骨骼修復與組織再造在高校研究與教學中的創(chuàng)新應用

【摘

要】隨著骨骼標本以及各臟器標本資源短缺、來源單一的問題日益凸顯，“骨骼修復”正逐漸從實驗室和醫(yī)院走向各大醫(yī)科類高校，成為當前學生和教師的研究熱點之一。根據(jù)齊齊哈爾醫(yī)學院現(xiàn)有骨庫的情況，并借鑒一些教師的經(jīng)驗，研究團隊購買了超輕黏土、油泥、砂紙、顏料、膠水等材料，修復了一批破損的骨骼，結(jié)合3D打印修復技術，對這些骨骼標本進行標記，并添加了肌肉、神經(jīng)等組織，將其加工成可供展示和教學使用的教具。期望通過這種再利用方式，充分利用學?，F(xiàn)有的骨庫資源，并借助這些形象的教具幫助學生更好地學習相關知識。同時，也希望能激發(fā)學生對骨骼修復與制作的興趣，讓他們參與其中。【關鍵詞】骨骼修復與組織再造；標本；教具；3D打印隨著科學的進步，醫(yī)療水平也在不斷提高，曾經(jīng)看似困難的“骨骼修復”如今已成為醫(yī)療領域的研究熱點。人體骨骼標本已成為國內(nèi)各大醫(yī)學院校教學研究中必不可少的一部分，一副好的標本模型能讓學生直觀地感受人體構造的奧秘，從而激發(fā)學習興趣，幫助學生將抽象的知識具體化。因此，如何利用已有的骨骼標本并通過創(chuàng)新的思維與技術對其進行修復，制作成教學模型用于實踐教學與展覽，成為各醫(yī)學院校面臨的重要問題。一、骨骼修復的主要內(nèi)容與創(chuàng)新點齊齊哈爾醫(yī)學院擁有數(shù)量眾多的骨骼標本，利用3D打印技術結(jié)合手工修復的方式可以將其修復成型，用于臨床研究與教學實踐。其中，上頜骨、下頜骨、舌骨、顴骨等面顱骨，相較于人體其他部位的骨骼，如肱骨、股骨等，面顱骨體積較小，形態(tài)不規(guī)則，骨壁厚薄不均，易損傷，同時也不易保存。因此，在修復過程中首次加入了3D打印技術。修復完畢后，這些顱、頜面骨骼對剛接觸解剖學的臨床醫(yī)學生具有極大的引導作用。（一）骨骼修復主要內(nèi)容與實際意義骨骼修復涉及的不僅僅是骨骼本身，還包括骨骼上附著的肌肉、神經(jīng)等組織，因此對相關解剖學知識進行學習和理解有助于修復過程的推進和修復質(zhì)量的提高。本研究小組采購了類似陶泥、超輕黏土、油泥等材料并結(jié)合3D打印修復技術，用于修復骨骼破損部位，通過不斷嘗試進一步完善骨的修復。在修復中期，利用實驗室開放等形式吸引更多的學生加入骨骼修復的隊伍，并將已完成的骨骼模型進行展出，供學生參考，從而制作出更多不同類型的標本。修復后期，將修復完成的骨骼標本交給專業(yè)的解剖教研室工作人員進行認定，指出錯誤與不足，并針對模型中存在的問題進行進一步優(yōu)化和完善。最終，制作較精美、修復程度較高的幾套模型將被推薦給校內(nèi)的教師，幫助他們應用到日常教學與臨床研究中。同時，這些模型也會提供給齊齊哈爾醫(yī)學院形態(tài)學展館進行展出，既補充了展館的標本資源，又讓學生參觀到更加豐富的骨骼標本。（二）骨骼修復實施方法與材料骨骼修復需要陶泥、油泥、超輕黏土、彩色顏料等。謝麟祥在《修復骨標本的簡易方法》中指出可以使用滑石粉或石膏粉，砂紙、剪刀、白乳膠（聚醋酸乙烯乳液）、光油、清漆、松節(jié)水、無水酒精、蟲膠漆等給顱各骨涂上不同顏色，將滑石粉或石膏粉加上白乳膠（聚醋酸乙烯乳液）調(diào)成糊狀，再將砂紙剪成小塊浸入糊狀物濕透進行修補，待干后再涂上顏色。為了美觀，可用手指蘸肥皂水將修補表面磨光滑。中南大學醫(yī)學形態(tài)學實驗中心也曾用膠粘劑、滑石粉、棉花、毛邊紙、細鐵絲、骨粉等材料進行破損骨的修復。首先，對顱骨、四肢長骨、軀干椎骨等骨骼，若僅是骨表面破損或出現(xiàn)了空洞，可選擇使用油泥將其破損部位填補完整并用手按壓牢固；若按壓過程中出現(xiàn)反復脫落的情況，則使用膠水將油泥塊固定在骨表面。其次，填補完成后，放置24小時待其干燥。