3D打印技術的臨床應用：基于“精準骨科”的四肢骨缺損重建*

劉冰川 孫 川 侯國進 楊鐘瑋 劉忠軍 田 耘 周 方

(北京大學第三醫院骨科 骨與關節精準醫學教育部工程研究中心，北京 100191)

隨著精準醫療的概念在基礎研究與臨床實踐等方面的影響力逐漸擴大，各專業領域也逐漸形成了具有學科特點的精準醫療計劃[1,2]。王巖[3]總結了骨科精準醫療(簡稱“精準骨科”)流程的內容：基因測序尋找治療靶點、大數據生物技術分析分類、精準外科和藥物治療干預和精準康復療效跟蹤調整等，這為精準醫療在骨科領域的實施與發展提供了重要的指導。

3D打印技術，又稱增材制造技術，是一種基于計算機三維數字成像輔助設計并逐層疊加制造三維實體的新技術。作為精準骨科的重要組成部分，3D打印技術已從最初的依靠打印模型來輔助診斷疾病或制定手術計劃，發展到現在愈發成熟的直接應用可植入打印假體修復骨缺損[4,5]。特別是針對特殊類型的骨缺損，如腫瘤或感染源性骨缺損，大段骨缺損(長度>6 cm)，以及形態不規則的骨缺損等，3D打印技術能充分發揮其個性化設計的優勢，為每位患者定制更“貼身”的缺損重建假體。

本課題組自2018年開始3D打印假體修復四肢骨缺損臨床應用的前瞻性研究，探索個性化3D打印假體的設計與制備流程，總結3D打印技術治療四肢骨缺損的臨床可行性及有效性，并進一步挖掘其臨床推廣的潛能。現將2018年1月～2019年10月期間進行手術的隨訪時間不少于1年15例資料報道如下。

1 臨床資料與方法

1.1 一般資料

本前瞻性研究獲得北京大學第三醫院醫學科學研究倫理委員會審批[(2018)醫倫審第(414-03)號]。

納入標準：年齡>18歲，骨髓炎源性或無菌性骨不愈合源性四肢骨缺損，骨缺損長度>5 cm，簽署知情同意書。

排除標準：腫瘤源性骨缺損，關節翻修手術骨缺損，病理性骨折。

本組15例，男9例，女6例。年齡27～79歲，平均52.7歲。致傷原因包括車禍傷12例，重物砸傷3例，其中開放性骨折10例，均在外院行骨折切開復位及內固定手術。由受傷至來我院就診間隔3～35個月，中位數8.5月。均完善X線、CT、MRI及骨三相顯像等檢查以明確骨缺損病因及范圍，有皮膚竇道溢液者行分泌物微生物培養。造成骨缺損的病因包括骨髓炎12例，無菌性骨不愈合3例。骨髓炎包括單一細菌感染8例，混合細菌感染4例，病原菌主要包括金黃色葡萄球菌6例，陰溝腸桿菌3例，表皮葡萄球菌3例，大腸埃希菌2例，摩氏摩根菌1例，銅綠假單胞菌1例，化膿性鏈球菌1例，肺炎克雷伯菌1例。骨缺損部位包括股骨合并脛骨1例，股骨7例，脛骨6例，肱骨1例。骨缺損長6～31.2 cm，中位數12.7 cm。

1.2 治療方法

截骨與控制感染階段：①徹底清除受累的軟組織、死骨及感染骨，范圍為骨感染區域邊緣外5 mm，截骨邊界以切緣有新鮮滲血(紅辣椒征)界定，軟組織切除大于受累邊界2 mm，移除原有的失效內固定。對于干骺端骨缺損伴附著的肌肉與韌帶，手術清創時盡量保留其止點，清理骨表面附著的受感染侵襲的軟組織。②分別在骨與軟組織切緣、可疑感染區取3處標本送術中病理及術后微生物培養。③骨缺損區以抗生素聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA)骨水泥Spacer填充占位，傷口以負壓封閉引流裝置(vacuum sealing drainage，VSD)覆蓋引流沖洗，肢體以外固定架臨時穩定。臨時填入的Spacer為表面光滑的圓柱形態，不需與后期植入的假體形狀完全一致。④如術中微生物培養結果為陰性且軟組織病理切片結果未見明顯的炎癥反應，術后引流液培養連續3次陰性，且血生化感染指標及體格檢查結果均無異常，則二次手術移除VSD裝置并關閉傷口；如存在明確的局部感染，則根據微生物藥敏結果足量使用抗生素，并每隔1周進行局部清創及更換VSD，直至引流液微生物培養連續3次為陰性且血生化感染指標及體格檢查結果均無明顯異常，則認定局部感染已獲得良好控制，關閉傷口。如皮膚軟組織缺損嚴重，則選擇拉皮器或皮瓣轉移等方式閉合傷口。

