髖關節(jié)翻修中髖臼骨缺損的處理現(xiàn)狀及3D打印的應用

曹國定，裴豫琦，李旭升，劉鵬，封國超，李鵬，劉軍

(1.甘肅中醫(yī)藥大學，甘肅 蘭州 730000；2.中國人民解放軍聯(lián)勤保障部隊第九四〇醫(yī)院關節(jié)外科，甘肅 蘭州 730050)

人工關節(jié)置換是治療終末期髖關節(jié)疾病的有效方法之一。人工髖關節(jié)置換使患者疼痛緩解、行走及運動能力恢復、生活質量顯著提高。然而因人工關節(jié)假體使用有一定的年限，且初期假體設計亦尚不完善，術后因應力遮擋、機械因素、骨壞死、骨溶解、術后感染、患者依從性差、過早下床等因素使假體發(fā)生脫位、感染、松動[1-3]，不得不對髖關節(jié)進行翻修。不論是哪種因素導致的髖臼骨缺損，缺損部位和程度在翻修術中都對植入物的充分固定、正確對線和穩(wěn)定韌帶產(chǎn)生影響[1]。髖臼缺損處置不當必使植入物發(fā)生骨質溶解、支撐不足、應力遮擋，從而加重髖臼骨缺損，致使翻修失敗。如何處理髖臼骨缺損尤其嚴重的骨缺損是髖關節(jié)翻修術的重點及難點[1，4-5]。處理髖臼骨缺損的目的旨在使下肢力線、關節(jié)線高度達到精確，以期達到良好的初始穩(wěn)定性，繼而使植入物獲得即刻負重和假體長期穩(wěn)定[6-7]。以往術者依據(jù)患者X線片和CT影像結果，對髖臼骨量骨質、感染狀況、周圍神經(jīng)血管進行預估評判。在術中根據(jù)患者的具體實際情況臨時做出選擇并植入相應的假體，耗時耗力，且很大程度上取決于術者的主觀判斷，致使關節(jié)翻修術后關節(jié)功能依然有不同程度的障礙。這可能與術中對軟組織的平衡、假體位置擺放、截骨位置等精準度有著一定關系，使髖關節(jié)翻修術后遠期療效明顯低于初次全髖關節(jié)置換術[8-9]。然而，3D打印技術在外科領域的發(fā)展為髖關節(jié)翻修中處理髖臼骨缺損帶來了新的方向。

1 髖關節(jié)翻修中髖臼骨缺損的處理現(xiàn)狀

關節(jié)翻修需處理嚴重的骨缺損和修復韌帶止點，使關節(jié)翻修比初次置換顯得更加復雜。關節(jié)周圍骨量的丟失對關節(jié)的穩(wěn)定提出挑戰(zhàn)，發(fā)生假體感染時，被迫移除假體的同時也需徹底清除可疑感染組織，這會使骨量進一步丟失。目前髖關節(jié)翻修中骨缺損的主要處理方法包括：骨移植、超大臼杯、多孔金屬墊塊、加強杯、骨水泥填充。

1.1 骨移植

1.1.1 自體移植骨 自體移植骨是取自身其他部位的骨組織移到缺損處，移植物可以是松質骨或骨皮質。自體骨有優(yōu)越的適應性，沒有排斥反應，此外能為骨組織的愈合生長提供生長因子，且不存在移植風險，主要用于輕度骨缺損的修復[10]。然而，自體骨的骨源有限，移植后可導致取骨處疼痛，存在一定的供區(qū)并發(fā)癥風險。

1.1.2 同種異體骨 同種異體骨因其來源廣、數(shù)量充足、無需切除自身骨組織、取用方便等優(yōu)點，在臨床上已得到廣泛應用。但是骨傳導及骨誘導作用不如自體骨，因此較自體骨的成骨活性較差[10]。此外，同種異體骨移植有可能出現(xiàn)免疫移植反應。有學者認為應用大量異體骨移植處理大面積的骨缺損不能獲得良好的初始穩(wěn)定性，并且容易發(fā)生假體松動和骨吸收，但是有待確鑿的理論依據(jù)進一步證實[11]。

1.1.3 結構性骨移植 結構性骨移植適用于較大骨缺損。然而文獻報道結構性骨移植修復髖臼骨缺損后容易出現(xiàn)移植骨被吸收、骨不愈合、移植骨骨折等，導致假體松動。在許多病例中，不論是自體的還是異體的較大的結構性移植骨，在骨融合的過程中只在移植骨外層的幾毫米處發(fā)生骨愈合，移植骨中心卻遺留骨壞死[12]。在骨愈合的后期將難以避免地出現(xiàn)移植骨塌陷、吸收、移位，最終導致翻修失敗。

