3D打印PEEK材料血管外支架建模及制作方法的可行性和有效性

　　摘要：目的证明用于治疗胡桃夹综合征的3D打印聚醚醚酮(PEEK)材料血管外支架的三维建模和制作方法的可行性和有效性。方法以37例胡桃夹综合征患者为对象，利用患者的CT影像数据，分别对左肾静脉(LRV)受压迫处的动脉和静脉部分进行三维重建并进行3D打印。根据患者动静脉三维数字模型设计血管外支架，并利用PEEK材料进行3D打印。将3D打印PEEK材料血管外支架在1:1动静脉模型上模拟置入并进行术前规划。利用T检验对比分析患者术前和术后3个月的复查数据。

　　结果术前CT影像上测得LRV狭窄处直径均值为(2.81±1.67)mm，动静脉三维数字模型上测得其均值为(2.85±1.59)mm，误差绝对值为(0.17±0.21)mm。患者术前与术后3个月复查结果显示，LRV狭窄处直径(P<0.01)、LRV肾门处直径与狭窄处比值(P<0.01)以及LRV肾门处血流速度(P<0.05)均有显著性差异。37位患者术后均无并发症，其中有22位症状完全消失，15位症状明显缓解。CT影像显示支架位置稳定，无移位。结论用于治疗胡桃夹综合征的3D打印PEEK材料血管外支架的建模及制作程序可行且有效。

　　关键词：胡桃夹综合征,三维建模,3D打印,聚醚醚酮,血管外支架

　　左肾静脉受压综合征又称为胡桃夹综合征(nutcrackersyndrome,NCS)，通常是由于左肾静脉回流入下腔静脉过程中在穿经由腹主动脉和肠系膜上动脉形成的夹角时受到压迫导致的[1]。NCS是一种伴有左肾静脉血流速度下降、受压处远端静脉扩张，并引起血尿、蛋白尿和左腰痛等一系列症状的较为罕见的临床症候群[1]。根据NCS的轻重程度，其治疗方式分为保守治疗和手术治疗。对于有严重的症状且持续2年以上的患者，手术治疗已经成为一种共识[2,3]。

　　而手术治疗中血管支架植入术以创伤小、操作较简单以及患者术后恢复快等优势成为治疗NCS更具优势的方式。血管内支架置于左肾静脉受压处，可从血管内部支撑起其狭窄部位，恢复左肾静脉血流通畅[4]。

　　据案例报道显示，血管内支架虽然效果显著但存在移位的风险[5]。对于血管外支架植入术的报道较少，最早的一例报道[6]于1988年，用聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene,PTFE)为材料以开腹手术方式将支架置于受压的血管外部，支撑肠系膜上动脉和腹主动脉释放左肾静脉所受压力，使其血流恢复通畅。2001年，Schultetus等[7]报道了首例腹腔镜行血管外支架植入术效果显著。但是，由于支架为统一规格，需在术中根据需求进行裁剪，这不仅延长了手术时间，还可能会因为支架不能完全符合而导致移位[6～9]。

　　近年来，随着3D打印技术的不断发展，该技术在医学中的应用逐渐拓宽，尤其是在外科手术中发挥着举足轻重的作用[10]。我院泌尿外科与第四军医大学3D打印研究中心团队将3D打印技术应用到了NCS的治疗上，腹腔镜3D打印血管外支架植入术治疗NCS得以实现[11～14]。本文从三维建模、3D打印以及模型验证等方面证明了3D打印聚醚醚酮(PEEK)材料血管外支架设计制作的可行性和有效性。

　　1对象和方法

　　1.1对象

　　第四军医大学唐都医院泌尿外科2017年12月～2019年7月接受腹腔镜3D打印PEEK材料血管外支架治疗NCS的患者37例，其中男性32例，女性5例。患者的年龄为(21.2±5.6)岁，体质量指数为(19.1±1.9)kg/m2。

　　1.2三维建模方法

　　在MimicsMedical软件(Version19.0,Belgium)打开患者的CT影像定位左肾静脉受压迫部位，分别对该部位的动脉和静脉进行三维重建。对于动脉部分使用Threshold功能对其进行分割，保证动脉边缘清晰且圆滑，之后利用Calculatepart功能实现三维重建。

　　利用SplitMask功能将骨质部分与动脉分离并将动脉部分以STL的格式输出保存。对于静脉部分利用MultipleSliceEdit功能对其进行描画，再用CalculatePart对描画出的静脉进行三维重建，并以STL的格式输出保存。将动脉与静脉的三维模型导入到GeomagicWrap软件(Version2017,USA)中对其进行后处理，使其达到光滑且不失真的效果，最后以STL的格式输出保存。

