3D打印鈦合金骨小梁金屬臼杯聯(lián)合植骨重建髖臼骨缺損的早期療效

郭宇，王凌，丁育健，劉儀，馮德宏，2*，楊惠林

(1.南京醫(yī)科大學(xué)附屬無(wú)錫人民醫(yī)院骨科，江蘇 無(wú)錫 214023；2.無(wú)錫市轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究所，江蘇 無(wú)錫 214023；3.蘇州大學(xué)附屬第一醫(yī)院骨科，江蘇 蘇州 215006)

髖臼側(cè)骨缺損是髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)最具挑戰(zhàn)性的難題，在髖臼殘存骨的基礎(chǔ)上重建骨缺損，恢復(fù)髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心，獲得翻修假體的初始穩(wěn)定固定，并確保足夠的活性骨接觸面積是翻修成功的關(guān)鍵[1]。目前臨床上處理髖臼骨缺損的方法主要包括金屬墊塊、Jumbo臼杯、結(jié)構(gòu)骨移植、加強(qiáng)環(huán)、定制髖臼假體、cup-cage技術(shù)等，手術(shù)方式眾多也間接說(shuō)明了髖臼翻修存在巨大的難度與挑戰(zhàn)[2]。3D打印是一種將數(shù)據(jù)立體化建模，運(yùn)用粉末塑料或金屬等可黏合材料，通過(guò)逐層融合疊加的方式來(lái)制造實(shí)物的技術(shù)[3]。我科采用3D打印技術(shù)，將髖關(guān)節(jié)CT影像轉(zhuǎn)化為實(shí)體模型，根據(jù)髖臼骨缺損情況，使用電子束熔融制作個(gè)性化TTM臼杯假體，結(jié)合植骨技術(shù)，對(duì)髖臼側(cè)骨缺損進(jìn)行全髖翻修，現(xiàn)總結(jié)報(bào)告如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料 本研究獲得我院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)?；仡櫺苑治?017年2月至2018年8月在南京醫(yī)科大學(xué)附屬無(wú)錫人民醫(yī)院骨科采用3D打印鈦合金骨小梁金屬(titanium trabecular metal，TTM)臼杯結(jié)合植骨進(jìn)行全髖翻修術(shù)8例(8髖)，男3例，女5例；年齡64～87歲，平均年齡(78.1±7.0)歲。初次置換的原因：髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良繼發(fā)骨關(guān)節(jié)炎2例，股骨頸骨折4例，原發(fā)性髖骨關(guān)節(jié)炎2例。翻修原因：無(wú)菌性松動(dòng)6例，假體周圍感染2例。髖臼骨缺損按Paprosky分型，ⅡB型2例，ⅡC型1例，ⅢA型3例，ⅢB型2例。2例感染患者均采用二期翻修，翻修距初次病灶清理、抗生素骨水泥間置器植入分別為3、4個(gè)月，二期翻修前連續(xù)2次每月復(fù)查C反應(yīng)蛋白、紅細(xì)胞沉降率均正常。

1.2 定制髖臼假體設(shè)計(jì) 常規(guī)行骨盆CT檢查，層厚為0.625 mm，輸入Mimics軟件建立3D數(shù)字模型。結(jié)合對(duì)側(cè)正常髖臼數(shù)據(jù)，采用健側(cè)對(duì)照同心圓法[4]或Ranawat三角法[5]確定患側(cè)定制髖臼假體旋轉(zhuǎn)中心位置。根據(jù)骨缺損的大小、形態(tài)及位置利用Geomagic軟件設(shè)計(jì)帶釘孔固定翼或加強(qiáng)墊塊的一體式臼杯假體模型，確保假體與宿主骨的直接接觸和穩(wěn)定支撐，設(shè)計(jì)假體上螺釘孔數(shù)量、位置和方向等。數(shù)據(jù)導(dǎo)入光固化3D打印機(jī)制造出患者骨盆、髖臼假體等比例樹(shù)脂模型，體外模擬手術(shù)驗(yàn)證無(wú)誤后，使用Arcam Q10金屬打印機(jī)打印出個(gè)性化TTM髖臼假體。

