?！爸灰嬎銠C能設計出來的，不論結(jié)構(gòu)多復雜、圖形多怪異，它都能‘打印’出來?！?D金屬打印設備的獨特之處讓劉忠軍感嘆不已，“這是以往其他工藝都不可企及的。”

脊柱外科手術(shù)面臨的難題，是不是也可以借助3D技術(shù)來解決呢？

當時，劉忠軍所在的骨科已連續(xù)多年致力于脊柱腫瘤的手術(shù)治療。在外科領(lǐng)域，脊柱腫瘤手術(shù)被公認為最難最危險。而最棘手的是：脊柱結(jié)構(gòu)復雜，要做到徹底切除腫瘤，往往要在360度范圍將一節(jié)或多節(jié)脊椎切上整整一圈，只留下被圍繞在中央的脊髓、神經(jīng)和血管。切除腫瘤之后缺損的脊柱怎么修復？脊髓、神經(jīng)和血管結(jié)構(gòu)又如何被可靠保護？傳統(tǒng)辦法是用鈦網(wǎng)（一段柱狀鈦合金網(wǎng)籠）填充進一些骨質(zhì)做支撐，代替原來的椎體，通過鈦網(wǎng)中骨頭與相鄰骨頭的融合完成上下的連接。但是，鈦網(wǎng)植入后只能做到部分貼合，牢固性大打折扣，骨融合周期漫長且存在不確定性。

鈦網(wǎng)支撐固定的局限性，給患者術(shù)后康復帶來不少痛苦。在寰樞椎部位腫瘤切除后，需要給患者在頸椎部位佩戴一個外部支架：將一個金屬圈用螺釘擰到顱骨上，再穿上一個堅硬材質(zhì)的背心，然后用金屬連桿把頭環(huán)和背心連接起來……以確?；颊哳^部、頸椎保持不動，等待骨頭慢慢融合穩(wěn)定。

“這樣的‘鎧甲’，至少要穿3個月以上，時間長的甚至要穿一年甚至幾年?；颊吆芡纯?，但這也是當時惟一可行的手段?！边@些年，劉忠軍曾多次目睹患者因體內(nèi)的內(nèi)植物發(fā)生位移引發(fā)的險情。

用3D打印技術(shù)來制作腫瘤切除后的內(nèi)固定器材，不就讓患者擺脫“鎧甲”了嗎？技術(shù)靈光，讓劉忠軍看到了幫患者擺脫痛苦、快速康復的希望。

橡皮泥打通合作“經(jīng)脈”

用3D打印技術(shù)打印“骨骼”， 讓掌控3D打印的工程技術(shù)專家也大吃一驚。畢竟這是打印一件形同骨骼的內(nèi)植物，沒有經(jīng)驗可以借鑒。

劉忠軍想要研發(fā)的第一個內(nèi)植物就是人工樞椎，但一開始就遇到了麻煩。醫(yī)生和工程師的語言并不在同一個“頻道”上。醫(yī)學專用術(shù)語和解剖名詞，工程師聽不懂；計算機和工程專業(yè)語言，醫(yī)生也難以理解。

小小的人工樞椎，其骨骼解剖結(jié)構(gòu)非常復雜特異，無論劉忠軍怎么畫圖、講解，都難以讓掌控3D打印的工程技術(shù)專家理解其外部圖形和內(nèi)部構(gòu)造。幾輪溝通后，劉忠軍靈機一動，用橡皮泥捏了一節(jié)樞椎椎體模型交給技術(shù)人員，“就照著這樣做?！北哭k法反倒很有效，技術(shù)人員照此打出樣品，又經(jīng)過反復修改，一個標準3D打印樞椎最終做出來了。

經(jīng)過這個小插曲，雙方的合作默契了起來。很快，劉忠軍的團隊和3D打印工程技術(shù)人員組成了一個科研小組，每月按時舉行一次例會，及時討論3D打印技術(shù)進展規(guī)劃。