　　1.3血管外支架设计

　　根据动静脉的数字三维模型，在GeomagicWrap软件中设计血管支架。通过测量压迫处左肾静脉血管横截面面积，计算得到适合该血管的支架横截面面积，再通过计算左肾静脉受压迫处腹主动脉的宽度设定支架的宽度。

　　利用NX软件(Version10.0,USA)设计血管外支架，将血管外支架横截面设计为椭圆形，支架结构为开合架构，由上下两个护套组成，护套两端设计防滑脱结构，见图1B。两个护套的一侧由PEEK销连接，另一侧可自由开合，在术中置入支架后，由医生用缝合线固定。为减轻支架重量、利于软组织攀爬，两个护套分别设计多孔结构。

　　1.43D打印方法

　　1.4.1打印动静脉模型

　　将STL格式的动静脉模型文件导入切片软件中，设置打印层厚0.2mm，壁厚为1.6mm，模型内部填充参数为20%，并设置颜色为红色和蓝色(分别对应动脉和静脉)。设置线性支撑，支撑密度为30%，支撑角度为60°。挤出头直径为0.4mm，温度为220℃，打印速度为50mm/s。将文件生成.gcode格式，导入FDM多色3D打印设备(Version3,空军军医大学3D打印研究中心自主研发设备)。使用红色和蓝色的TPU线材(Φ1.75mm)进行打印。打印结束后去掉支撑并进行表面处理。

　　1.4.2打印PEEK材料血管外支架

　　将STL格式的血管外支架数字文件导入切片软件中，设置打印层厚为0.2mm，壁厚为2.0mm，填充为100%。设置线性支撑，支撑密度为30%，支撑角度为60°。挤出头直径为0.5mm，温度为400℃，打印速度为40mm/s。将文件生成.gcode格式，导入FDMPEEK3D打印设备(IntamsyFunmatHT,China)，使用医用级PEEK线材(Φ1.75mm)进行打印。打印结束后用熔融连接法，将两个护套用PEEK销连接。之后进行热处理、去支撑及表面打磨。将完整的血管外支架进行超声清洗。

　　1.5建模和打印时间

　　动静脉建模过程耗时30min，打印制作过程耗时约4.5h。血管外支架建模过程耗时1h，打印制作过程耗时30min，后处理耗时5h。

　　1.6模型验证

　　1.6.1支架与血管数字模型

　　静脉用蓝色表示，动脉用红色表示。术前CT影像上测得LRV狭窄处直径均值为(2.81±1.67)mm，动静脉三维数字模型上测得其均值为(2.85±1.59)mm,误差绝对值为(0.17±0.21)mm。从模型上能够清楚的看到肠系膜上动脉与腹主动脉之间左肾静脉因受压迫而导致变形。图1B为基于此患者数据计算并设计的血管外支架数字模型。整个血管外支架由上下两个相同的护套组成，护套上设计多孔结构。

　　1.6.2支架与血管模型

　　将血管外支架在与真实情况1:1的动静脉模型上进行验证。①支架置入后能够撑起肠系膜上动脉，保护左肾静脉不受压迫;②支架本身对左肾静脉没有压迫;③支架置入后对其它血管分支(左肾动脉和右肾动脉)不产生压迫。在进行术前验证及模拟后，医生能够更有把握的实施手术。

　　1.7统计学处理

　　采用SPSS22.0统计软件，计量资料用±s表示，组间比较用T检验，P≤0.05为差异有统计学意义。

　　2结果

　　2.1患者术前术后情况

　　37例患者均在术后1周出院，其中有22例症状完全消失，15例症状有所缓解。患者术前和术后3个月复查时的CT影像可见，血管外支架位置稳定，无移位;患者术前与术后3个月复查的频谱多普勒血流图显示其左肾静脉的血流情况术后得以改善。37位NCS患者术前和术后3个月时复查的数据对比，与术前LRV狭窄处直径(2.8±1.7)mm相比，术后LRV狭窄处直径为(7.4±0.9)mm，(P<0.01);与术前LRV肾门处直径与狭窄处比值为(5.2±3.5)相比，术后LRV肾门处直径与狭窄处比值为(1.3±0.2)(P<0.01)，与术前LRV肾门处血流速度(17.8±7.3)cm/s相比，LRV肾门处血流速度术后为(23.6±16.2)cm/s(P<0.05)。