1.3 手術(shù)方法 手術(shù)均由同一組醫(yī)師完成?；颊呷砺樽?，側(cè)臥位，后外側(cè)入路顯露髖關(guān)節(jié)，取出原假體，清除髖臼周圍瘢痕組織，注意保留骨量，顯露髖臼形態(tài)，檢查確認(rèn)髖臼骨性形態(tài)與骨盆模型基本一致。髖臼銼對(duì)髖臼進(jìn)行銼磨塑形至骨面滲血，參照模型在預(yù)期位置安放假體，在假體和宿主骨之間的空隙進(jìn)行同種異體骨結(jié)構(gòu)植骨或顆粒骨打壓植骨，盡量填實(shí)。采用顆粒骨打壓植骨技術(shù)時(shí)，將骨塊制備成0.5 cm×0.5 cm×0.5 cm大小的顆粒，使用髖臼打壓植骨器充分打壓植骨；采用結(jié)構(gòu)性植骨技術(shù)時(shí)，則將骨塊制備成與缺損區(qū)域匹配的形狀。植骨及假體安置完成后，擰入多枚預(yù)制的定向螺釘，確保假體及植骨塊獲得牢固的初始穩(wěn)定。用骨水泥以外展角(40±10)°、前傾角(15±5)°固定高交聯(lián)聚乙烯內(nèi)襯。股骨假體松動(dòng)，則進(jìn)行翻修。復(fù)位髖關(guān)節(jié)，檢查穩(wěn)定性，沖洗創(chuàng)面，留置引流管，關(guān)閉切口。

1.4 術(shù)后處理 術(shù)后常規(guī)低分子肝素抗凝，抗生素預(yù)防感染48 h。48 h內(nèi)拔除引流管。麻醉清醒后行踝關(guān)節(jié)主動(dòng)屈伸運(yùn)動(dòng)，術(shù)后1 d開(kāi)始屈髖、髖外展及直腿抬高鍛練，1～2周助行器部分負(fù)重活動(dòng)，10～12周完全負(fù)重行走。

1.5 隨訪及評(píng)估 術(shù)后1、3、6、12個(gè)月及之后每年隨訪一次。采用Harris髖關(guān)節(jié)評(píng)分評(píng)估臨床療效，滿分100分，90分以上為優(yōu)，80～89分為良，70～79分可，小于70分為差。隨訪時(shí)進(jìn)行X線片檢查，必要時(shí)CT掃描。評(píng)估髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心重建的準(zhǔn)確性，旋轉(zhuǎn)中心的垂直距離為中心點(diǎn)距雙側(cè)淚滴下緣連線的距離，水平距離為中心點(diǎn)至通過(guò)淚滴并垂直于雙側(cè)淚滴連線的直線距離，計(jì)算雙側(cè)距離的差值。評(píng)估假體骨長(zhǎng)入情況，宿主骨與植骨區(qū)之間出現(xiàn)連續(xù)的骨小梁判定為移植骨長(zhǎng)入。根據(jù)Massin方法[6]評(píng)估假體松動(dòng)及移位情況，假體移位超過(guò)2 mm或螺釘斷裂判定為松動(dòng)；假體無(wú)移位，但周圍出現(xiàn)1 mm以上透光線定為可疑松動(dòng)。

2 結(jié) 果

2.1 一般情況 本組重建采用臼杯-墊塊復(fù)合體TTM臼杯+同種異體顆粒骨打壓植骨6例(ⅡB、ⅡC、ⅢA型)，TTM帶翼臼杯+結(jié)構(gòu)植骨2例(ⅢB型)。術(shù)中髖臼側(cè)假體均取出順利，所有患者均行股骨側(cè)翻修，本組患者所使用高交聯(lián)聚乙烯內(nèi)襯內(nèi)徑和股骨頭直徑均為28 mm。手術(shù)時(shí)間平均(217.6±59.1)min，術(shù)中出血量平均(1 012±846)mL。輸血5例，術(shù)中異體輸血量平均(513±700)mL。術(shù)后切口均一期愈合，無(wú)感染、血管神經(jīng)損傷及脫位發(fā)生。本組隨訪18～36個(gè)月，平均(25.0±6.1)個(gè)月。末次隨訪Harriss髖關(guān)節(jié)評(píng)分由術(shù)前(36.3±8.5)分提高至(82.8±6.3)分，其中優(yōu)2例，良好5例，可1例，優(yōu)良率87.5%。

2.2 影像學(xué)評(píng)價(jià) 術(shù)后患側(cè)髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心垂直距離為16.8～31.4 mm，平均為(24.9±5.4)mm；健側(cè)16.1～32.5 mm，平均為(24.4±6.0)mm；雙側(cè)差值-4.1～2.1mm，平均為(0.5±2.7)mm?；紓?cè)水平距離30.5～48.5 mm，平均為(39.9±5.9)mm；健側(cè)37.4～48.2 mm，平均為(41.9±4.4)mm；雙側(cè)差值為-11.8～3.1 mm，平均為(-2.0±6.1)mm。患側(cè)髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心基本處于解剖位置。

