3D打印膝關節(jié)組配式假體在股骨遠端惡性腫瘤保肢手術中的應用

王順利，史迎賓，喻 斌，張林鋒，趙曉博，楊延良，辛曉林，婁高杰，王愛國

保肢手術目前被視為治療大部分股骨遠端惡性腫瘤的最佳選擇。然而假體的使用壽命是一個主要問題，特別是年輕患者，活動量大，對假肢要求較高，人工關節(jié)可能因過度磨損而影響使用年限[1]；中遠期隨訪研究亦顯示，腫瘤假體無菌性松動發(fā)生率較高，10年發(fā)生率約為67.4%[2]。為降低無菌性松動的發(fā)生風險，2013年英國學者通過長期隨訪研究證實，假體肩部羥基磷灰石（hydroxyapatite，HA）的應用可促進假體與宿主骨整合，通過生物學固定減少假體柄在水泥套內的應力[3]。本研究在保肢手術術前應用3D打印技術個體化制作仿松質骨多孔表面結構袖套，通過自體骨移植將袖套與股骨殘端連接，改善植入物固定方式，實現生物學固定和骨水泥固定，以期降低腫瘤假體無菌性松動的發(fā)生率。

1 資料與方法

1.1 一般資料

2016年5月至2019年4月鄭州市骨科醫(yī)院共收治20例股骨遠端原發(fā)惡性骨腫瘤患者。年齡14～79歲，平均年齡（34.5±2.6）歲。術前CT引導下活檢示骨肉瘤8例、尤文肉瘤4例、惡性纖維組織細胞瘤4例、軟骨肉瘤3例，余1例為股骨遠端骨肉瘤術后假體無菌性松動。發(fā)生部位：右下肢11例、左下肢9例；Enneking腫瘤分級[4]：Ⅰa 1例、Ⅰb 2例、Ⅱa 6例、Ⅱb 10例；除2例軟骨肉瘤、1例骨肉瘤術后假體無菌性松動外，其余患者均在術前進行新輔助化療。

所有假體均由北京力達康公司提供（圖1），根據患者具體情況定制個性化3D打印袖套（圖2），其軸桿和髓內桿由鈦合金（Ti 318[Ti-6Al-4V]）制成。本研究已獲本院倫理委員會批準，并告知患者及家屬，簽署知情同意書。

圖1 組配式膝關節(jié)腫瘤假體圖23D打印袖套

1.2 手術方法

根據術前穿刺活檢點設計手術切口，以便剝離腫瘤周圍正常軟組織并將活檢切口連同瘤段一起切除。患者多取膝關節(jié)前內側切口，同時向近端或遠端延長，按照化療后影像學圖片制定腫瘤外科邊界，術中仔細分離神經血管后行腫瘤廣泛切除。

根據術前測量長度確定原始截骨平面，在其上2～3 cm處截骨并取其斷端髓腔組織做病理檢査。由于3D打印袖套（長度設計為3 cm）的加入，殘留股骨段需再截取3 cm，以便行自體骨橋接，截骨時應保留一部分骨膜袖套，以利于骨愈合。常規(guī)情況下股骨柄長度最短為12 cm，加上截取的3 cm，故術前計劃殘留骨長度至少超過15 cm。截骨完成后準備髓腔。插入假體后觀察假體與骨組織吻合程度、肢體力線和長短、關節(jié)活動和穩(wěn)定性等；滿意后取出假體，采用第三代骨水泥技術植入假體。將多截取的3 cm骨段制作成寬約0.5 cm的骨板，分散置于3D打印袖套及股骨殘端結合處，以2根鈦纜捆扎固定。反復沖洗后留置負壓引流，逐層縫合，關閉切口。

1.3 術后處理

圍手術期預防性使用抗生素。術后2周拆線，指導患者非負重狀態(tài)下進行膝關節(jié)功能鍛煉，必要時給予鎮(zhèn)痛藥物，以減輕疼痛不適癥狀。術后3周按骨肉瘤推薦化療方案[5]進行化療，扶雙拐部分負重，術后2個月可完全負重。

1.4 療效觀察

術后1、3個月，之后每隔半年復查肺部CT及患肢正側位X線片。記錄隨訪期間并發(fā)癥發(fā)生情況，末期隨訪時按照Enneking骨腫瘤術后肢體功能客觀標準進行療效評估[6]。

2 結果

1例股骨遠端骨肉瘤患者術后半年因腫瘤局部復發(fā)失訪，余19例均獲隨訪，其中遠處轉移、帶瘤生存者3例。隨訪期間無1例出現假體周圍感染。4例切口內脂肪液化，經換藥處理后順利愈合；其余患者傷口愈合良好。

平均隨訪時間1.6年（0.6～2年）。根據Enneking骨腫瘤術后肢體功能客觀標準，優(yōu)11例、良3例、中4例、差1例，優(yōu)良率14/19。影像學復查結果提示，所有患者自體骨板與3D打印袖套及股骨殘端固定良好，均可見皮質外骨橋形成，骨水泥-假體界面、假體-骨界面均無進行性透亮影。典型病例見圖3。