人工樞椎成為研究團隊開發(fā)的首個“定制化”3D打印內(nèi)植物，有了3D打印人工樞椎，醫(yī)生為患者切掉腫瘤后，就可以用最先進、最可靠的技術(shù)修復頸椎的結(jié)構(gòu)。

“人類的骨骼是有孔隙的，這些孔隙為骨細胞的生長提供了空間。3D打印技術(shù)的優(yōu)勢，恰恰是可將金屬內(nèi)植物的表面和內(nèi)部制作成微孔形態(tài)?！毖芯恐?，劉忠軍發(fā)現(xiàn)，這些微孔就像海綿的空隙一樣，在骨骼接觸后，骨細胞可以生長進去，將植入物與骨骼融為一體。如此一來，就不需要再像以前那樣在網(wǎng)籠中填充骨質(zhì)，而是由真骨與人工植入物融合，這在實現(xiàn)術(shù)后早期固定和遠期穩(wěn)定上具有極大的優(yōu)勢。

然而，3D打印的內(nèi)植物，不是做出來就能立馬用到臨床上的。按規(guī)定，產(chǎn)品研發(fā)要證實其安全性，雖然骨科內(nèi)植物的鈦合金材料經(jīng)多年使用，其安全性已得到驗證，但是工藝變了，其強度還夠不夠？放在人體內(nèi)是否安全？這些都是未知數(shù)。

2012年，北醫(yī)三院啟動了椎間融合器、人工椎體和髖臼杯三個3D打印項目的臨床觀察。劉忠軍帶領(lǐng)團隊工作人員先從動物實驗開始，將設計出的金屬材料放入動物體內(nèi)觀察各種指標變化，放入骨骼間察看生長情況，再做生物力學強度測試、生物安全性評價……此后的幾年間，團隊進行了十幾項脊柱外科的3D打印植入物研究，在羊身上進行動物實驗，內(nèi)植物與相鄰骨組織間融合良好。

接著，劉忠軍團隊經(jīng)獲準開始臨床試驗。

“我們必須完成一定數(shù)量的病例，拿出結(jié)果，才能證明內(nèi)植物有效。”劉忠軍說。不斷積累的臨床數(shù)據(jù)，一次又一次證明了3D打印金屬內(nèi)植物的安全性。

體內(nèi)植入領(lǐng)域數(shù)個“世界首例”

2014年，劉忠軍接診了患有樞椎惡性腫瘤的小明浩。經(jīng)穿刺活檢，確診小明浩體內(nèi)的是尤文氏肉瘤。

尤文氏肉瘤是一種病情發(fā)展迅速、惡性程度高的溶骨性病變。如果不及時手術(shù)，長在小明浩樞椎部位的尤文氏肉瘤，隨時可能出現(xiàn)不可逆的脊髓損傷，導致孩子完全癱瘓、呼吸驟停。

人的頸椎由七節(jié)椎骨組成。其中，最上面與顱底相連的兩節(jié)分別為寰椎和樞椎，這兩塊椎體位置和形狀都比較特別。

經(jīng)過謹慎研究，劉忠軍和團隊決定為小明浩的樞椎進行前路和后路兩次手術(shù)。這種手術(shù)難度很高，僅切除被腫瘤侵蝕的樞椎還不行，還要想辦法在第一和第三頸椎之間填上植入物，幫助小明浩能把頭抬起來。劉忠軍將小明浩樞椎的CT數(shù)據(jù)傳給制造企業(yè)，工程人員再將數(shù)據(jù)通過軟件分析重建三維立體圖形。通過軟件識別患者骨骼內(nèi)的病變部位，工程人員提取此骨骼信息以及病變組織信息，以此為基礎(chǔ)，進行假體設計。設計好后，工程人員將鈦合金粉放入3D打印設備的高溫工作艙內(nèi)，依據(jù)假體的設計數(shù)據(jù)，為小明浩量身打印出一個金屬樞椎內(nèi)植物。