所有患者假體位置良好，影像學(xué)未發(fā)現(xiàn)明確松動(dòng)，1例患者髖臼假體周圍可見(jiàn)非連續(xù)性假體透光線，判定為可疑松動(dòng)，但在術(shù)后1年及以后隨訪中透光線無(wú)進(jìn)展。其余患者術(shù)后植骨區(qū)與宿主骨間透亮線均消失，可見(jiàn)連續(xù)性骨小梁通過(guò)植骨區(qū)。隨訪過(guò)程中無(wú)假體移位及螺釘松動(dòng)、斷裂。

2.3 典型病例 (a)70歲女性患者，因“右髖置換術(shù)后7年假體無(wú)菌性松動(dòng)”入院。入院診斷：右髖假體無(wú)菌性松動(dòng)。術(shù)前X線片示髖臼骨缺損Paprosky ⅢB型，采用3D打印TTM帶翼臼杯聯(lián)合同種異體骨結(jié)構(gòu)植骨進(jìn)行翻修，術(shù)后X線片示髖關(guān)節(jié)基本解剖重建，術(shù)后2年X線片示臼杯無(wú)松動(dòng)，植骨區(qū)骨整合良好。末次隨訪Harris髖關(guān)節(jié)評(píng)分由術(shù)前28分提高至91分(見(jiàn)圖1～4)。(b)81歲女性患者，因“左髖置換術(shù)后28年假體無(wú)菌性松動(dòng)”入院。入院診斷：左髖假體無(wú)菌性松動(dòng)。術(shù)前X線片示髖臼骨缺損Paprosky ⅢA型，采用3D打印臼杯-墊塊復(fù)合體 TTM 臼杯結(jié)合同種異體顆粒骨植骨進(jìn)行翻修，術(shù)后X線片示假體位置良好，術(shù)后1年X線片未見(jiàn)假體松動(dòng)、移位跡象，假體周圍無(wú)透亮線，植骨愈合。末次隨訪Harris髖關(guān)節(jié)評(píng)分由術(shù)前32分提高至85分(見(jiàn)圖5～8)。

圖1 術(shù)前正位X線片示髖臼Paprosky ⅢB型骨缺損 圖2 3D打印鈦合金骨小梁帶翼金屬臼杯 圖3 術(shù)后3 d X線片示髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心恢復(fù)良好 圖4 術(shù)后2年X線片可見(jiàn)假體穩(wěn)定，同種異體骨長(zhǎng)入良好

圖5 術(shù)前正位X線片示髖臼Paprosky ⅢA型骨缺損 圖6 3D打印鈦合金骨小梁金屬臼杯 圖7 術(shù)后4 d X線片示髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心恢復(fù)良好 圖8 術(shù)后1年X線片可見(jiàn)假體穩(wěn)定，植骨區(qū)域骨長(zhǎng)入良好

3 討 論

3.1 3D 打印TTM臼杯重建髖臼骨缺損的療效 定制假體通過(guò)合理精確的術(shù)前設(shè)計(jì)橋接髖臼骨缺損區(qū)域，可獲得良好的宿主骨接觸和支撐。Li等[7]使用快速成型技術(shù)制作cage結(jié)合植骨重建26例Paprosky ⅢB型骨缺損，術(shù)后5年Harris評(píng)分提高至平均82分，無(wú)再翻修患者。Taunton等[8]對(duì)57例AAOS IV型骨缺損患者進(jìn)行定制三翼臼杯重建，5年隨訪Harris評(píng)分提高至75分。Wind等[9]報(bào)告使用定制三翼臼杯治療19例Paprosky Ⅲ型骨缺損患者，隨訪31個(gè)月Harris評(píng)分提高至63分。本研究采用3D打印TTM臼杯重建髖臼側(cè)骨缺損，末次隨訪時(shí)Harris評(píng)分提高至(82.8±6.3)分，優(yōu)良率87.5%，與既往文獻(xiàn)比較取得了較好的髖關(guān)節(jié)功能。我們認(rèn)為3D 打印技術(shù)可為患者“量身定制”，使假體的安放以及畸形的矯正等難題得到解決，確保假體與宿主骨的有效堅(jiān)強(qiáng)固定，能夠滿足多種復(fù)雜類型的髖臼骨缺損。

TTM臼杯具有優(yōu)越的生物學(xué)特性，其表面多孔層與臼杯底層一次成形，力學(xué)性能可達(dá)到傳統(tǒng)鍛造標(biāo)準(zhǔn)，表面多孔層的孔徑直徑可達(dá)65 μm，孔隙率68%～81%，孔徑、孔隙率、彈性模量和硬度均接近于正常松質(zhì)骨，利于骨長(zhǎng)入[10]。此外TTM假體的粗糙表面可以增大與宿主骨之間的摩擦系數(shù)，可獲得更為理想的初始穩(wěn)定性[11]。TTM臼杯的這些特性為重建髖關(guān)節(jié)生物力學(xué)，達(dá)到遠(yuǎn)期生物學(xué)穩(wěn)定提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本組所有病例影像學(xué)未發(fā)現(xiàn)明確松動(dòng)現(xiàn)象，骨長(zhǎng)入良好。