1.2 大號生物型臼杯 Jumbo臼杯對Paprosky Ⅱ型及以上的髖臼骨缺損進行翻修，有效擴大臼杯與髖臼接觸面積，使其擁有較好的骨長入及初始穩(wěn)定性，減少植骨量，使髖關節(jié)的旋轉中心盡可能的恢復解剖位置[2，13]。使用Jumbo臼杯需要滿足髖臼后柱的完整性、宿主骨的接觸面積>50%、有良好的髖臼環(huán)抱力使假體具有足夠的初始穩(wěn)定性。對于髖臼前后柱、后壁存在明顯骨缺損者，因其不能提供強有力、穩(wěn)定的支撐，不適宜選擇Jumbo臼杯，而應選擇加強環(huán)或者鈦網(wǎng)重建[12，14]。

1.3 鉭金屬墊塊 近年來發(fā)展起來的坦金屬墊塊比較有優(yōu)勢，具有良好的生物力學特性，接近松質骨。其微孔率可達75%～80%，有較大的骨長入面積和較高的摩擦系數(shù)，避免骨移植物溶解并提供良好的初始穩(wěn)定性。唐中堯等[15]用鉭金屬墊塊重建了Poprosky Ⅲ型髖臼缺損，平均隨訪36個月后，7例放射性松動，1例患者因感染而康復。2例患者無菌松動，其余患者取得了良好的短期和中期結果。相關研究表明，使用髖臼填充塊可明顯降低翻修率，適合術中復雜多變的髖臼缺損，骨長入良好，假體初始穩(wěn)定型可。多孔鉭金屬加強塊重建Ⅱ、Ⅲ 型 Paprosky 髖臼骨缺損主要的并發(fā)癥發(fā)生率較低，但術區(qū)感染、假體無菌性松動、髖關節(jié)脫位和血管神經(jīng)損傷是較常見的并發(fā)癥。

1.4 加強杯 處理髖臼上壁嚴重缺損或骨盆不連續(xù)病例時，單純的大杯或墊塊無法獲得即刻穩(wěn)定性，這時需要借用髖臼加強結構，如加強杯和髖臼支架等。其連接髂骨和坐骨作為新杯和宿主骨的應力傳遞介質，分散髖部應力并保護骨移植物不被吸收[14]。Villatte等[16]報道了使用在一個中心重建57例嚴重髖臼缺損(Paprosky分型2B～3B)，術后2年Harris評分由術前36分增至72分，僅1例因無菌松動移位進行再次翻修，短期生存率為89%。髖臼加強杯重建嚴重髖臼缺損或骨盆不連續(xù)可以獲得不錯的臨床效果，但因髖臼加強杯無坦金屬墊塊的微孔結構，無法獲得骨長入，遠期失敗率較高，療效仍需長期隨訪[10]。

1.5 骨水泥髖臼假體 目前髖臼側翻修選擇生物型假體已經(jīng)成為主流的重建手段。但某些情況下，高齡患者的重度骨質疏松癥，骨水泥型固定仍然是不錯的選擇。尤其是某些Poprosky Ⅲ型重度骨缺損的病例中，骨水泥型固定效果優(yōu)于生物性固定。如果髖臼組件與宿主骨之間的接觸面積為50%，生物假體重建髖臼是不錯的選擇[11-12，14]；相反，可以考慮修復骨水泥髖臼假體。盡管骨水泥技術在不斷改進，術后骨水泥與骨界面的固定也有所改善，然而早期髖關節(jié)翻修術中采用骨水泥髖臼假體效果不理想。

2 3D打印技術在髖關節(jié)翻修術中處理髖臼缺損的應用

2.1 制作髖臼骨缺損模型 髖關節(jié)置換術后翻修是以恢復髖關節(jié)正常的支撐力、活動度及穩(wěn)定性為目的，其中假體生理結構的精確恢復極其重要。初次置換術改變了正常的股骨與髖關節(jié)的解剖形態(tài)，為重建髖關節(jié)的精確度帶來極大挑戰(zhàn)[17]。3D打印技術制作髖臼骨缺損模型可以讓術者直觀地了解髖臼骨缺損三維立體形態(tài)和鄰近組織的解剖關系，定制個體化髖臼骨缺損假體行術前模擬，提高翻修假體的匹配效率和穩(wěn)定性[18]。何勇等[19]對8例髖關節(jié)感染翻修患者通過3D打印技術成功設計制作骨缺損模型及抗生素骨水泥占位器，控制感染效果及翻修效果良好，手術時間明顯縮短，隨訪中Harris評分明顯提高，取得了滿意的臨床療效。Xu等[2]在10例髖關節(jié)翻修術中通過3D打印制備1∶1骨盆模型，直觀地判斷局部重要的神經(jīng)血管走形，在模型上反復實驗，選擇合適的植入物，減少手術時間和出血量，術后隨訪關節(jié)無移位、松動，關節(jié)功能評分得到了顯著的提高。