劉忠軍現(xiàn)在還清晰地記得那臺手術(shù)。2014年7月31日，在歷時5個小時的手術(shù)中，他先慢慢剝離小明浩樞椎周圍的神經(jīng)、頸動脈等重要組織，最終到達癌變部位，將被惡性腫瘤侵蝕的樞椎，全部清除干凈……最后植入3D打印制作的人工椎體。

“之所以敢這樣嘗試，是因為我們在研究3D打印脊柱植入物方面已經(jīng)探索了近4年了。對于這項技術(shù)的安全性，我很有信心?！眲⒅臆娬f。

雖然很有信心，但壓力是現(xiàn)實的。畢竟，人命關(guān)天。

令人欣喜的是，術(shù)后幾天，小明浩就能戴著支具下地行走，一個多月后更自己走出了醫(yī)院大門。

這次手術(shù)，成就了世界首例3D打印鈦合金人工椎體植入術(shù)。

此后，北醫(yī)三院骨科參與研制的我國3D打印人體植入物——人工髖關(guān)節(jié)、人工椎體和椎間融合器相繼獲得國家食品藥品監(jiān)督管理總局（CFDA）注冊批準，這標志著我國3D打印植入物已邁入產(chǎn)品化階段。至今，這三種內(nèi)植物仍是國內(nèi)僅有的獲得注冊證的3D打印金屬內(nèi)植物產(chǎn)品。

2016年，劉忠軍又一次挑戰(zhàn)了世界首次金屬3D打印定制大跨度人造脊椎植入手術(shù)?；颊咴壬w內(nèi)5節(jié)長達19厘米的脊椎被惡性腫瘤侵蝕。脊柱的周圍包繞著重要的脊髓、神經(jīng)和血管，把脊柱腫瘤整塊拿掉，腫瘤殘留的機會才會減到最低。這意味著，要搏一線生機，這5節(jié)脊椎就必須整塊切除，同時放入人工脊椎。

要知道，在過去沒有3D打印鈦合金骨科植入物的時代，面對這種患者，醫(yī)生幾乎束手無策。

劉忠軍再次迎難而上，他不僅成功拿掉袁先生身上的整塊腫瘤，還為他植入了一個大跨度的3D打印金屬人工椎體。

術(shù)后半年復診時，袁先生便恢復了日常生活,每天不僅可以接送孩子，還能開車、騎自行車，幾乎和生病前沒兩樣。更令劉忠軍欣喜的是，袁先生身上出現(xiàn)了“骨融合跡象”。

原來，得益于人工椎體表面的微孔設計，相鄰的骨頭可以長入孔隙，而袁先生體內(nèi)植入的那五節(jié)“外來”脊椎，已與他原有脊柱穩(wěn)穩(wěn)地連接在一起。

一次次開創(chuàng)性的成果，讓劉忠軍領(lǐng)銜的骨科3D打印技術(shù)一步步?jīng)_刺到國際領(lǐng)先地位。今年，“3D打印鈦合金骨科植入物的臨床應用與關(guān)鍵技術(shù)研究”摘得北京科技進步獎一等獎。

法律空白下的創(chuàng)新?lián)?

當患者及家屬在為高難度手術(shù)的成功喜極而泣時，或許并不清楚：每主刀一臺用到3D打印內(nèi)植物的手術(shù)，劉忠軍都要默默承受著巨大的壓力，這樣的手術(shù)他已經(jīng)主刀了上百例。

由于醫(yī)療產(chǎn)品，尤其是植入人體內(nèi)產(chǎn)品的特殊性，審批過程往往十分嚴格且漫長。有些法規(guī)，比如個體定制化醫(yī)療器械管理法規(guī)，在我國還是空白。這意味著一旦手術(shù)出了問題，甚至沒有法律能夠保護醫(yī)生的權(quán)益。

