3D打印技術(shù)應(yīng)用于胸骨缺損修復(fù)的可行性研究

溫小鵬 高山 李碩 付軍科 張廣健

·論著·

3D打印技術(shù)應(yīng)用于胸骨缺損修復(fù)的可行性研究

溫小鵬 高山 李碩 付軍科 張廣健

目的 驗(yàn)證3D打印技術(shù)制作個(gè)體化鈦合金胸骨假體的力學(xué)性能和應(yīng)力分布，探討其在修復(fù)胸骨缺損中應(yīng)用的可行性。方法 通過胸部CT三維重建數(shù)據(jù)構(gòu)建骨性胸廓模型，應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)及鏡像技術(shù)，設(shè)計(jì)目標(biāo)假體的三維數(shù)據(jù)，并通過三維有限元對(duì)假體進(jìn)行應(yīng)力分析；之后采用鈦合金粉末打印出與缺損骨質(zhì)完全匹配的假體，進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試；最后進(jìn)行手術(shù)植入完成胸骨缺損的修復(fù)。結(jié)果 3D打印的鈦合金假體的屈服強(qiáng)度為(950±14)MPa，極限強(qiáng)度為(1005±26)MPa。三維有限元分析結(jié)果顯示，胸骨假體等效應(yīng)力分布均勻。假體能夠精確重塑原有胸廓的幾何形態(tài)和解剖外形，隨訪半年植入物與周圍骨性結(jié)構(gòu)固定牢靠，與周圍組織相容性良好，無(wú)排異反應(yīng)發(fā)生。結(jié)論 通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和3D打印技術(shù)能夠制作出高精度個(gè)性化鈦合金胸骨假體，材料性能滿足外科臨床植入物的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)胸壁重建塑形效果良好，手術(shù)操作簡(jiǎn)便，此方法是胸骨大塊缺損修復(fù)的可靠技術(shù)保證。

3D打??； 鈦合金假體； 胸骨缺損； 修復(fù)

胸骨大塊缺損的重建方法一直是臨床難題，既往替代胸骨的重建材料均非適形材料。我們利用三維(three-dimensional，3D)圖像重建技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)(computer-aided design，CAD)、鏡像反求技術(shù)，設(shè)計(jì)胸骨假體的三維數(shù)據(jù)，并模擬截骨修復(fù)過程，提高手術(shù)的可預(yù)見性[1]；之后采用激光快速成形技術(shù)打印出個(gè)體化胸骨假體，植入病人體內(nèi)，修復(fù)胸骨缺損。我們選取1例胸骨腫瘤病人，整體評(píng)估3D打印技術(shù)應(yīng)用于胸骨修復(fù)的可行性，近期臨床效果良好?，F(xiàn)報(bào)道如下。

對(duì)象與方法

一、對(duì)象

病人 男，64歲。發(fā)現(xiàn)胸壁腫塊4年入院。胸部CT檢查提示胸骨下段骨質(zhì)破壞，可見約5 cm×5 cm×5 cm大小不規(guī)則腫塊，突出胸廓外，內(nèi)有多發(fā)斑片狀高密度影，考慮軟骨肉瘤。病人術(shù)前影像學(xué)檢查見圖1。無(wú)明顯手術(shù)禁忌及遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移征象，可行手術(shù)治療。簽署知情同意書并通過醫(yī)院倫理委員會(huì)審核。手術(shù)計(jì)劃：切除第3胸肋關(guān)節(jié)下所有胸骨、雙側(cè)第3、4、5、6、7肋軟骨、上述肋骨肋間肌等胸壁軟組織；將3D打印的胸骨下段及雙側(cè)肋軟骨鈦合金假體植入；腹直肌轉(zhuǎn)移皮瓣覆蓋假體。

二、方法

1.胸骨假體的設(shè)計(jì)與分析：將病人胸部64層CT掃描數(shù)據(jù)(DICOM格式)導(dǎo)入Mimics 19.0軟件(materialise公司)中，構(gòu)建骨性胸廓的三維模型，以距腫瘤2 cm以上切除為原則，確定截骨范圍并模擬截骨手術(shù)過程。應(yīng)用CAD及鏡像反求技術(shù)得出擬截除段(包含肋軟骨)的精確三維數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)出胸骨及相連諸肋替代假體(下簡(jiǎn)稱胸骨假體)，并確定擬植入位置(圖2)。假體兩端設(shè)計(jì)有直徑2 mm的固定孔3～5個(gè)，主體部分設(shè)計(jì)了多個(gè)分布均勻的減重孔。

可見胸骨下段骨質(zhì)破壞，腫瘤向胸腔內(nèi)外呈膨脹性生長(zhǎng)

圖2 腫瘤的三維重建模型及假體三維模型

通過模型進(jìn)行胸骨假體的三維有限元分析，將胸骨假體固定于骨性胸廓，采用Ansys 5.7(Ansys,USA)有限元分析軟件分析胸骨假體的應(yīng)力大小和分布情況。評(píng)估假體在一定載荷下是否符合人體骨骼力學(xué)的要求，分析固定力點(diǎn)的選擇是否合理。