用紅藍兩種顏色的顏料在骨骼表面分別標記肌肉的起點和止點；數(shù)小時后待顏料干燥，使用不同顏色的油泥在對應的位置捏造出肌肉的形狀，以此更加直觀地展現(xiàn)肌肉的走行。再次，對破損較大的骨骼，如斷裂的肋骨，后期使用3D打印的方式，對骨標本進行掃描和數(shù)字三維重建，用玉米淀粉打印成型。胡建光等在《介紹一種破損骨標本的修復方法》中提到可使用以下兩種方法進行修復：1.肋骨只是斷脫，無崩裂掉塊丟失，直接用膠粘劑涂在兩斷端口，原位對接斷端，并用雙手稍用力對壓，然后平放讓其干固。2.在斷脫處有骨塊崩裂丟失，在兩段肋骨的斷口，用兩根長短相當?shù)募氳F絲，兩端分別插入兩斷肋的對接斷口，使兩段肋用細鐵絲連接，將備用修補泥包埋外露的細鐵絲并填充其缺損，壓擠成肋該處的大小和形態(tài)，撒上骨粉待其干固。最后，骨之間與關節(jié)之間的連接，可用電鉆在相鄰骨及關節(jié)的連接部位打上小孔，使用細鐵絲將骨骼穿連在一起并進行捆綁固定，便于成套骨架的連接。使用陶泥填補的骨骼標本若保存不妥，放置時間長了會發(fā)生干裂、脫落等情況，尚未修復的標本保存不妥也易發(fā)生反油、變黃、發(fā)霉、穿連鉛絲斷裂和骨塊散落等情況。王愛紅等在《骨骼標本的修復方法》中總結(jié)：當骨骼標本散落時，大型骨骼標本在關節(jié)處都鉆有小孔，可重新取合適的鋼絲連接起來。對體積較小的骨骼，散落部分可用黏結(jié)劑直接粘連起來。當標本反油、發(fā)霉，由于原先骨骼標本脫脂不夠徹底，可以取一份氨水加三份水配置成脫脂液，將標本浸泡36—48小時，對比較粗大的骨骼，脫脂液可配的濃些，浸泡時間可加長。如遇標本發(fā)黃，可重新漂白，將標本放入體積分數(shù)為25%的雙氧水中浸泡48小時左右即可。當骨骼呈乳白色、各個部位顏色很均勻，漂白工作即完成，注意時間不宜過久，以免骨骼分離甚至粉碎。對修復好的骨骼進行大致拼接，觀察缺失部分，根據(jù)人體骨中段外部輪廓結(jié)構和骨骼的內(nèi)部孔隙，建立人工骨骼支架三維模型并轉(zhuǎn)換為3D打印數(shù)據(jù)。由于人體骨骼存在個體差異性大的特點，因此選擇合適的修復材料至關重要。目前臨床上應用最多的修復材料包括鈦金屬材料和PEEK材料兩種。鈦金屬由于具有良好的生物相容性和延展性，在顱骨和眶骨的修復上得到了廣泛應用。（三）骨骼修復方法與技術創(chuàng)新修復方面，為節(jié)約學校購置標本和材料的開支，并貼合學校教學和科研實際，本研究團隊以齊齊哈爾醫(yī)學院現(xiàn)有骨庫資源為主要標本來源，從中選取破損的股骨、脛骨、頭骨等作為修復對象，購置如陶泥、油泥、彩色顏料、砂紙等材料，先使用陶泥和油泥來填補修復破損骨骼，并捏造出原本附著在骨骼表面的肌肉、動靜脈血管以及神經(jīng)，盡可能還原骨骼原貌。求取缺損部分模型，根據(jù)人體骨中段外部輪廓結(jié)構和骨骼的內(nèi)部孔隙，建立人工骨骼支架三維模型并轉(zhuǎn)換為3D打印數(shù)據(jù)。本小組所使用的修復材料簡單易獲取，具有經(jīng)濟高效的特點，填補了國內(nèi)高校在此方面的技術空白。應用方面，骨骼標本本身具有極大的利用和研究價值，修復完成后不應當繼續(xù)被擱置，而要投入實際應用中。本研究團隊將修復完成后的骨骼與高校教學和科研緊密結(jié)合，不僅將其提供給教師，投入日常的解剖學課程使用中，同時還將這些標本作為展品在齊齊哈爾醫(yī)學院生命科學館進行展出，供校內(nèi)外人員進行參觀學習，進一步了解和領略人體骨骼的奧秘與骨骼修復的成果。（四）骨骼修復意義首先，制作骨骼模型是一個不斷思考再創(chuàng)造的過程，在這一過程中學生的思維靈感能夠得到極大地激發(fā)，有助于提高學生解決問題的能力以及思維的多樣性。作為臨床醫(yī)學學生，實踐操作能力在今后的臨床工作中尤為重要。骨骼修復過程極大地鍛煉了學生的動手實踐能力，為不久后的臨床實習打下基礎。