3D打印技術(shù)在人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景

作者：中國醫(yī)科大學附屬盛京醫(yī)院脊柱關(guān)節(jié)骨科  李戈

隨著我國人口不斷增長和老齡化趨勢與日俱增,，需要進行人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)的患者逐年增加。人工關(guān)節(jié)置換技術(shù)的進步和假體設(shè)計及工藝的改進,，使人工全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)(THA)已成為治療髖關(guān)節(jié)終末期疾病[股骨頭壞死,，先天性髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良(DDH)，股骨頸骨折,，退行性髖關(guān)節(jié)炎,，類風濕關(guān)節(jié)炎,，強直性脊柱炎等]最有效的治療方法之一,。相關(guān)調(diào)查顯示：2014年全年我國人工關(guān)節(jié)置換術(shù)總量已達近40萬例，其中近60%為人工髖關(guān)節(jié)置換,。該手術(shù)方式對于減輕患者疼痛,，恢復髖關(guān)節(jié)活動度,，提高髖關(guān)節(jié)功能，改善患者生存品質(zhì)意義重大而深遠,。髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)則是初次置換后由于各種原因?qū)е录袤w不能繼續(xù)使用所進行的補救措施,，包括清除感染灶，更換假體等,，患者骨盆往往存在較大的骨缺損,，甚至骨盆不連續(xù)。而3D打印技術(shù)的出現(xiàn),，對于那些髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良,，髖關(guān)節(jié)術(shù)后出現(xiàn)骨盆缺損的患者，無疑是開辟了一條個體化醫(yī)療,，精準醫(yī)療的全新道路,。

3D打印技術(shù)是一種材料快速成型技術(shù)。不同于傳統(tǒng)的減材加工技術(shù),，它是以“分層制造,，逐層疊加”為原理，通過計算機輔助設(shè)計及制作技術(shù)(CAD),，數(shù)控技術(shù),，利用激光束或電子束將熱塑性材料或液態(tài)金屬等可黏合材料，逐層堆積,，疊加成型為三維實體的打印方法,，又稱“增材制造”。近幾年來,，由于3D打印材料科學的不斷發(fā)展,，操作控制系統(tǒng)的不斷完善，3D打印技術(shù)不只在工業(yè)設(shè)計,，零件制造等方面大放異彩,，同時也越來越受到醫(yī)療行業(yè)者的關(guān)注與重視。現(xiàn)將結(jié)合國內(nèi)外文獻,，對現(xiàn)階段3D打印技術(shù)在全髖關(guān)節(jié)置換/翻修術(shù)的臨床應(yīng)用進行回顧,，并對其未來發(fā)展方向進行探討與展望。

3D打印技術(shù)在全髖關(guān)節(jié)置換/翻修術(shù)中應(yīng)用的現(xiàn)狀

髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良患者的骨盆3D打印及導航模板的使用：DDH是一種目前病因尚不明確的先天性髖部疾病,�,；颊咂涞湫陀跋駥W表現(xiàn)為髖臼對股骨頭的覆蓋減少，髖臼壁淺而薄,，多存在髖臼骨缺損,，骨質(zhì)硬化，出現(xiàn)假臼等改變并伴有不同程度的臀中肌萎縮。而對于CroweIII/IV型的發(fā)育不良患者,，由于其髖臼缺損嚴重,，股骨頭脫位明顯，臨床治療常面臨巨大挑戰(zhàn),。目前,，對于成人中、晚期DDH患者,，THA已經(jīng)成為其手術(shù)治療的最優(yōu)選擇,。但是由于DDH患者解剖學的變異以及人為主觀因素，髖臼重建位置往往并不完全精確,，存在相對較高的假體松動可能,。

根據(jù)患者術(shù)前三維CT影像學結(jié)果，利用計算機軟件進行骨盆三維重建,。將導出STL文件輸入3D打印機中,，即可獲得1∶1骨盆模型。骨盆模型可以很好地展示DDH患者髖關(guān)節(jié)的解剖形態(tài),，更加直觀地讓術(shù)者了解髖臼壁缺損狀況,，真假臼的位置關(guān)系。進而有效地幫助術(shù)者完善術(shù)前規(guī)劃,，獲得精確的髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心,，利用髖臼銼預(yù)計打磨深度，初步獲得臼杯(股骨頭)直徑數(shù)據(jù),，精確髖臼前傾角,，外展角大小。3D打印骨盆不僅能夠指導手術(shù)計劃,，模擬手術(shù)操作,，更是提高了手術(shù)精度和安全性，減少手術(shù)時間,，降低了手術(shù)的難度,。而對于患者而言，通過個性化的骨盆模型與患者進行病情介紹和術(shù)前交代,，使患者和家屬對病情,，手術(shù)方式，手術(shù)風險有了更深刻的理解,�,；颊叻答伇硎緷M意，提升了患者的依從性和醫(yī)療評價,。由于術(shù)前的充分規(guī)劃以及術(shù)中風險的充分預(yù)知,，進行骨盆3D打印患者的手術(shù)結(jié)果相對較好,，并發(fā)癥出現(xiàn)率顯著降低。

