劉忠軍(jun) 北京大學第三醫院大外科主任，博士生導師。主要研究課題為(wei) 脊柱腫瘤的外科治療與(yu) 研究、脊柱微創外科技術的應用與(yu) 研究、脊髓損傷(shang) 的幹細胞移植研究。

3D打印的脊柱植入物

劉忠軍(jun) 在手術中將3D打印植入物植入患者體(ti) 內(nei)

“能不能用3D技術打印人體(ti) ‘骨骼’？”8年前，當北醫三院骨科醫生劉忠軍(jun) 冒出這一想法時，自己心裏也很沒底。畢竟3D打印才剛剛興(xing) 起，如果手術應用中失敗了，也沒有相應的法規來保護醫生。

但劉忠軍(jun) 決(jue) 定冒險一試。那年，他53歲，在外科治療與(yu) 研究領域已功成名就。

為(wei) 患者脫下金屬“鎧甲”

這些年，骨科醫療技術的進步，內(nei) 固定器材的作用功不可沒。過去，病人骨折後，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定，慢慢愈合。到上世紀80年代後，內(nei) 固定金屬器材逐漸進入臨(lin) 床，可幫助患者進行骨骼結構重建，大大縮短了康複周期。然而，受傳(chuan) 統工藝所限，也隻能生產(chan) 一些或圓或方的規則形狀內(nei) 固定金屬器材。在人體(ti) 脊椎上，以結構最為(wei) 複雜的寰椎和樞椎為(wei) 例，其形狀怪異，傳(chuan) 統內(nei) 植物顯然無法適應人體(ti) 骨骼的複雜結構。

2011年，與(yu) 北醫三院骨科合作研發國產(chan) 人工關(guan) 節產(chan) 品的醫療器械公司從(cong) 瑞典引進了一種3D金屬打印設備。“隻要計算機能設計出來的，不論結構多複雜、圖形多怪異，它都能‘打印’出來。”3D金屬打印設備的獨特之處讓劉忠軍(jun) 感歎不已，“這是以往其他工藝都不可企及的。”

脊柱外科手術麵臨(lin) 的難題，是不是也可以借助3D技術來解決(jue) 呢？

當時，劉忠軍(jun) 所在的骨科已連續多年致力於(yu) 脊柱腫瘤的手術治療。在外科領域，脊柱腫瘤手術被公認為(wei) 最難最危險。而最棘手的是：脊柱結構複雜，要做到徹底切除腫瘤，往往要在360度範圍將一節或多節脊椎切上整整一圈，隻留下被圍繞在中央的脊髓、神經和血管。切除腫瘤之後缺損的脊柱怎麽(me) 修複？脊髓、神經和血管結構又如何被可靠保護？傳(chuan) 統辦法是用鈦網（一段柱狀鈦合金網籠）填充進一些骨質做支撐，代替原來的椎體(ti) ，通過鈦網中骨頭與(yu) 相鄰骨頭的融合完成上下的連接。但是，鈦網植入後隻能做到部分貼合，牢固性大打折扣，骨融合周期漫長且存在不確定性。

鈦網支撐固定的局限性，給患者術後康複帶來不少痛苦。在寰樞椎部位腫瘤切除後，需要給患者在頸椎部位佩戴一個(ge) 外部支架：將一個(ge) 金屬圈用螺釘擰到顱骨上，再穿上一個(ge) 堅硬材質的背心，然後用金屬連杆把頭環和背心連接起來……以確保患者頭部、頸椎保持不動，等待骨頭慢慢融合穩定。

“這樣的‘鎧甲’，至少要穿3個(ge) 月以上，時間長的甚至要穿一年甚至幾年。患者很痛苦，但這也是當時惟一可行的手段。”這些年，劉忠軍(jun) 曾多次目睹患者因體(ti) 內(nei) 的內(nei) 植物發生位移引發的險情。