學生在制作模型的過程中需要不斷地翻閱書籍，查找相關的專業(yè)材料，這一過程能夠使學生對相關專業(yè)知識進行鞏固、達到進一步理解的效果，并了解到更多關于3D打印的相關知識，將醫(yī)學與科技時代的技術產(chǎn)物相結(jié)合，促其發(fā)展。其次，骨骼修復全過程需要學生之間，師生之間進行不斷的交流與討論，有利于加強學生之間的友誼、促進師生關系。再次，骨骼修復還能夠做到物盡其用、經(jīng)濟高效地緩解解剖標本缺乏的難題。最后，因為所有的骨骼標本都來自無聲的大體老師們，通過修復這些大體標本也表達了學生對捐獻遺體的大體老師們大愛無私的敬意，也是敬畏生命的體現(xiàn)。二、研究成果與分析本研究團隊已成功利用油泥、超輕黏土、白乳膠（聚醋酸乙烯乳液）等材料，結(jié)合3D打印技術完成了頜面部骨、肱骨、肋骨、股骨、脛骨以及腓骨等因放置時間過久而風化的破損部的修復。使用油泥充填骨破損部位并擠壓成骨原來的形狀，利用3D打印技術還原骨的精細結(jié)構，并用彩色顏料重新展現(xiàn)原本的肌肉、韌帶、神經(jīng)、血管等，使齊齊哈爾醫(yī)學院生命科學館的標本以及教學用具得以一定程度上的補充。此方法的優(yōu)勢在于修補材料易獲得、成本投入少、操作簡單易上手。此外，通過不同顏色的顏料可以更直觀地展示出貼骨處的肌肉、韌帶、神經(jīng)、血管的部位，有助于加深學生對這些部位的記憶。同時，在實驗室開放中，學生的參與可以培養(yǎng)動手實踐能力，增強學生的團隊意識，提升學生對解剖學的興趣。此修復方法還存在一些弊端。首先，填補修復材料如陶泥、油泥等受環(huán)境因素影響較大，單純使用手部進行按壓固定在后期容易造成脫落以及干裂。其次，由于骨骼表面并非十分光滑平坦，在手工捏造肌肉形狀時容易產(chǎn)生形變與位置偏差。再次，在關節(jié)部位的連接上，主要用金屬或其他材料來固定，連接處容易損壞，制作和修復工作比較煩瑣。由于缺少關節(jié)囊和韌帶，不能充分顯示骨聯(lián)結(jié)的整體觀。最后，干骨標本中，長骨骨骼表面骨密質(zhì)極薄，在使用過程中極易破損，致使骨松質(zhì)外露，骨骼端許多結(jié)構部分或全部脫落。由于長骨的諸多結(jié)構（骨性標志）都集中在兩端，骨骼破損后其標本價值大打折扣，以致學生在使用過程中不能觀察到骨標本的正常形態(tài)結(jié)構。這一點在一開始的修復過程中并沒有被考慮到，有可能會對后續(xù)的修復產(chǎn)生影響。三、研究成果的延續(xù)及應用骨骼修復這一技術目前更多地被專業(yè)科研及技術人員使用，很少走進高校，貼近高校學生，普及范圍十分有限；同時，破損骨骼修復完畢后利用價值十分有限，除了醫(yī)療領域的利用外常常只能用于標本展示，在高校中的利用價值尚未挖掘，針對此現(xiàn)狀本研究團隊提出了以下幾點思考。修復技術與方法及時與高校教學研究相結(jié)合。目前本研究團隊主要進行較基礎的修復，側(cè)重于骨骼本身及肌肉的還原。高校的教學內(nèi)容與形式會不斷發(fā)展改進，而骨骼修復的技術也應當與此相適應，如增加更多神經(jīng)、血管等細節(jié)的復原，不斷探索更為經(jīng)濟、修復效果更好的材料，制作成套的骨架等。重視實驗室開放項目。實驗室開放是一個很好的將此項技術以及已完成的模型展示、分享給更多學生的機會。課余時間可以被充分利用，以“骨骼修復與再利用”為主題，吸引更多對此感興趣的學生加入其中，為他們介紹本團隊所做骨骼修復的內(nèi)容、思路與意義，將骨骼修復與模型制作過程中遇到的問題與相應的解決方法分享給他們，讓學生能夠更容易地接受這項技術、能夠更快地加入修復與制作的行列中來，使骨骼修復的技術與成果能夠得以延續(xù)與傳承。與教師和學校生命科學館做好交接配合。最后完成的模型實際上可以分為兩大類，一類可供教學使用，另一類可作為展品進行展出。團隊