3D打印導(dǎo)板結(jié)合3D打印個體化金屬骨小梁假體治療肱骨干骨腫瘤二例

雷青 陳松 陳立 蔡立宏 劉峰 周偉力 蔣明輝 李躍峰 魏平 王康 陽宏奇 肖思順 劉文前

骨腫瘤切除術(shù)后骨缺損的治療方法多樣，包括自體骨移植、同種異體骨移植、異種骨移植、瘤段滅活再植術(shù)、定制假體、Masquelet膜誘導(dǎo)成骨技術(shù)、伊利扎洛夫外固定支架骨延長術(shù)。3D打印技術(shù)由于能個體化定制假體，能打印幾何形態(tài)復(fù)雜的物體，其在骨腫瘤外科的術(shù)前規(guī)劃、術(shù)中截骨、個體化假體的制造等方面扮演了越來越重要的角色[1]。Pruksakorn等[2]使用3D打印聚甲基丙烯酸甲酯假體治療肱骨近端骨腫瘤9例、全肱骨骨腫瘤2例、肱骨遠(yuǎn)端骨腫瘤2例、尺骨近端骨腫瘤1例，平均隨訪486天，未出現(xiàn)假體松動。3D打印金屬骨小梁假體重建肱骨干骨腫瘤切除術(shù)后骨缺損臨床報(bào)道較少，我科于2017年5月～2019年9月應(yīng)用3D打印個體化金屬骨小梁假體治療肱骨干骨腫瘤2例，現(xiàn)報(bào)道如下。

對象與方法

一、對象

2例均為女性病人，病例1年齡69歲，為乳腺癌并右肱骨中下段骨轉(zhuǎn)移；病例2年齡66歲，為左肱骨中段漿細(xì)胞瘤。術(shù)前均行右肱骨X片、CT三維重建、MRI、骨掃描檢查，確定腫瘤范圍及截骨長骨。病例1術(shù)前行乳腺穿刺活檢，病例2術(shù)前行左肱骨切開活檢，確定腫瘤性質(zhì)。

3D打印假體的應(yīng)用經(jīng)過院倫理委員會審查通過，告知患者手術(shù)及3D打印假體應(yīng)用存在的風(fēng)險，患者簽署知情同意書。

二、方法

1.3D打印截骨導(dǎo)板與3D打印金屬骨小梁假體的設(shè)計(jì)與制造：采集患者全肱骨CT/MRI數(shù)據(jù)，將CT成像數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，使用Materialise Mimics 17.0(Materialise 公司，比利時)加載Dicom格式的數(shù)據(jù)，參照MRI及骨掃描數(shù)據(jù)，于腫瘤邊界外大于1 cm的水平為截骨平面，以截骨平面骨形態(tài)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，按照逆向工程原理設(shè)計(jì)截骨導(dǎo)板，將數(shù)據(jù)輸入打印機(jī)，使用光敏樹脂打印出肱骨腫瘤模型及截骨導(dǎo)板。據(jù)腫瘤模擬切除后骨缺損情況，設(shè)計(jì)3D打印假體，病例1假體近端帶2 cm長的金屬柄，行骨水泥固定，遠(yuǎn)端帶基于肱骨遠(yuǎn)端表面形態(tài)的金屬套，并留置兩個側(cè)方螺釘孔用于螺釘固定，病例2遠(yuǎn)近端均以金屬套，并于遠(yuǎn)近端金屬套分別留置兩個側(cè)方螺釘孔用于螺釘固定。以鈦合金粉末材質(zhì)打印出個性化金屬骨小梁假體，消毒供術(shù)中應(yīng)用。

2.手術(shù)方法：患者處健側(cè)側(cè)臥位，行上臂后正中切口，切開皮膚、皮下、深筋膜，于腫瘤外正常肌肉組織內(nèi)分離腫瘤，保護(hù)好橈神經(jīng)，根據(jù)術(shù)前確定的腫瘤位置及截骨位置，安裝截骨導(dǎo)板，經(jīng)導(dǎo)板截骨，完整切除骨腫瘤。病例1金屬骨小梁假體遠(yuǎn)端套入肱骨遠(yuǎn)端，壓配固定，并以2枚螺釘斜行固定，修整近端髓腔，骨水泥固定金屬骨小梁假體髓內(nèi)釘；病例2金屬骨小梁假體髓腔內(nèi)填充自體髂骨后，遠(yuǎn)近端分別套入肱骨遠(yuǎn)近端皮質(zhì)，壓配固定，遠(yuǎn)近端分別以2枚螺釘橫行固定，并將自體骨處理成骨泥植于假體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)周圍。

3.術(shù)后處理：圍手術(shù)期24小時內(nèi)使用頭孢唑啉預(yù)防感染，術(shù)后予以預(yù)防感染、消腫、消炎止痛等治療，術(shù)后第一天復(fù)查患側(cè)上臂正側(cè)位片及CT三維重建，術(shù)后第一天指導(dǎo)患者開始行患肢功能鍛煉。