用3D打印技術來製作腫瘤切除後的內(nei) 固定器材，不就讓患者擺脫“鎧甲”了嗎？技術靈光，讓劉忠軍(jun) 看到了幫患者擺脫痛苦、快速康複的希望。

橡皮泥打通合作“經脈”

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

劉忠軍(jun) 想要研發的第一個(ge) 內(nei) 植物就是人工樞椎，但一開始就遇到了麻煩。醫生和工程師的語言並不在同一個(ge) “頻道”上。醫學專(zhuan) 用術語和解剖名詞，工程師聽不懂；計算機和工程專(zhuan) 業(ye) 語言，醫生也難以理解。

小小的人工樞椎，其骨骼解剖結構非常複雜特異，無論劉忠軍(jun) 怎麽(me) 畫圖、講解，都難以讓掌控3D打印的工程技術專(zhuan) 家理解其外部圖形和內(nei) 部構造。幾輪溝通後，劉忠軍(jun) 靈機一動，用橡皮泥捏了一節樞椎椎體(ti) 模型交給技術人員，“就照著這樣做。”笨辦法反倒很有效，技術人員照此打出樣品，又經過反複修改，一個(ge) 標準3D打印樞椎最終做出來了。

經過這個(ge) 小插曲，雙方的合作默契了起來。很快，劉忠軍(jun) 的團隊和3D打印工程技術人員組成了一個(ge) 科研小組，每月按時舉(ju) 行一次例會(hui) ，及時討論3D打印技術進展規劃。

人工樞椎成為(wei) 研究團隊開發的首個(ge) “定製化”3D打印內(nei) 植物，有了3D打印人工樞椎，醫生為(wei) 患者切掉腫瘤後，就可以用最先進、最可靠的技術修複頸椎的結構。

“人類的骨骼是有孔隙的，這些孔隙為(wei) 骨細胞的生長提供了空間。3D打印技術的優(you) 勢，恰恰是可將金屬內(nei) 植物的表麵和內(nei) 部製作成微孔形態。”研究中，劉忠軍(jun) 發現，這些微孔就像海綿的空隙一樣，在骨骼接觸後，骨細胞可以生長進去，將植入物與(yu) 骨骼融為(wei) 一體(ti) 。如此一來，就不需要再像以前那樣在網籠中填充骨質，而是由真骨與(yu) 人工植入物融合，這在實現術後早期固定和遠期穩定上具有極大的優(you) 勢。

然而，3D打印的內(nei) 植物，不是做出來就能立馬用到臨(lin) 床上的。按規定，產(chan) 品研發要證實其安全性，雖然骨科內(nei) 植物的鈦合金材料經多年使用，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(ti) 內(nei) 是否安全？這些都是未知數。

2012年，北醫三院啟動了椎間融合器、人工椎體(ti) 和髖臼杯三個(ge) 3D打印項目的臨(lin) 床觀察。劉忠軍(jun) 帶領團隊工作人員先從(cong) 動物實驗開始，將設計出的金屬材料放入動物體(ti) 內(nei) 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(jia) ……此後的幾年間，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(nei) 植物與(yu) 相鄰骨組織間融合良好。

接著，劉忠軍(jun) 團隊經獲準開始臨(lin) 床試驗。

“我們(men) 必須完成一定數量的病例，拿出結果，才能證明內(nei) 植物有效。”劉忠軍(jun) 說。不斷積累的臨(lin) 床數據，一次又一次證明了3D打印金屬內(nei) 植物的安全性。

體(ti) 內(nei) 植入領域數個(ge) “世界首例”

2014年，劉忠軍(jun) 接診了患有樞椎惡性腫瘤的小明浩。經穿刺活檢，確診小明浩體(ti) 內(nei) 的是尤文氏肉瘤。

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

人的頸椎由七節椎骨組成。其中，最上麵與(yu) 顱底相連的兩(liang) 節分別為(wei) 寰椎和樞椎，這兩(liang) 塊椎體(ti) 位置和形狀都比較特別。