2.2 定制個性化髖臼翻修假體 3D打印技術依據(jù)患者髖臼骨缺損的解剖結構，定制個性化的金屬髖臼翻修假體，對髖臼旋轉中心的重建有著很高的精確度。王金有等[20]使用3D打印技術、定制個體化的金屬髖臼假體，對paproskyⅢ型翻修髖臼骨缺損患者實施救治，隨訪6個月中無假體周圍感染、假體松動、脫位、斷裂、周圍骨骨折等并發(fā)癥，Harris評分增高，VAS評分降低，末次隨訪中Harris評分為85分，VAS評分為0分。此外夏志勇等[21]根據(jù)術前3D打印模型評估髖臼骨質缺損情況，設計并打印與患者高度吻合的定制鈦合金骨小梁金屬臼杯、墊塊假體，重建骨缺損，縮短手術時間，降低并發(fā)癥，遠期效果良好。

2.3 定制個體化髖臼加強環(huán) 髖臼大塊骨缺損及與骨盆的連續(xù)性中斷時，通過特殊構造的髖臼組件或使用特殊的三維多孔材料來控制，這些材料模擬骨骼結構并允許更快更好的內(nèi)置假體-骨骼整合[7，22-23]。使用骨小梁金屬髖臼杯或骨小梁金屬增強物的形式恢復髖臼的連續(xù)性和完整性，從而為髖臼假體的固定提供支撐點。傳統(tǒng)的髖臼加強環(huán)形狀和尺寸單一，不能與實際髖臼骨缺損形狀和大小匹配，不能提供長期生物固定，缺少多孔涂層等[24]。3D打印技術為患者定制髖臼加強環(huán)，提供多孔涂層，利于髖臼骨缺損的完全修補、促進骨長入、使假體具備初始穩(wěn)定性及長期穩(wěn)定性[9，25]。付君等[22]運用3D打印制備多孔鈦合金加強塊修復髖臼骨缺損，術后患側髖關節(jié)的功能明顯改善，術前平均HHS評分44.0分，末次隨訪時改善至84.3分，這與李玨宏等[25]報道的2例應用3D打印墊塊重建髖臼骨缺損的療效相當。3D打印金屬加強塊術中放置簡單、磨銼殘余骨量較少，此外還可以與多孔金屬涂層的生物型臼杯配合使用，外形匹配理想[26]。

2.4 制作抗生素骨水泥關節(jié)間隔器 髖關節(jié)置換術后感染常常是導致關節(jié)置換失敗的災難性并發(fā)癥，死骨碎片促使細菌大量繁殖導致骨質敗血癥，骨不連或延遲愈合，髖關節(jié)置換術后感染發(fā)生率高，嚴重降低鄰近關節(jié)功能，延長治療周期[27]。髖關節(jié)置換術后發(fā)生感染，假體將被迫移除，致使置換術失敗，給患者及家庭在精神上和經(jīng)濟上帶來巨大負擔。如何處理置換術后感染發(fā)生、縮短治療周期并積極行二期關節(jié)翻修仍然是一個永遠存在的問題[28]。目前對關節(jié)置換術后發(fā)生感染的處理方法有假體去除、關節(jié)曠置、抗感染治療、待感染控制后二期行翻修術，然而關節(jié)曠置后出現(xiàn)關節(jié)囊攣縮將不便于二期行翻修手術，影響術后患肢功能[29]。感染后二期翻修是目前根治感染最有效的方法，是治療髖關節(jié)置換術后感染發(fā)生的金標準[44]。置入抗生素骨水泥臨時間隔器可控制局部感染，同時保持肢體長度，增加穩(wěn)定性，減少骨和軟組織的攣縮，為后續(xù)二期修復創(chuàng)造條件，降低骨缺損感染率[27，30]。目前手工制作的抗生素骨水泥占位器很多，包括術中臨時制作的占位器及Link感染治療型占位器。Link感染治療型占位器操作簡便，費用較高，僅適用于輕微感染、兩次手術間隔期、對患肢功能要求較高的患者[31]。最新研究報道的利用3D打印技術制作抗生素骨水泥關節(jié)間隔器，在治療髖關節(jié)置換后發(fā)生感染中療效顯著。術前依據(jù)患者的髖關節(jié)CT掃描數(shù)據(jù)重建人工關節(jié)及周圍骨質形態(tài)，再結合3D打印技術可制備出掃描重建后的髖關節(jié)模型，以髖關節(jié)模型制作臨時間隔器，在初始清創(chuàng)期間將抗生素負載的骨水泥間隔物插入骨缺損區(qū)域，以骨水泥間隔器發(fā)揮持續(xù)、高濃度局部釋放抗生素的作用機制控制關節(jié)周圍感染[31-32]，待感染控制后行髖關節(jié)翻修。孫海濱等[30]對髖關節(jié)置換術后發(fā)生感染的患者行清創(chuàng)和抗生素治療，插入3D打印技術制作的臨時抗生素骨水泥占位器，術后根據(jù)細菌培養(yǎng)及藥敏試驗結果給予抗生素治療，待感染控制后進行二期翻修術，除去載有抗生素的骨水泥間隔物，并用新的假體或人工關節(jié)成形術修復局部骨缺損，術后給予常規(guī)抗生素，隨訪中骨愈合良好，無感染復發(fā)、竇道形成和其他并發(fā)癥。對于感染髖關節(jié)術后感染的成功治療，核心問題是消除感染并盡快讓骨愈合而沒有缺陷，同時確保可靠的穩(wěn)定性[30，33]。3D打印間隔物在積極有效控制局部感染的基礎上，保持患肢長度，增加髖關節(jié)的穩(wěn)定性，減少術后骨和軟組織攣縮，為第二階段最終重建創(chuàng)造條件[30]。3D打印制備抗生素骨水泥間隔器填充關節(jié)間隙并完成對骨缺損的修復重建，降低感染率，縮短治療周期，為快速治療復雜性關節(jié)術后感染提供一種新的治療方式[30，32]。