因此，早期開展手術(shù)時，劉忠軍和團隊醫(yī)生只能一遍又一遍地向患者及家屬科普3D打印鈦合金骨科植入物的技術(shù)研發(fā)情況，盡可能讓他們理解風險與效果并存的最佳手術(shù)方案。

“他是一個真正專注于醫(yī)學事業(yè)的醫(yī)生，因此在專業(yè)技術(shù)上才能達到一個境界，做出這么多創(chuàng)新成果。”在劉忠軍的助手蔡宏眼中，這位早已功成名就的骨科專家，一猛子扎進3D打印這個結(jié)果難料的全新研究領(lǐng)域，所靠的，除了勇氣，更多的是為患者消除病痛的初心。

“明知道有更好的醫(yī)療技術(shù)，卻因為怕承擔風險而不給患者用，這一點，我自己就說服不了自己。我相信，任何一個有責任心的醫(yī)生，都會和我做出一樣的選擇?！眲⒅臆娺@樣說。

百事之成，必在敬之。劉忠軍說，人要對自己的職業(yè)有責任心和使命感。

作為骨科醫(yī)生，劉忠軍偏偏頸椎、腰椎都不好。平時，在做脊柱外科手術(shù)時，往往一站就是幾個小時，甚至十幾個小時。在這個過程中，主刀醫(yī)生不僅要處于高度緊張狀態(tài)，還要一直保持身體前傾的低頭動作，幾乎沒有機會變換姿勢或者放松一下——天長日久，自己也“積攢”下了一身職業(yè)病。

劉忠軍常常這樣教導自己的學生：醫(yī)生的本分是給患者治病，但現(xiàn)在醫(yī)學發(fā)展并不完善，醫(yī)生有責任去改變現(xiàn)狀，減少患者的病痛?！按筢t(yī)院的醫(yī)生比別人有更好的條件和更多的資源開展創(chuàng)新研究，如果不努力做點什么，也是一種失職。我們醫(yī)生要對得起病人的期待和信任！”

人體206塊骨頭都可3D打印

61歲的劉忠軍，每天疾走穿梭在診室、病房、手術(shù)室、實驗室之間，談及3D打印技術(shù)在醫(yī)學上的應用前景，他很樂觀：人體有206塊骨頭，都可能用到3D打印技術(shù)。

目前，他正在和醫(yī)院藥劑科、北醫(yī)藥學院的科研人員一起進行交叉學科的研究。“我們正從3D打印向‘4D’打印發(fā)展?！眲⒅臆娍谥械摹?D”其實就是“3D+治療功能”的模式。其中一項就是微孔載藥，比如醫(yī)生可以對患者的3D打印金屬內(nèi)植物表面做一些處理，在微孔里添加一些藥物，在手術(shù)的同時實現(xiàn)抗菌、抗腫瘤、抗結(jié)核等功效?！跋裢鈧腥境霈F(xiàn)骨髓炎的患者，可以把抗菌素添加到微孔里，起到局部緩釋、抗菌的作用?！?

當前，較多國產(chǎn)醫(yī)療產(chǎn)品屬于低端產(chǎn)品和仿制品，很難與實力雄厚的國外大公司相競爭。而國內(nèi)醫(yī)療行業(yè)過多依賴進口高端醫(yī)用設備和器材的現(xiàn)狀，也是患者看病貴的主要原因。以骨科手術(shù)為例，患者70%-80%以上的費用都花在了醫(yī)用耗材上。此時，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國內(nèi)創(chuàng)新性醫(yī)療產(chǎn)品的出現(xiàn)，同時兼?zhèn)鋬r格優(yōu)勢和技術(shù)優(yōu)勢，將推動這一醫(yī)療競爭格局的轉(zhuǎn)變。

“在3D打印金屬內(nèi)植物等創(chuàng)新醫(yī)療技術(shù)面前，我們與國外同行站在同一條起跑線上，只要能抓住先機，就有可能走在前面，就有可能做到領(lǐng)跑而不是跟跑?！眲⒅臆娬f。