3D打印假體設計與制備階段：①進行雙側肢體薄層CT掃描與重建，基于鏡面對稱原理，依照正常側肢體的形態結構以及缺損區周圍的解剖特點設計假體。②依托醫工交互平臺，模擬假體重建骨缺損及內固定的手術操作。③應用電子束熔融專用程序，逐層打印3D多孔鈦合金(成分為Ti6Al4V)假體，清洗假體并進行表面打磨拋光，消毒包裝。

重建骨缺損階段：①此階段手術距離上次手術一般6～8周，植入假體前需確認皮膚軟組織條件好、無發熱、肢體局部無紅腫或竇道、影像學檢查無新發膿腔或骨質破壞等感染復發情況。②將3D假體植入骨缺損周圍形成的誘導膜內，以髓內針固定，鄰近干骺端的骨缺損用螺釘進行假體側耳遠端固定，將誘導膜嚴密縫合，逐層關閉傷口，如皮膚軟組織條件差需進行皮瓣轉移。

康復階段：提倡術后適當早期安全地進行負重及康復鍛煉，由康復師指導訓練，如病程較長導致關節僵硬，行關節松解術。

1.3 療效評價

術后每隔3個月復查評價療效，主要內容：①觀察骨髓炎有無感染復發，根據Gupta等[6]的報道及我們的臨床經驗，判斷局部感染復發的證據主要包括手術部位再次出現紅腫熱痛等癥狀，血白細胞計數、C反應蛋白、血沉等指標升高且排除其他部位感染，手術部位再次出現竇道或滲液等。②每次復查X線片，每隔半年復查CT，評估假體及內固定有無斷裂、松動、移位或沉降等以評價其完整性及穩定性，評估新骨再生的距離、厚度及濃密度以評價新骨再生進度。③用視覺模擬量表(Visual Analogue Scale，VAS)評定疼痛程度，0分代表無痛，10分代表劇痛。④用日常生活能力量表(Activity of Daily Living Scale，ADL)評定日常生活狀態，滿分100分，60分以上為生活基本自理，40分以下為重度功能障礙[7]。⑤上肢功能量表(Disability of Arm，Shoulder and Hand，DASH)[8]或下肢功能量表(Lower Extremity Functional Scale，LEFS)[9]評定上肢、下肢手術患者的術后功能。DASH總分0～100分，0分表示上肢功能完全正常，100分表示上肢功能極度受限，得分越低代表上肢功能越好；LEFS總分0～80分，得分越高代表下肢功能越好。⑥用患者滿意度評分綜合評定治療效果，滿分10分，0分為非常不滿意，10分為非常滿意。

2 結果

15例3D打印假體植入重建骨缺損手術后，開始進行如肢體屈伸、抬高、輔助負重行走等功能鍛煉的時間為5～20 d，中位數8 d。2例骨髓炎患者分別在術后6、8個月發生局部感染復發，表現為局部皮膚再次出現竇道伴持續滲液，X線檢查顯示2例均未出現內固定或假體松動或斷裂，但新生骨痂生長不明顯，其中1例行肢體局部再次清創截骨控制感染并同時植入PMMA骨水泥Spacer出院，等待復查結果同時制備3D打印假體，另1例仍在住院進行局部控制感染的相關治療。其余13例無內固定及假體松動或斷裂，骨缺損端有新生骨包繞假體生長，術后隨訪12～26個月，平均18.0月。13例末次隨訪日常生活肢體疼痛VAS評分平均2.4分(2～4分)，ADL評分94.2分(90～95分)，1例肱骨缺損者DASH評分31.7分，12例下肢骨缺損患者LEFS評分42.0分(38～47分)，滿意度9.3分(9.1～9.5分)。典型病例見圖1。