近幾年來,，快速打印導航模板的使用也在不斷增多,，利用患者術(shù)前三維CT結(jié)果設(shè)計出假體的最佳固定方向,，并提取髖臼表面解剖形態(tài)擬合成定位模板,。快速成型制作后,，在術(shù)中按照導航模板的指引,，快速確定真臼位置，并按照設(shè)計角度打磨髖臼,，可縮短手術(shù)時間,，提高手術(shù)精度，取得很好療效,。

髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)的3D打印應(yīng)用：隨著髖關(guān)節(jié)置換術(shù)數(shù)量逐年上漲,，由于感染，假體松動等術(shù)后并發(fā)癥所導致的需要翻修的患者也在悄然增加,。假體無菌性松動與不穩(wěn)定(66%)和感染(15%)是全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后兩種最嚴重的并發(fā)癥,。它們不僅影響患者的身心健康，生活質(zhì)量,，更增加了骨科醫(yī)生的治療難度,。髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)，無論是髖臼側(cè),，還是股骨側(cè),，骨缺損通常都會非常嚴重，手術(shù)難度較大,。

Zerr等團隊與Hughes等團隊分別于2016年,，2017年進行髖關(guān)節(jié)翻修患者的骨盆3D打印模型研究，在翻修術(shù)前使用骨盆模型進行手術(shù)預(yù)演,，逐層打磨,，預(yù)計臼杯大小。根據(jù)骨缺損程度,，選擇使用結(jié)構(gòu)性植骨或鉭金屬墊塊進行模擬,，同時確定螺釘位置和軌跡，既保證了假體穩(wěn)定,，又避免了螺釘傷及血管或神經(jīng),。使術(shù)前計劃更加完善，手術(shù)時間更短,，取得了很好的療效,。

何勇等報道了多例翻修患者，利用I期術(shù)前三維CT圖像，取健側(cè)股骨數(shù)據(jù),，應(yīng)用鏡像技術(shù)3D打印出個體化Spacer制作模具,。術(shù)前預(yù)演并術(shù)中指導制作個體化Spacer，提高了手術(shù)精度,。又于II期手術(shù)前拍攝最新三維CT,，3D打印患側(cè)股骨結(jié)構(gòu)，模擬股骨柄的選擇,，指導術(shù)中假體安放,，患者術(shù)后控制感染及翻修效果均良好。

個體化訂制的3D打印髖臼假體：電子束熔融快速成型技術(shù)(EBMRP)是一種新型金屬粉末(Ti6Al4V)快速成型技術(shù),。通過CT或MRI提取患者的骨骼信息數(shù)據(jù)進行個性化假體的計算機輔助設(shè)計,，并加以仿真模擬及力學驗證；最后通過EBMRP技術(shù)完成個性化假體的快速制作,。相關(guān)研究表明,，孔隙率＞50%且孔徑在50～500μm之間的多孔鈦合金假體是符合人類松質(zhì)骨機械強度且有利于成骨細胞的增殖和分化的。EBM技術(shù)訂制假體可以完全滿足此材料學要求,，其“類骨小梁結(jié)構(gòu)”可支持骨細胞在其中生長,，使骨骼與假體之間形成牢固的絞鎖，促進骨與假體交界面的骨性愈合,，從而延長假體使用壽命,。EBM技術(shù)的出現(xiàn)給新型骨科假體的設(shè)計和制造帶來了前所未有的機遇。