經過謹慎研究，劉忠軍(jun) 和團隊決(jue) 定為(wei) 小明浩的樞椎進行前路和後路兩(liang) 次手術。這種手術難度很高，僅(jin) 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(jun) 將小明浩樞椎的CT數據傳(chuan) 給製造企業(ye) ，工程人員再將數據通過軟件分析重建三維立體(ti) 圖形。通過軟件識別患者骨骼內(nei) 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(wei) 基礎，進行假體(ti) 設計。設計好後，工程人員將鈦合金粉放入3D打印設備的高溫工作艙內(nei) ，依據假體(ti) 的設計數據，為(wei) 小明浩量身打印出一個(ge) 金屬樞椎內(nei) 植物。

劉忠軍(jun) 現在還清晰地記得那台手術。2014年7月31日，在曆時5個(ge) 小時的手術中，他先慢慢剝離小明浩樞椎周圍的神經、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，全部清除幹淨……最後植入3D打印製作的人工椎體(ti) 。

“之所以敢這樣嚐試，是因為(wei) 我們(men) 在研究3D打印脊柱植入物方麵已經探索了近4年了。對於(yu) 這項技術的安全性，我很有信心。”劉忠軍(jun) 說。

雖然很有信心，但壓力是現實的。畢竟，人命關(guan) 天。

令人欣喜的是，術後幾天，小明浩就能戴著支具下地行走，一個(ge) 多月後更自己走出了醫院大門。

這次手術，成就了世界首例3D打印鈦合金人工椎體(ti) 植入術。

此後，北醫三院骨科參與(yu) 研製的我國3D打印人體(ti) 植入物——人工髖關(guan) 節、人工椎體(ti) 和椎間融合器相繼獲得國家食品藥品監督管理總局（CFDA）注冊(ce) 批準，這標誌著我國3D打印植入物已邁入產(chan) 品化階段。至今，這三種內(nei) 植物仍是國內(nei) 僅(jin) 有的獲得注冊(ce) 證的3D打印金屬內(nei) 植物產(chan) 品。

2016年，劉忠軍(jun) 又一次挑戰了世界首次金屬3D打印定製大跨度人造脊椎植入手術。患者袁先生體(ti) 內(nei) 5節長達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、神經和血管，把脊柱腫瘤整塊拿掉，腫瘤殘留的機會(hui) 才會(hui) 減到最低。這意味著，要搏一線生機，這5節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，麵對這種患者，醫生幾乎束手無策。

劉忠軍(jun) 再次迎難而上，他不僅(jin) 成功拿掉袁先生身上的整塊腫瘤，還為(wei) 他植入了一個(ge) 大跨度的3D打印金屬人工椎體(ti) 。

術後半年複診時，袁先生便恢複了日常生活,每天不僅(jin) 可以接送孩子，還能開車、騎自行車，幾乎和生病前沒兩(liang) 樣。更令劉忠軍(jun) 欣喜的是，袁先生身上出現了“骨融合跡象”。

原來，得益於(yu) 人工椎體(ti) 表麵的微孔設計，相鄰的骨頭可以長入孔隙，而袁先生體(ti) 內(nei) 植入的那五節“外來”脊椎，已與(yu) 他原有脊柱穩穩地連接在一起。

一次次開創性的成果，讓劉忠軍(jun) 領銜的骨科3D打印技術一步步衝(chong) 刺到國際領先地位。今年，“3D打印鈦合金骨科植入物的臨(lin) 床應用與(yu) 關(guan) 鍵技術研究”摘得北京科技進步獎一等獎。

法律空白下的創新擔當

當患者及家屬在為(wei) 高難度手術的成功喜極而泣時，或許並不清楚：每主刀一台用到3D打印內(nei) 植物的手術，劉忠軍(jun) 都要默默承受著巨大的壓力，這樣的手術他已經主刀了上百例。

由於(yu) 醫療產(chan) 品，尤其是植入人體(ti) 內(nei) 產(chan) 品的特殊性，審批過程往往十分嚴(yan) 格且漫長。有些法規，比如個(ge) 體(ti) 定製化醫療器械管理法規，在我國還是空白。這意味著一旦手術出了問題，甚至沒有法律能夠保護醫生的權益。