結(jié) 果

2例患者傷口均愈合好，無感染、傷口裂開等并發(fā)癥。術(shù)后第1、2、3、6、12個月門診復(fù)查，以后每3～6個月復(fù)查。病例1術(shù)后6個月MSTS評分為26分[3]，術(shù)后14個月復(fù)查X片發(fā)現(xiàn)假體近端松動，再次手術(shù)加用直行鎖定鋼板螺釘、鋼絲捆綁內(nèi)固定，術(shù)后第34個月末次隨訪X片示假體無移位，骨質(zhì)無破壞。MSTS評分26分。病例2術(shù)后6個月隨訪時X片及CT三維重建示金屬骨小梁假體周圍骨痂形成，MSTS評分25分。見圖1、圖2。

a.右上臂正側(cè)位片示右肱骨下端病理性骨折并移位；b.3D打印模型、截骨導(dǎo)板及金屬骨小梁假體；c.術(shù)后右上臂正側(cè)位片；d.術(shù)后14個月復(fù)查右上臂正側(cè)位片示假體近端松動；e.翻修術(shù)后右上臂正側(cè)位片；f.末次隨訪，術(shù)后34個月右上臂正側(cè)位片

圖1病例1

a.左上臂正側(cè)位片是左肱骨中下段溶骨性骨質(zhì)破壞；b.3D打印肱骨模型及金屬骨小梁假體；c.假體植入術(shù)后；d.術(shù)后左上臂正側(cè)位片；e.術(shù)后6個月左上臂正側(cè)位片示假體兩端骨痂形成；f.術(shù)后6個月CT三維重建示金屬骨小梁假體周圍骨痂形成

圖2病例2

討 論

肱骨干骨腫瘤切除術(shù)后骨缺損重建的目的是恢復(fù)肱骨的穩(wěn)定性、緩解疼痛、改善患者的生活質(zhì)量。病理性骨折的生理學(xué)與正常骨不同。在病理性骨折中，骨固有的愈合能力被破壞，因此大部分骨折需手術(shù)固定以獲得穩(wěn)定。間置型假體是一種較好的肱骨骨腫瘤切除術(shù)后重建方法，但其常見的并發(fā)癥包括無菌性松動和假體周圍骨折，假體的短節(jié)段固定、肱骨髓腔相對于股骨髓腔狹窄，不能充分地與骨水泥交聯(lián)及較高的旋轉(zhuǎn)應(yīng)力可能是其引起并發(fā)癥的原因[4]。文獻(xiàn)報(bào)道假體松動在應(yīng)用于肱骨重建中較應(yīng)用于股骨重建失敗率更高[5]。一些研究表明骨水泥固定假體柄的患者術(shù)后功能恢復(fù)更佳[6-7]。髓內(nèi)釘固定肱骨干骨折有一些并發(fā)癥，如由于髓內(nèi)釘?shù)闹萌肭址讣缧湟鹇约珀P(guān)節(jié)疼痛、乏力和活動范圍縮小[8]。

3D打印技術(shù)在骨腫瘤外科的應(yīng)用極大地提高了個體化診治水平和精度。3D打印模型能直觀地顯示骨腫瘤的形態(tài)及與鄰近解剖結(jié)構(gòu)的的關(guān)系，便于制定詳細(xì)的手術(shù)方案。3D打印截骨導(dǎo)板能用于術(shù)中引導(dǎo)腫瘤切除，能提高腫瘤切除的效率和精確度，簡化手術(shù)操作，利于腫瘤切除術(shù)后重建[9]。3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)并打印個體化金屬內(nèi)植物用于骨切除是后的重建，使內(nèi)植物能完美地匹配缺損的骨組織，利于骨組織的解剖重建，簡化了手術(shù)操作，可延長內(nèi)植物的使用壽命。Yitian等[10]應(yīng)用3D打印假體重建橈骨遠(yuǎn)端Campanacci Ⅲ期或復(fù)發(fā)性骨巨細(xì)胞瘤，短期隨訪發(fā)現(xiàn)較同種異體骨移植更好地保留了腕關(guān)節(jié)功能Hongzhi等[11]使用3D打印鈦合金肩關(guān)節(jié)盂假體，結(jié)合定制肱骨近端假體完成骨腫瘤切除、個體化反式肩關(guān)節(jié)置換術(shù)7例，顯著改善了肩關(guān)節(jié)功能，減少了并發(fā)癥。

隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，可能打印出可控的空隙及與人體骨骼彈性模量接近的金屬內(nèi)植物，從而減少應(yīng)力遮擋相關(guān)的問題[12]。鈦合金粉末是目前應(yīng)用較為廣泛的3D打印金屬材料。通過孔徑變化率的多樣化，不同的空隙，形成空隙間的3D穿透，金屬假體的彈性模量能通過設(shè)計(jì)而改變[13]。研究表明，多孔鈦合金內(nèi)植物有好的骨長入能力，支持人體骨細(xì)胞的生長，在內(nèi)植物和骨之間形成有力的交鎖，顯著提高內(nèi)植物的成功率[14]。臨床組織學(xué)試驗(yàn)表明，3D打印金屬較傳統(tǒng)金屬有更快的骨整合率[15]。