圖1 53歲女性，半年前因車禍傷造成右肱骨遠端骨折(AO-A3)并在外院行切開復位內固定手術。3個月前無明顯誘因右肘外側出現竇道并持續溢出黃色分泌物，對癥治療無緩解。分泌物細菌培養提示金黃色葡萄球菌感染。無糖尿病、免疫功能不全、營養不良等疾病，無特殊口服藥物史。A、B.術前X線顯示肱骨遠端骨折未愈合，骨質破壞明顯，克氏針松動；C、D.術前CT顯示肱骨關節面受侵蝕破壞明顯，骨折未愈合，伴骨質疏松；E.骨三相顯像顯示血池相右肱骨遠端放射性濃聚明顯(箭頭所示)，提示局部慢性骨髓炎；F.肱骨遠端感染灶經清創截骨后，遺留的骨缺損區(長11.2 cm)用PMMA骨水泥Spacer占位(箭頭)，肘關節以外固定架臨時固定；G.基于鏡面對稱原理，參照健側肢體的三維重建CT設計重建患肢骨缺損假體的大小及形態；H.設計假體的正面與背面觀，此假體實現了側耳及髓內針的一體設計打印；I.基于醫工交互平臺，可視化模擬假體置入及內固定的手術操作；J、K.假體置入術后7天的正側位X線，可見假體與骨缺損區匹配度良好；L、M.術后6個月的正側位X線，可見假體保持穩定；N、O.術后14個月的正側位X線，見假體穩定，無松動及斷裂；P、Q.假體植入術后返回病房后的肘關節屈伸活動范圍；R、S.術后14個月，右肘屈伸功能恢復良好，可滿足日常生活需求，DASH評分31.7分

3 討論

四肢骨缺損的治療一直是棘手問題。Lasanianos等[10]的研究表明，當骨缺損的長度超過其周長的2～2.5倍時，則難以自行修復。Haines等[11]關于開放性脛骨干骨折的研究顯示，當缺損的長度超過2 cm時難以實現骨愈合。骨缺損的治療不僅要求重建骨骼的完整性，還應強調早期安全的肢體負重及功能鍛煉，有助于患者早期回歸正常社會生活。

骨缺損治療的傳統方法主要包括骨移植技術、Ilizarov牽張成骨技術、Masquelet膜誘導技術等[12]。3D打印技術作為創新的治療選擇在骨缺損的臨床治療中發揮著越來越大的作用。我們在PubMed及Web of Science數據庫檢索近10年發表的應用3D打印假體重建四肢骨缺損的臨床應用報道共9篇[13～21]，包含17例患者，其中5例是本課題組報道。本前瞻性研究包含15例患者，隨訪結果顯示，3D打印技術治療四肢骨缺損，適用于大段(中位長度12.7 cm)，多種原因(包括骨不愈合、骨髓炎)，多部位(包括肱骨、股骨及脛骨)骨缺損。基于缺損周圍形態特點并參考對側肢體正常解剖結構的3D打印“定制化”假體，可有效匹配骨缺損的形態結構。同時，假體的多孔內部結構設計，可通過調節孔隙大小及孔隙率實現對假體生物力學性能的調控，有利于快速重建肢體的機械強度和生物力學傳導需求。

個性化3D打印假體的設計與制備流程主要包括4部分：①收集臨床影像資料并數字化成Mimics軟件可讀數據；②基于圖像數據建立假體模型，設計假體的內固定方式及釘孔位置(圖H)；③依托醫工交互平臺模擬假體植入及固定等手術操作，優化手術策略(圖I)；④對金屬假體進行后期處理與性能測試，合格產品進行消毒并無菌密封包裝。同時，我們對用于不同解剖部位的3D打印假體也進行了一些特別的設計：①單純長骨干部骨缺損，設計為近圓柱形態的假體，假體中心預留髓內針穿行通道；②長骨干骺端骨缺損，在假體兩端額外一體打印側耳結構，以增加假體與靠近關節端的松質骨的固定強度；③靠近長骨干骺端且跨度較長的骨缺損，可進行假體-髓內針-側耳結構的一體打印(圖H)，假體局部固定強度進一步提高。