　　3讨论

　　随着医学诊断技术的发展，越来越多的患者被诊断出患有NCS，对于情况严重的患者，手术治疗是能够解除左肾静脉压迫、缓解症状最有效的治疗方式[15]。目前，治疗NCS的传统手术包括肠系膜上动脉移位术、左肾静脉下移-下腔静脉端侧吻合术、自体肾脏移植术、生殖静脉-下腔静脉转流术等，其手术方式可分为开腹和腹腔镜[3]。

　　然而，由于术中需行动脉吻合，导致肾缺血的时间长，且有危及肠道血流，并造成血栓等术后并发症，这些手术方式仍存在一定的局限性[2,3][16,17]。置入血管内支架可以有效的缓解左肾静脉受压迫的情况。血管内支架尺寸较小，可以利用腹腔镜微创手术实现支架的置入，手术创口小，操作较简单[18]。Chen等[19]报道了61例利用血管内支架治疗NCS的案例，其中59例缓解症状效果显著，但是，这些血管内支架有向下腔静脉移位的倾向，容易引发血栓。Wu等[20]报道了75例接受血管内支架治疗方式的案例，其中6.6%的患者术后出现了支架移位。另外，接受血管内支架植入术的患者须长期服用抗凝药物[1]。

　　Wang等[9]报道了13例接受血管外支架植入术治疗NCS的案例，结果显示其中77%的患者症状完全消失，15%的患者部分症状得到缓解，有1例出现了支架移位的情况。Zhang等[8]报道了3例接受血管外支架植入术的案例，术后两位患者症状完全消失，1例部分症状消失，在之后的回访中出现镜下血尿。两篇文献中所记叙的血管外支架均为PTFE材料，且规格单一(Wang等报道中称所用外支架直径均为10mm，Zhang等所用外支架直径均为8mm)，并在术中需进行重新裁剪和固定[8,9]。

　　在过去的二十多年里，3D打印技术发展迅猛。如今，随着该技术在医学中的应用越来越成熟，利用3D打印技术解决临床问题已然成为医学与工程结合的新兴手段之一[10]。3D打印技术的最大优势是可实现个性化定制。我们利用患者自身的CT影像数据，在精准建模、精确计算之后，为患者量身打造符合其生理解剖结构的血管外支架，打破传统的植入物只能选择固定的尺寸的限制，能够在最大程度上满足患者的需求。

　　相比于传统的血管支架，3D打印血管外支架的另一大优势在于可根据手术的要求对其进行结构上的设计，最大程度的在功能和结构上实现优化：①支架由两个保护套组成，并且为开合结构，这是为了方便手术过程中在不破坏血管的情况下，能够将其套在左肾静脉受压处的外部;②保护套的两端预留的孔可以方便医生利用缝合线对齐进行固定;③两端凸起的防滑脱结构和内侧的凹槽结构可以防止腹主动脉和肠系膜上动脉滑脱支架，有效地防止支架移位;④支架上的孔结构能够减轻支架的质量，并且，在置入后有利于周围软组织的攀爬，包裹支架，从而进一步将其固定在左肾静脉受压处，防止移位。

　　另外，我们注意到在血管支架治疗NCS的案例中，支架的塌陷也是一大问题[21,22]。血管支架必须具有一定的强度，能够支撑来自肠系膜上动脉和腹主动脉的压力，保护左肾静脉。金属材料的支架强度固然可靠，但由于金属外支架的比重较大，对于特殊的患者(比如经常暴露于过载环境中的飞行员)，或者一般患者在遇到突发状况时有移位甚至血管损伤的风险。普通的血管外支架是由PTFE制作的，虽然其具有较强的耐腐蚀性，但纯PTFE强度低、耐磨性差以及耐蠕变性不好，需添加一些无机颗粒如碳纤维等来提高其力学性能[23]。

　　PEEK是一种高分子化合物，其密度为1.3g/cm3，具有耐腐蚀、抗老化、韧性与刚性兼备的特点，且具有很好的生物相容性。并且，其弹性模量与人体皮质骨相似，因此，作为正常生理状态下软组织的支撑，PEEK材料的血管外支架具有足够的强度[24]。

　　综上所述，我们利用患者自身的影像数据设计并利用3D打印技术制作出符合其生理解剖结构特点的血管外支架，使得医生能够在1：1的模型上进行术前验证和规划，在一定程度上对提高手术的准确度有所帮助，同时患者术前术后的指标以及CT和超声影像对比证明了支架的有效性。因此，用于治疗胡桃夹综合征的模型与血管支架的建模、设计和制作过程具有一定的可行性和有效性。

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