本報(bào)道中2例患者根據(jù)術(shù)前肱骨CT、MRI數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)截骨導(dǎo)板，根據(jù)截骨后骨缺損形態(tài)設(shè)計(jì)假體，術(shù)中使用3D打印截骨導(dǎo)板實(shí)現(xiàn)肱骨精確截骨，將模擬手術(shù)轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)手術(shù)，3D打印鈦合金假體實(shí)現(xiàn)了與截骨端的緊密貼附，重建肱骨的長度及形態(tài)，獲得了良好的初始穩(wěn)定性，利于患者早期開始肢體功能鍛煉。鈦合金金屬骨小梁假體多孔表面利于骨長入，為假體的遠(yuǎn)期穩(wěn)定性創(chuàng)造了條件。本報(bào)道中病例2術(shù)后5個月隨訪X片即顯示假體端與骨面有骨痂形成。3D打印導(dǎo)板結(jié)合3D打印鈦合金個體化假體簡化了手術(shù)操作，可節(jié)約手術(shù)時間，減少術(shù)中出血量。

術(shù)中要嚴(yán)格按照無瘤操作的原則物廣泛切除腫瘤，顯露過程中應(yīng)注意保護(hù)橈神經(jīng)，充分顯露病灶兩端正常的骨皮質(zhì)，實(shí)現(xiàn)截骨導(dǎo)板與骨面的緊密貼附，利于經(jīng)過導(dǎo)板精準(zhǔn)截骨。通過3D打印假體與骨端形態(tài)的匹配，避免出現(xiàn)肢體旋轉(zhuǎn)畸形。假體植入過程中需牽張軟組織，操作過程中需保護(hù)軟組織特別是橈神經(jīng)。

病例1假體近端髓內(nèi)柄長度有限，未能充分充填髓腔[16]。由于髓腔內(nèi)骨水泥量有限，不能實(shí)現(xiàn)骨水泥的加壓固定，雖然輔助鎖定鋼板螺釘固定，但由于扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的作用，患者于術(shù)后第14個月出現(xiàn)假體松動。但假體遠(yuǎn)端穩(wěn)定性良好，通過增加鋼板螺釘及鋼絲捆扎固定重新恢復(fù)了假體近端穩(wěn)定性。病例2遠(yuǎn)近端均通過壓配固定及螺釘輔助固定，髓腔內(nèi)外均植骨，為骨長入創(chuàng)造條件。通過假體設(shè)計(jì)的改進(jìn)及固定方式的改進(jìn)，提高假體的初始穩(wěn)定性，通過假體界面的改進(jìn)，促進(jìn)骨長入，改善假體的遠(yuǎn)期穩(wěn)定性，提高假體的使用時間。

3D打印技術(shù)應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域尚處于早期，廣泛應(yīng)用于臨床之前存在很多挑戰(zhàn)。首先，3D金屬打印技術(shù)不如傳統(tǒng)金屬生產(chǎn)技術(shù)那么成熟。目前即使是最常用的金屬EBM技術(shù)，也存在很大的改進(jìn)空間。電子束和金屬粉末的相互作用、殘余應(yīng)力的控制、產(chǎn)品表面粗糙度、內(nèi)部結(jié)構(gòu)的缺陷、其他關(guān)鍵技術(shù)問題和穩(wěn)定性問題均需優(yōu)化。目前，3D打印金屬產(chǎn)品的精度和效能不夠。而且，目前大部分3D打印技術(shù)采用的是逐層打印過程，即使層與層之間的交聯(lián)非常緊密，產(chǎn)品的剛度和強(qiáng)度仍然存在很多缺陷。此外，3D打印需要更多高質(zhì)量的原材料，缺乏原材料是金屬3D打印技術(shù)面臨的最重要的限制因素。目前3D打印使用的原材料是粉末狀或絲狀，它們比常用的金屬固體材料需要滿足更具體的質(zhì)量要求，但目前僅有很少確定的可用于3D打印的金屬材料，如鈦合金、不銹鋼和鋁合金。另一個迫切需要解決的問題是缺少3D打印金屬醫(yī)用裝置的生物安全標(biāo)準(zhǔn)。持續(xù)的發(fā)展和生物醫(yī)用材料工業(yè)，以及3D打印技術(shù)的改進(jìn)，將會為生物3D打印提供更多機(jī)會。

本組2例患者應(yīng)用3D打印導(dǎo)板引導(dǎo)肱骨干骨腫瘤的精確截骨，使用3D打印金屬骨小梁假體實(shí)現(xiàn)了骨缺損的解剖重建，獲得了良好的假體初始穩(wěn)定性。但病例數(shù)較少，隨訪時間較短，需更大樣本量、更長時間的隨訪驗(yàn)證3D打印導(dǎo)板結(jié)合3D打印金屬骨小梁假體在肱骨干骨腫瘤手術(shù)治療中的優(yōu)勢。