應用3D打印假體植入重建骨缺損，不需等待骨愈合再進行肢體負重鍛煉，鈦合金假體可為骨骼提供足夠的機械強度支撐與生物力學傳導，使肢體恢復到接近自然的生物力學環境。我們設計的3D打印假體為均一的多孔結構，孔隙大小(625±70)μm，孔隙率68%，彈性模量為(1200±48)MPa，其機械強度顯著低于皮質骨并接近松質骨，這有利于假體植入骨缺損區后減少局部的應力遮擋效應。本研究15例自3D打印假體植入術后至開始部分肢體負重功能鍛煉的時間間隔中位數8 d，而傳統方法骨移植技術及Masquelet技術因需等待骨融合再功能鍛煉導致其時間間隔至少要3～6個月[22,23]，Ilizarov技術實現骨愈合部分患者需要1年以上[24]。

假體保持穩定與新骨逐漸再生是應用3D打印假體植入治療四肢骨缺損獲得中遠期良好療效的重要保障。本研究13例術后隨訪X線檢查可見新生骨痂在假體表面自骨缺損斷端向中心逐漸爬行生長，未出現明顯的新骨斷裂、新骨吸收。對于不同解剖部位的骨缺損：股骨缺損的新生骨痂生長更快、更濃密；脛骨缺損的骨痂再生速率相對緩慢，這可能與脛骨周圍軟組織覆蓋相對較薄以及脛骨自身血供相對較差有關；肱骨缺損的骨痂再生速率與濃密程度也相對較弱，這可能與上肢缺少負重訓練導致新骨再生缺乏局部應力刺激有關。新生骨痂可與3D打印假體的多孔結構貼合而形成“生物錨定”，持續維持假體的穩定，避免其松動或移位。并且，我們在植入3D打印假體時不額外在假體的內部或周圍增填任何自體骨或異體骨材料，可擺脫臨床骨缺損治療對植骨材料來源的依賴，這一創新治療思路也有別于既往的文獻報道，結果顯示這樣的治療策略并未顯著影響新骨再生與假體穩定，這為骨缺損的臨床治療提供了新的思路。

早期安全有效的肢體負重功能鍛煉、假體保持持續穩定、新骨逐漸再生三要素保障功能順利康復。本研究13例末次隨訪肢體功能定量評分結果顯示，上肢DASH評分31.7分，下肢LEFS評分平均42.0分，ADL評分平均94.2分，患者滿意度平均9.3分。此臨床療效充分體現了應用3D打印假體植入治療四肢長骨大段骨缺損的早中期可行性及有效性。

本組2例骨髓炎局部感染復發，分析其原因主要是骨感染均未行節段性截骨，而僅骨干側方骨感染灶清除。由此可見，術中組織病理及術后連續3次沖洗液細菌培養陰性也不能斷定感染完全獲得有效控制。并且2例骨髓炎均為混合感染(1例金黃色葡萄球菌合并銅綠假單胞菌及表皮葡萄球菌，1例金黃色葡萄球菌合并化膿鏈球菌)，這也導致感染難以徹底有效控制。徹底有效清創及控制感染仍是3D打印技術治療骨髓炎性骨缺損的關鍵。由于植入假體的大小及形態可定制，手術醫師可適度充分截骨，減少對大段異形骨缺損重建困難及大量植骨材料需求的顧慮。

本研究的主要不足為病例數較少及隨訪時間較短，從而使研究結果缺乏更有力的臨床數據支持。進一步的病例納入及隨訪將有助于改善這一不足。

綜上，基于“精準骨科”的3D打印技術治療四肢骨缺損具有良好的臨床可行性及有效性，在徹底清創及控制感染的前提下，可實現假體穩定及新骨再生，患者可獲得較滿意的肢體功能恢復。