2.3D打印鈦合金胸骨假體的制備和測(cè)定：將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為STL格式并導(dǎo)入激光金屬直接成形3D打印設(shè)備中(西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供)，制造出鈦合金胸骨假體，包括胸骨端及肋骨端的固定結(jié)構(gòu)、減重孔等，與計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)一致，精確地重塑出對(duì)稱的骨性胸廓形態(tài)。假體表面無(wú)劃痕、裂紋、毛刺、螺口卷邊等加工所致的宏觀缺陷和表面微裂紋等微觀缺陷(圖3)。

為檢測(cè)鈦合金金屬材料的力學(xué)性能，評(píng)估鈦合金假體是否符合人體長(zhǎng)期生理活動(dòng)的需要，能否滿足承受一定暴力、保護(hù)胸腔臟器的要求。制備了鈦合金的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試件和三點(diǎn)彎曲標(biāo)準(zhǔn)試件。采用萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)(SANS，MTS，USA)，根據(jù)GB 228/ISO 6892室溫力學(xué)拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試成形鈦合金的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度。

圖3 3D打印的鈦合金胸骨假體正反面

3.胸骨假體植入手術(shù)及術(shù)后隨訪：手術(shù)采用氣管插管全身麻醉，病人取平臥位，沿正中線切開腫瘤表面皮膚，沿腫瘤包膜游離，上至第3胸肋關(guān)節(jié)上緣，下至肋弓交界，兩側(cè)距腫瘤2 cm，切除腫瘤。將消毒滅菌處理后的胸骨假體以鋼絲線及韌帶線分別與肋骨斷端及剩余胸骨固定，后設(shè)計(jì)游離腹直肌皮瓣轉(zhuǎn)移至胸部傷口縫合。放置傷口內(nèi)引流管，胸壁彈力繃帶加壓包扎固定。手術(shù)時(shí)間3小時(shí)，出血量約100 ml。術(shù)后1日復(fù)查胸片檢查假體固定情況；術(shù)后1個(gè)月復(fù)查胸部三維重建數(shù)據(jù)，術(shù)后第1年間隔3個(gè)月來(lái)院復(fù)查。

結(jié) 果

1.胸骨假體的分析測(cè)量結(jié)果：三維有限元分析結(jié)果：胸骨假體在設(shè)計(jì)過程中，進(jìn)行了快速生物力學(xué)分析，得到了應(yīng)力分布云圖，如圖4所示，分析結(jié)果可以為假體的修改提供參考。給予模擬負(fù)荷后，胸骨假體等效應(yīng)力分布均勻，設(shè)計(jì)符合人體骨骼力學(xué)的要求，固定力點(diǎn)的選擇合理。

圖4 胸骨假體的應(yīng)力分布云圖(應(yīng)力單位：MPa)

3D打印鈦合金胸骨假體的力學(xué)性能均符合國(guó)家醫(yī)藥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)外科植入物的力學(xué)要求。激光成形的鈦合金樣品進(jìn)行打磨后噴砂，噴砂能增大表面粗糙度，增加假體和軟組織的接觸面積，利于和軟組織結(jié)合。

2.術(shù)后恢復(fù)及隨訪：術(shù)后病理：“胸骨”軟骨肉瘤Ⅱ級(jí)侵及鄰近骨組織，切緣未見腫瘤組織。術(shù)后3天拔除縱隔引流管，無(wú)并發(fā)癥發(fā)生，7天出院，胸帶固定1周后去除，傷口愈合良好。術(shù)后1個(gè)月復(fù)查胸壁塑形良好，無(wú)畸形，未見胸廓不穩(wěn)定及胸骨浮動(dòng)等癥狀，X線檢查見假體位置無(wú)移位、固定良好，胸部CT三維重建可見胸骨假體與骨性胸廓完美結(jié)合(圖5)。術(shù)后4個(gè)月復(fù)查，假體固定牢靠、胸壁穩(wěn)固無(wú)畸形、無(wú)異物排斥反應(yīng)。