(1)3D打印鈦合金骨小梁金屬臼杯應(yīng)用于初次髖關(guān)節(jié)置換：目前,，大部分髖臼置換手術(shù)均傾向于使用非骨水泥假體,，臼杯表面與骨面之間的骨長入能力是維持髖臼假體穩(wěn)定的最重要因素。傳統(tǒng)通用髖臼假體由于技術(shù)缺陷,，導致孔隙率不足,，孔徑不均，不利于骨長入,。不同于傳統(tǒng)臼杯表面采用噴涂和燒結(jié)技術(shù),，EBM鈦合金臼杯金屬基底層與表面多孔層是一次成型。其多孔表層擁有優(yōu)越的生物學特性,，這對于細胞的貼附生長以及干細胞的成骨分化都具有促進作用,，從而明顯增加金屬生物材料與細胞的結(jié)合能力，獲得更好的機械學性能,。不僅如此,，EBM金屬的硬度與彈性模量與人體松質(zhì)骨相似，使應(yīng)力傳導更加均勻,，早期即可獲得良好的骨長入,。陳世柱等利用3D打印鈦合金金屬臼杯為老年患者行初次髖關(guān)節(jié)置換,，實驗組術(shù)后6個月Harris髖關(guān)節(jié)評分平均值為90.96。相比于使用普通非骨水泥臼杯的對照組,，髖關(guān)節(jié)功能改善顯著,，骨長入也較為良好，且穩(wěn)定性良好,，短中期預(yù)后效果佳,。王珊珊等發(fā)現(xiàn)訂制臼杯患者術(shù)后Harris評分明顯高于常規(guī)骨水泥臼杯組，治療的總效率也顯著提升,。將訂制鈦合金假體應(yīng)用于DDH及髖關(guān)節(jié)結(jié)核患者,，Wang等發(fā)現(xiàn),，使用訂制的3D打印鈦合金假體的患者,，術(shù)后負重時間普遍短于常規(guī)髖關(guān)節(jié)置換組，術(shù)后2年Harris評分也相對較高,，說明3D打印訂制假體更貼近人體解剖結(jié)構(gòu),。


(2)翻修手術(shù)中快速打印金屬墊塊、三翼杯的應(yīng)用：在髖關(guān)節(jié)翻修手術(shù)中,，目前我們所知的處理髖臼骨缺損的方法有很多,，如大臼杯，加強環(huán),，結(jié)構(gòu)植骨等,，目的就是為了重建準確的髖臼旋轉(zhuǎn)中心，使髖臼假體得到充分的穩(wěn)定,。EBM技術(shù)的發(fā)展,，使髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)出現(xiàn)了新的手術(shù)方式選擇。

2016年,，毛兆光等利用3D打印技術(shù)設(shè)計制作出與患者髖臼高度匹配的臼杯墊塊一體式個性化假體,，將其應(yīng)用于1例PaproskyIIIA型翻修患者，使手術(shù)難度下降,，手術(shù)創(chuàng)傷減小,，出血量減少�,；颊咝g(shù)后康復基本滿意,，但無隨訪結(jié)果。夏志勇等利用三維CT數(shù)據(jù)和同比例3D打印骨盆模型,，結(jié)合計算機模擬和EBM技術(shù),，打印出個體化鈦合金骨小梁臼杯及訂制鈦合金金屬墊塊。應(yīng)用于15例翻修手術(shù)患者,，平均隨訪13.6個月,，髖關(guān)節(jié)Harris評分,，VAS評分相較于術(shù)前，均有較大改善,。截止目前術(shù)后無一例出現(xiàn)翻修失敗,，影像學檢查顯示骨長入良好�,；颊呦碌匦凶卟綉B(tài)良好,，可正常行走、下蹲,，短期內(nèi)療效滿意,，仍需進一步遠期隨訪。楊振環(huán)等將應(yīng)用3D打印的假體,、墊塊的翻修患者與常規(guī)翻修患者的術(shù)后6個月情況進行比較,，得出了訂制假體、墊塊與髖臼結(jié)構(gòu)吻合度高,，臼杯穩(wěn)定性強的結(jié)論,。個體化三翼臼杯對于PaproskyIIIB型骨缺損，甚至骨盆不連續(xù)的翻修患者,，帶來了福音,。個體化鈦合金三翼臼杯最早由Christie等提出，是一種臼杯外緣連接三個翼狀突起,，分別可以用螺絲固定于髂骨,，恥骨，坐骨的訂制髖臼假體,。它可以精確穩(wěn)定地復原髖臼解剖結(jié)構(gòu),，恢復強力的骨接觸和髖關(guān)節(jié)生物力學。