3 討論

隨著新輔助化療方法的出現以及骨腫瘤手術技術的進步，保肢治療成為膝關節(jié)周圍惡性腫瘤患者的首選治療[7]。盡管局部復發(fā)風險有所增加，但現有研究表明，與截肢患者相比，保肢患者總體生存率更高，同時可避免身體殘疾對患者造成的不良影響[8-9]。然而，如何提高腫瘤假體生存率，對于骨腫瘤醫(yī)生而言，仍是一項艱巨的挑戰(zhàn)。

Henderson等[10]將假體失效分為5個類型，其中Ⅱ型即為假體無菌性松動。有研究者對335個股骨遠端骨腫瘤保肢術后假體的中長期存留情況進行回顧性分析，結果發(fā)現假體無菌性松動發(fā)生率為3%～13.6%[11]。Myers等[12]報道335例股骨遠端假體置換患者，隨訪發(fā)現無菌松動是固定鉸鏈式腫瘤假體失效的主要原因，而當使用旋轉鉸鏈植入物時，翻修總風險降低了52%?？梢娂袤w類型是影響骨腫瘤保肢手術成功率的一個重要因素。

圖3 3D打印膝關節(jié)組配式假體應用于左側股骨遠端惡性腫瘤保肢手術前后圖片（男，16歲）3A術前正側位X線片3B術中假體安裝3C可吸收縫線編排自體骨3D自體骨安裝于截骨殘端與3D袖套表面3E術后4個月隨訪X線片顯示截骨殘端處自體骨與3D打印袖套產生皮質外骨橋

為降低水泥型假體無菌性松動的發(fā)生率，國內外學者致力于對腫瘤假體進行改良，目前研究方向多集中在膝關節(jié)生物力學及其在假體設計方面的應用[13-15]。需要強調的是，正常膝關節(jié)生物力學與假體設計參數的吻合更多的是通過優(yōu)化假體在人體靜息狀態(tài)或運動狀態(tài)下的力學傳導來實現的，具體體現在假體受力時應力分布的均一性。但由于股骨偏心受力的解剖結構，較長的假體固定柄可導致假體與水泥界面、水泥與骨界面在某一處應力集中，進而引起膝關節(jié)腫瘤假體固定失敗或出現斷裂[16]。此外，體質量指數、截骨平面及術后患者行走步態(tài)也是影響膝關節(jié)假體力學傳導的重要參數[17]。隨著相關研究的不斷深入，假體的設計及固定方式不斷優(yōu)化，近年來水泥型假體的無菌性松動發(fā)生率有所下降。比如，旋轉鉸鏈式假體在水泥-假體界面的應力明顯低于單純鉸鏈式設計[18]；而將假體與骨連接處的假體領部設計為HA噴涂，亦能有效降低無菌性松動的發(fā)生率[19]。

目前假體固定方式仍以骨水泥固定方式為主，Ahlmann等[20]發(fā)現，骨水泥固定膝關節(jié)周圍假體5年生存率為78%，10年生存率達60%。3D打印袖套具有仿松質骨多孔表面結構，在人工髖關節(jié)置換中，具備這種金屬骨小梁結構可實現有效的生物學固定[21]。從理論上講，應用3D打印袖套，可在膝關節(jié)腫瘤假體骨水泥牢固固定的同時，實現自體骨在多孔結構表面的骨長入，從而形成皮質外骨橋，而皮質外骨橋與長節(jié)段骨腫瘤假體的整合，提供了長期穩(wěn)定的生物力學環(huán)境，也進一步增強了骨水泥固定界面的穩(wěn)定性[19,22]。2013年英國學者應用裝配有HA袖套的骨水泥假體對膝關節(jié)周圍惡性腫瘤患者進行保肢治療，結果發(fā)現由無菌性假體松動而導致的翻修率為8%，在2～18年的隨訪期內，70%患者的影像學資料有骨整合的證據，組織學分析亦提示帶HA涂層結構的假體表面與骨骼發(fā)生了直接接觸[3]。本研究術后影像學復查結果提示，自體骨板與3D打印袖套及股骨殘端有愈合跡象，皮質外骨橋已形成，骨水泥-假體界面、假體-骨界面均無進行性透亮影。

在實際手術操作時，建議先選用最小號試模插入髓腔透視，查看假體肩部與股骨截骨平面的間隙，以及股骨柄在髓腔內是否中置；可通過處理保證假體肩部與截骨平面相契合，以及股骨柄在髓腔內的中置，以盡可能實現股骨與假體解剖軸線的相互吻合，利于下肢力學傳導的重現。年齡段不同的患者其股骨髓腔寬度也不同，應盡量選擇直徑大的股骨柄，以避免術后假體斷裂。研究還發(fā)現，將髓腔擴髓至與假體柄粗細相同的尺寸，在水泥固定前插入假體即可獲得穩(wěn)定固定，隨后用水泥填充假體與骨骼之間的微小間隙，可進一步提高固定的可靠性[23]。

本研究存在以下局限性：①僅對患者短期療效作回顧性分析；②未設立對照組，無法觀察比較骨整合對無菌性松動的影響，但所有患者都有骨整合的影像學證據；③不同患者切除骨和軟組織的量有所不同，即使是類型、級別相同的患者，也存在差異，這會對植入物的穩(wěn)定性和功能造成影響；患者身高、體重、年齡、化療劑量等因素均有可能影響假體的存活，這也是今后研究工作的重點方向之一。