圖5 術(shù)后1個(gè)月X線片及胸部CT三維重建復(fù)查結(jié)果

討 論

胸壁的大塊骨性缺損可以由胸骨或肋骨因素造成，比如胸骨或肋骨的先天畸形、發(fā)育不良、外傷、原發(fā)或繼發(fā)的腫瘤性病變，在手術(shù)治療時(shí)都可能造成胸壁大塊缺損。目前國(guó)內(nèi)外的修復(fù)重建方法主要有軟組織修復(fù)和骨性重建兩種，軟組織修復(fù)一般采用游離胸壁肌肉對(duì)攏縫合，這種方法穩(wěn)定性差，容易引起胸壁軟化、反常呼吸及縱隔擺動(dòng)等并發(fā)癥，術(shù)后還會(huì)因胸壁塌陷影響美觀。因此，大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為胸壁缺損>6 cm×6 cm需行骨性重建，恢復(fù)胸廓的形態(tài)功能[2]。修復(fù)時(shí)一般選擇堅(jiān)固、理化性質(zhì)穩(wěn)定的材料[3]，報(bào)道較多的有Marlex?網(wǎng)、骨水泥、Prolene?網(wǎng)、不銹鋼網(wǎng)等[4]。國(guó)內(nèi)報(bào)道使用的有鈦網(wǎng)、鈦板、有機(jī)玻璃等[5]。但由于材料硬度不足或者不易塑形及裁剪，適形性較差，無(wú)法維持胸廓的穩(wěn)定性或無(wú)法避免胸廓畸形，因而僅適用于較小的胸壁缺損修補(bǔ)。

既往的胸壁修復(fù)材料在手術(shù)中一般需要進(jìn)一步修整塑形，與病人胸廓只能大概匹配，修復(fù)后整形效果較差，均會(huì)有或多或少的外觀畸形。3D打印是一種采用可粘合材料逐層構(gòu)造物體的工程技術(shù)，近年來(lái)已廣泛地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，尤其是在術(shù)前規(guī)劃方面有很大幫助[6]，其具有個(gè)性化、精準(zhǔn)化的特點(diǎn)，每一個(gè)產(chǎn)品都是針對(duì)某個(gè)個(gè)體的[7]。我們使用3D打印技術(shù)為病人量身定制個(gè)性化鈦合金假體，能使缺損得到個(gè)性化精確修復(fù)。鈦合金有與骨組織相匹配的硬度和彈性模量，組織相容好、可塑性強(qiáng)、滅菌消毒不變形、不影響CT和MRI檢查等優(yōu)點(diǎn)[8]。由于假體以病人正常胸廓為模板個(gè)性化定制，與正常胸廓的弧度一致，周圍的肋骨殘端和胸骨殘端會(huì)更緊密貼合，可有效提高胸廓的穩(wěn)定性和堅(jiān)固性。

本研究以病人的CT三維數(shù)據(jù)為模板定制個(gè)性化胸骨假體，3D打印出的替代胸骨與正常胸廓的弧度一致，與切除殘端貼合更緊密，提高了重建胸廓的穩(wěn)定性，保證了良好的美容效果。本例病人植入假體后，覆蓋以腹直肌轉(zhuǎn)移肌瓣，完全恢復(fù)到正常胸廓外形。術(shù)后復(fù)查可見胸壁堅(jiān)實(shí)、穩(wěn)固、外觀良好無(wú)畸形，無(wú)感染及異物排斥反應(yīng)。胸部CT三維重建可見鈦合金假體與骨性胸廓固定牢靠，走形自然；隨訪期間，病人正常生活及活動(dòng)，未發(fā)現(xiàn)胸壁變形及假體松動(dòng)、變形、移動(dòng)、裂斷等現(xiàn)象。

使用3D打印個(gè)體化鈦合金胸骨假體修復(fù)胸骨缺損，完成骨性胸廓重建，有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)鈦合金材料強(qiáng)度、彈性均符合骨性胸廓替代原則，可以與周圍骨關(guān)節(jié)有效固定，保持正常的肺功能，防止術(shù)后胸壁浮動(dòng)及反常呼吸；(2)組織相容性好，異物反應(yīng)小，不易感染，可長(zhǎng)期植入；(3)假體完全根據(jù)病人原有胸廓的生理形態(tài)設(shè)計(jì)，植入后胸廓塑形性良好，無(wú)畸形。

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(本文編輯:楊澤平)

Feasibility study on application of 3D printing technology to repair of sternal defect

WEN Xiaopeng，GAO Shan，LI Shuo，et al.

(Department of Thoracic Surgery,First Affiliated Hospital of Xi'an Jiaotong University,Xi'an 710061,China)

Objective To study the mechanical properties and stress distribution of custom design and printed sternum prosthesis in reconstructing large sternum defects of chest wall following en-bloc surgery,demonstrate its feasibility.Methods 3D model of the bony defect is generated after the acquisition of helical CT data.A customized implant is designed using Computer Aided Design(CAD)and mirror technology and later fabricated using titanium alloy powder.The end result product are then fixed onto patient during surgery.Results The yield strength of the titanium alloy implants were(950±14)MPa,and the ultimate tensile strength were(1005±26)MPa.Three dimensional finite element analysis results showed an evenly stress distribution of the implant.The reconstruction quality and contour of the repaired chest wall was satisfactory.No rejection occurred during the 6month follow-up.Conclusion Chest reconstruction with customized titanium alloy sternum prosthesis is a reliable technique for the repair of the bony defect.

3D printing; titanium alloy prosthesis; sternum defect; repair

10.3969/j.issn.1005-6483.2017.08.015

710061 西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院胸外科

張廣健，Email：michael8039@163.com

2017-03-08)