Christie等對訂制三翼臼杯的置換78例骨盆不連續(xù)患者,，進行了24～107個月的隨訪,，平均Harris評分從33.3分提升至82.1分，但是其中6例發(fā)生脫位,。Holt等在針對PaproskyIIIB型骨缺損患者的手術(shù)中,，使用了26次訂制三翼臼杯，通過建立宿主骨的即時穩(wěn)定,，恢復正常的髖關(guān)節(jié)中心,，在短中期隨訪中，有23例療效滿意,。但是價格與手術(shù)延遲的缺點卻不容忽視,。在Taunton等報道的假體存留率為95%的57例中，在平均為5.4年的隨訪中有20髖進行了二次翻修,，其團隊認為：3D打印訂制三翼臼杯以與其它手術(shù)方法相當?shù)慕?jīng)濟成本,，獲得了在短,、中期隨訪中可預(yù)知的固定效果，相較于優(yōu)秀的術(shù)后功能而言,，手術(shù)的延遲缺陷是值得的,。Wind等報告了19例，平均隨訪31個月,，術(shù)后出現(xiàn)5例脫位,，均發(fā)生在股骨側(cè)未進行翻修的患髖。Wind等認為：術(shù)中無法隨時修改訂制假體組件,，成了脫位的高發(fā)原因,。Colen等進行了10～58個月不等的隨訪，患者的滿意率為100%,，獲得了良好的臨床及影像學結(jié)果,。Berasi等報道28例骨盆不連續(xù)患者中，3髖死亡,，4髖進行了二次翻修,，隨訪中期,，X線對假體骨長入的評估仍不完善,，同時，安裝訂制三翼臼杯需要大量暴露髂骨,，增加了神經(jīng)和血管損傷的風險,。既往研究情況表明，訂制三翼臼杯的使用,，給患者術(shù)后的Harris評分帶來了顯著提高(表1),，但是術(shù)后并發(fā)癥仍是髖關(guān)節(jié)手術(shù)失敗的最重要原因。

最近Berend等報道：三翼臼杯置換的95個髖關(guān)節(jié),，平均隨訪3.5年,，平均Harris評分從術(shù)前的46分提升至術(shù)后的75分，但是21髖(22%)出現(xiàn)了至少一種并發(fā)癥,。因此他認為：3D打印訂制的三翼臼杯的并發(fā)癥發(fā)生率與其它治療方法相同,，提供了可預(yù)知的固定效果。

3D打印技術(shù)在髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中的應(yīng)用前景
3D打印技術(shù)在髖關(guān)節(jié)置換中的應(yīng)用,，為高難手術(shù)提供了術(shù)前預(yù)演,，使醫(yī)生術(shù)中操作更加精確，為患者設(shè)計打印與骨盆缺損高度匹配的訂制假體,，有力地推動了髖關(guān)節(jié)置換術(shù)的發(fā)展,。但是3D打印技術(shù)的應(yīng)用前景還是面臨諸多挑戰(zhàn)。

(1)臨床方面：快速打印訂制股骨柄假體仍處于體外實驗階段,；訂制假體及導板仍需大量臨床試驗證明其有效性及安全性,；3D打印價格昂貴,，效率低，制作周期長,；缺乏相關(guān)法律法規(guī),，行業(yè)標準，監(jiān)管措施,。

(2)教學方面：理論上,，3D打印模型直觀而生動，可以使學生提高診療能力,。模型上的手術(shù)預(yù)演,，可以培養(yǎng)學生的動手操作能力。但目前醫(yī)學院較少使用3D打印教具,，具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?br />

(3)材料學方面：由于訂制假體對材料的無毒性,，生物力學性能，生物相容性都有嚴格要求,，導致目前臨床上有用的材料僅限于金屬,，陶瓷和聚乙烯，同時,，現(xiàn)階段使用的股骨柄假體材料其硬度均遠高于人體骨骼,，極易導致應(yīng)力屏蔽，繼發(fā)骨吸收,，假體周圍骨折等嚴重并發(fā)癥,。高強度，力學性能可調(diào)的多孔材料可能是未來假體材料的發(fā)展方向,，但是對其研究仍處于實驗階段,，研發(fā)難度較大。

雖然3D打印技術(shù)的臨床應(yīng)用受到諸多因素制約,，但是隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,，材料學的進步，法律及監(jiān)管的完善,，以上困難將會被逐步解決,。3D打印技術(shù)將在未來為關(guān)節(jié)外科的發(fā)展提供更多的動力，更好地服務(wù)于患者和社會,。

來源：中國骨與關(guān)節(jié)雜志2018年12月第7卷第12期