3.2 3D打印假體及植骨方式的選擇 對(duì)Paprosky ⅡB～ⅢA型骨缺損，其髖臼內(nèi)側(cè)壁和前后柱結(jié)構(gòu)相對(duì)完整，可以為新植入假體提供初始穩(wěn)定固定，本研究采用3D打印臼杯-墊塊一體式TTM假體，此類假體是將標(biāo)準(zhǔn)臼杯和墊塊一體化成形，墊塊與骨缺損高度吻合，整體性強(qiáng)，便于安裝，避免了組配式墊塊固定的不確定性。釘?shù)赖姆较颉⒉课缓烷L(zhǎng)度均在術(shù)前規(guī)劃設(shè)計(jì)完成，術(shù)中一次性完成螺釘固定，避免反復(fù)調(diào)試及誤差，簡(jiǎn)化了手術(shù)操作步驟，提高了精確度和安全性。對(duì)腔隙性骨缺損則采用同種異體顆粒骨打壓植骨，填充假體和宿主骨的間隙達(dá)到假體的緊密接觸。同種異體顆粒骨打壓植骨有優(yōu)越的骨整合性，保證宿主骨與髖臼假體最大限度地接觸，促進(jìn)骨長(zhǎng)入，可以獲得良好的中遠(yuǎn)期效果[12]。隨訪期間所有臼杯-墊塊一體式TTM假體穩(wěn)定，顆粒骨植骨均愈合良好。

Paprosky ⅢB型骨缺損髖臼前后柱受損嚴(yán)重，髖臼環(huán)骨缺損達(dá)60%以上，普通假體難以獲得即刻穩(wěn)定，翻修失敗率較高[13]。我們?cè)O(shè)計(jì)3D打印TTM帶翼臼杯假體，骨缺損區(qū)依次進(jìn)行充分逐層打壓植骨，對(duì)后壁、后柱的巨大骨缺損區(qū)域運(yùn)用修整形狀合適的同種異體結(jié)構(gòu)植骨結(jié)合顆粒打壓植骨重建骨量。TTM帶翼臼杯上設(shè)計(jì)的固定翼及體部的螺釘孔分別對(duì)髂骨、植入骨及髖臼體部進(jìn)行固定，形成同種異體骨及帶翼臼杯復(fù)合體。帶翼臼杯形成應(yīng)力旁路傳導(dǎo)，防止移植骨過(guò)早承載，保護(hù)植入骨組織，提供早期骨整合所需的生物力學(xué)環(huán)境，避免植骨吸收及假體松動(dòng)，最終使假體獲得穩(wěn)定的生物固定[14]。

3.3 髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心的重建 旋轉(zhuǎn)中心的恢復(fù)有利于髖關(guān)節(jié)生物力學(xué)的重建，從而獲得翻修假體的長(zhǎng)期穩(wěn)定。旋轉(zhuǎn)中心過(guò)高可導(dǎo)致肢體不等長(zhǎng)，引起臀中肌、外展肌力量下降及髖周軟組織張力不足，易引起術(shù)后脫位，并且大大增加了假體的遠(yuǎn)期失敗率[15]。本研究參考對(duì)側(cè)髖臼確定患側(cè)旋轉(zhuǎn)中心位置，設(shè)計(jì)適當(dāng)大小的髖臼杯，術(shù)后患側(cè)旋轉(zhuǎn)中心較術(shù)前明顯矯正，與對(duì)側(cè)相比垂直距離略高，差值僅為(0.5±2.7)mm；水平距離與健側(cè)相比可能輕度內(nèi)移，差值(-2.0±6.1)mm。本組髖臼側(cè)骨缺損嚴(yán)重，翻修術(shù)后基本解剖重建了髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心，恢復(fù)了肢體長(zhǎng)度及髖周軟組織張力，有利于降低假體所承受的應(yīng)力，減少術(shù)后脫位的風(fēng)險(xiǎn)，增加假體遠(yuǎn)期穩(wěn)定性。

綜上，3D打印TTM假體結(jié)合植骨進(jìn)行全髖翻修重建髖臼骨缺損，可精確規(guī)劃手術(shù)預(yù)案，假體匹配良好，利于獲得牢固的生物固定，但本研究病例數(shù)較少，為近期隨訪結(jié)果，且缺乏與類似技術(shù)文獻(xiàn)報(bào)道的比對(duì)，其遠(yuǎn)期療效還有待進(jìn)一步觀察。