因此，早期開展手術時，劉忠軍(jun) 和團隊醫生隻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研發情況，盡可能讓他們(men) 理解風險與(yu) 效果並存的最佳手術方案。

“他是一個(ge) 真正專(zhuan) 注於(yu) 醫學事業(ye) 的醫生，因此在專(zhuan) 業(ye) 技術上才能達到一個(ge) 境界，做出這麽(me) 多創新成果。”在劉忠軍(jun) 的助手蔡宏眼中，這位早已功成名就的骨科專(zhuan) 家，一猛子紮進3D打印這個(ge) 結果難料的全新研究領域，所靠的，除了勇氣，更多的是為(wei) 患者消除病痛的初心。

“明知道有更好的醫療技術，卻因為(wei) 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(ge) 有責任心的醫生，都會(hui) 和我做出一樣的選擇。”劉忠軍(jun) 這樣說。

百事之成，必在敬之。劉忠軍(jun) 說，人要對自己的職業(ye) 有責任心和使命感。

作為(wei) 骨科醫生，劉忠軍(jun) 偏偏頸椎、腰椎都不好。平時，在做脊柱外科手術時，往往一站就是幾個(ge) 小時，甚至十幾個(ge) 小時。在這個(ge) 過程中，主刀醫生不僅(jin) 要處於(yu) 高度緊張狀態，還要一直保持身體(ti) 前傾(qing) 的低頭動作，幾乎沒有機會(hui) 變換姿勢或者放鬆一下——天長日久，自己也“積攢”下了一身職業(ye) 病。

劉忠軍(jun) 常常這樣教導自己的學生：醫生的本分是給患者治病，但現在醫學發展並不完善，醫生有責任去改變現狀，減少患者的病痛。“大醫院的醫生比別人有更好的條件和更多的資源開展創新研究，如果不努力做點什麽(me) ，也是一種失職。我們(men) 醫生要對得起病人的期待和信任！”

人體(ti) 206塊骨頭都可3D打印

61歲的劉忠軍(jun) ，每天疾走穿梭在診室、病房、手術室、實驗室之間，談及3D打印技術在醫學上的應用前景，他很樂(le) 觀：人體(ti) 有206塊骨頭，都可能用到3D打印技術。

目前，他正在和醫院藥劑科、北醫藥學院的科研人員一起進行交叉學科的研究。“我們(men) 正從(cong) 3D打印向‘4D’打印發展。”劉忠軍(jun) 口中的“4D”其實就是“3D+治療功能”的模式。其中一項就是微孔載藥，比如醫生可以對患者的3D打印金屬內(nei) 植物表麵做一些處理，在微孔裏添加一些藥物，在手術的同時實現抗菌、抗腫瘤、抗結核等功效。“像外傷(shang) 感染出現骨髓炎的患者，可以把抗菌素添加到微孔裏，起到局部緩釋、抗菌的作用。”

當前，較多國產(chan) 醫療產(chan) 品屬於(yu) 低端產(chan) 品和仿製品，很難與(yu) 實力雄厚的國外大公司相競爭(zheng) 。而國內(nei) 醫療行業(ye) 過多依賴進口高端醫用設備和器材的現狀，也是患者看病貴的主要原因。以骨科手術為(wei) 例，患者70%-80%以上的費用都花在了醫用耗材上。此時，具有自主知識產(chan) 權的國內(nei) 創新性醫療產(chan) 品的出現，同時兼備價(jia) 格優(you) 勢和技術優(you) 勢，將推動這一醫療競爭(zheng) 格局的轉變。

“在3D打印金屬內(nei) 植物等創新醫療技術麵前，我們(men) 與(yu) 國外同行站在同一條起跑線上，隻要能抓住先機，就有可能走在前麵，就有可能做到領跑而不是跟跑。”劉忠軍(jun) 說。