3D打印技術在人工髖關節(jié)置換術中的應用現(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，需要進行人工髖關節(jié)置換術的患者逐年增加。人工關節(jié)置換技術的進步和假體設計及工藝的改進，使人工全髖關節(jié)置換術(THA)已成為治療髖關節(jié)終末期疾病[股骨頭壞死，先天性髖關節(jié)發(fā)育不良(DDH)，股骨頸骨折，退行性髖關節(jié)炎，類風濕關節(jié)炎，強直性脊柱炎等]最有效的治療方法之一。相關調查顯示：2014年全年我國人工關節(jié)置換術總量已達近40萬例，其中近60%為人工髖關節(jié)置換。該手術方式對于減輕患者疼痛，恢復髖關節(jié)活動度，提高髖關節(jié)功能，改善患者生存品質意義重大而深遠。髖關節(jié)翻修術則是初次置換后由于各種原因導致假體不能繼續(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打印技術的出現(xiàn)，對于那些髖關節(jié)發(fā)育不良，髖關節(jié)術后出現(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打印技術是一種材料快速成型技術。不同于傳統(tǒng)的減材加工技術，它是以“分層制造，逐層疊加”為原理，通過計算機輔助設計及制作技術(CAD)，數(shù)控技術，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打印技術不只在工業(yè)設計，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)者的關注與重視�，F(xiàn)將結合國內外文獻，對現(xiàn)階段3D打印技術在全髖關節(jié)置換/翻修術的臨床應用進行回顧，并對其未來發(fā)展方向進行探討與展望。

3D打印技術在全髖關節(jié)置換/翻修術中應用的現(xiàn)狀

髖關節(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已經成為其手術治療的最優(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)患者術前三維CT影像學結果，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患者髖關節(jié)的解剖形態(tài)，更加直觀地讓術者了解髖臼壁缺損狀況，真假臼的位置關系。進而有效地幫助術者完善術前規(guī)劃，獲得精確的髖關節(jié)旋轉中心，利用髖臼銼預計打磨深度，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計劃，模擬手術操作，更是提高了手術精度和安全性，減少手術時間，降低了手術的難度。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前交代，使患者和家屬對病情，手術方式，手術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。由于術前的充分規(guī)劃以及術中風險的充分預知，進行骨盆3D打印患者的手術結果相對較好，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，利用患者術前三維CT結果設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，在術中按照導航模板的指引，快速確定真臼位置，并按照設計角度打磨髖臼，可縮短手術時間，提高手術精度，取得很好療效。

髖關節(jié)翻修術的3D打印應用：隨著髖關節(jié)置換術數(shù)量逐年上漲，由于感染，假體松動等術后并發(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%)是全髖關節(jié)置換術后兩種最嚴重的并發(fā)癥。它們不僅影響患者的身心健康，生活質量，更增加了骨科醫(yī)生的治療難度。髖關節(jié)翻修術，無論是髖臼側，還是股骨側，骨缺損通常都會非常嚴重，手術難度較大。

Zerr等團隊與Hughes等團隊分別于2016年，2017年進行髖關節(jié)翻修患者的骨盆3D打印模型研究，在翻修術前使用骨盆模型進行手術預演，逐層打磨，預計臼杯大小。根據(jù)骨缺損程度，選擇使用結構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。使術前計劃更加完善，手術時間更短，取得了很好的療效。

何勇等報道了多例翻修患者，利用I期術前三維CT圖像，取健側股骨數(shù)據(jù)，應用鏡像技術3D打印出個體化Spacer制作模具。術前預演并術中指導制作個體化Spacer，提高了手術精度。又于II期手術前拍攝最新三維CT，3D打印患側股骨結構，模擬股骨柄的選擇，指導術中假體安放，患者術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(EBMRP)是一種新型金屬粉末(Ti6Al4V)快速成型技術。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計，并加以仿真模擬及力學驗證；最后通過EBMRP技術完成個性化假體的快速制作。相關研究表明，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骨機械強度且有利于成骨細胞的增殖和分化的。EBM技術訂制假體可以完全滿足此材料學要求，其“類骨小梁結構”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技術的出現(xiàn)給新型骨科假體的設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用于初次髖關節(jié)置換：目前，大部分髖臼置換手術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技術，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骨相似，使應力傳導更加均勻，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節(jié)置換，實驗組術后6個月Harris髖關節(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，短中期預后效果佳。王珊珊等發(fā)現(xiàn)訂制臼杯患者術后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用于DDH及髖關節(jié)結核患者，Wang等發(fā)現(xiàn)，使用訂制的3D打印鈦合金假體的患者，術后負重時間普遍短于常規(guī)髖關節(jié)置換組，術后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構。


(2)翻修手術中快速打印金屬墊塊、三翼杯的應用：在髖關節(jié)翻修手術中，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)，結構植骨等，目的就是為了重建準確的髖臼旋轉中心，使髖臼假體得到充分的穩(wěn)定。EBM技術的發(fā)展，使髖關節(jié)翻修術出現(xiàn)了新的手術方式選擇。

2016年，毛兆光等利用3D打印技術設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，將其應用于1例PaproskyIIIA型翻修患者，使手術難度下降，手術創(chuàng)傷減小，出血量減少。患者術后康復基本滿意，但無隨訪結果。夏志勇等利用三維CT數(shù)據(jù)和同比例3D打印骨盆模型，結合計算機模擬和EBM技術，打印出個體化鈦合金骨小梁臼杯及訂制鈦合金金屬墊塊。應用于15例翻修手術患者，平均隨訪13.6個月，髖關節(jié)Harris評分，VAS評分相較于術前，均有較大改善。截止目前術后無一例出現(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，短期內療效滿意，仍需進一步遠期隨訪。楊振環(huán)等將應用3D打印的假體、墊塊的翻修患者與常規(guī)翻修患者的術后6個月情況進行比較，得出了訂制假體、墊塊與髖臼結構吻合度高，臼杯穩(wěn)定性強的結論。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構，恢復強力的骨接觸和髖關節(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方法相當?shù)慕洕�成本，獲得了在短、中期隨訪中可預知的固定效果，相較于優(yōu)秀的術后功能而言，手術的延遲缺陷是值得的。Wind等報告了19例，平均隨訪31個月，術后出現(xiàn)5例脫位，均發(fā)生在股骨側未進行翻修的患髖。Wind等認為：術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，給患者術后的Harris評分帶來了顯著提高(表1)，但是術后并發(fā)癥仍是髖關節(jié)手術失敗的最重要原因。

最近Berend等報道：三翼臼杯置換的95個髖關節(jié)，平均隨訪3.5年，平均Harris評分從術前的46分提升至術后的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，提供了可預知的固定效果。

3D打印技術在髖關節(jié)置換術中的應用前景
3D打印技術在髖關節(jié)置換中的應用，為高難手術提供了術前預演，使醫(yī)生術中操作更加精確，為患者設計打印與骨盆缺損高度匹配的訂制假體，有力地推動了髖關節(jié)置換術的發(fā)展。但是3D打印技術的應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。模型上的手術預演，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打印技術的臨床應用受到諸多因素制約，但是隨著相關技術的發(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打印技術將在未來為關節(jié)外科的發(fā)展提供更多的動力，更好地服務于患者和社會。

來源：中國骨與關節(jié)雜志2018年12月第7卷第12期