2.5 制定導航模塊及術前規(guī)劃 髖臼翻修術中假體臼杯的放置在技術上是困難的，正常的解剖學界標被遮擋、髖臼骨量不足、股骨解剖異常、頸軸角度和外翻方向增加、前傾角增加，肌肉攣縮和腿長差異在調(diào)整假體臼杯尺寸、傾斜度、前傾角和覆蓋范圍時需要精細平衡[7，34-35]。研究者利用患者術前采集的三維CT數(shù)據(jù)設計出假體的最佳固定方向，提取患者髖臼表面解剖形態(tài)合成定位模板，在快速成型制作完成后，術中按照導航模板指引可快速確定真臼位置，按照預先角度打磨髖臼可明顯縮短手術時間，手術精度進一步提高，取得了很好療效[36-37]。以往髖關節(jié)翻修術前設計骨缺損的大小、直徑和長度依賴于術前CT和X線片圖像并結合術中具體情況，根據(jù)CT和X線片掃描的影像測量骨缺損的體積，得出的數(shù)據(jù)是垂直距離[9]。實際上股骨存在一定角度的彎曲，根據(jù)CT和X線片選擇的骨缺損支架長度將出現(xiàn)不等的情況，使用3D打印技術制造髖關節(jié)骨缺損模型及術中導航板，對實際情況進行推斷并選擇合適的翻修假體，提前確定假體的安放位置，嘗試手術預演，加強術者對重要解剖的認識[3，35-37]。3D打印技術制作導航模板在髖關節(jié)翻修術中對髖臼骨缺損進行全面衡量，規(guī)劃手術方案，縮短手術時間，降低術后并發(fā)癥的發(fā)生[21，38]。

3 3D打印在髖關節(jié)翻修術中處理髖臼缺損的挑戰(zhàn)

3.1 特殊情況處理 3D打印實現(xiàn)了髖關節(jié)翻修術前對所需髖臼骨缺損的等比例打印，真實再現(xiàn)髖臼骨缺損實體模型，為術中操作提供了細致方案，提高術中操作準確性。但對于復雜的髖臼大塊骨缺，髖臼假體突入盆腔、螺釘斷裂、合并感染、骨質疏松、假體周圍骨折，更需要術前精確測量計算髖臼骨缺損的大小、形態(tài)，設計手術的入路及錨定點，以及考慮術中如何準確安放，仍然是目前3D打印技術在髖關節(jié)翻修處理骨缺損存在的巨大挑戰(zhàn)[6，22，38]。

3.2 支架生物相容性 新型髖關節(jié)翻修治療器材的生物相容性仍有待進一步提高。生物醫(yī)用材料用于機體需滿足材料結構和性能穩(wěn)定的條件。3D打印過程是否會改變原料的生物安全性，植入人體后是否會因材料的有毒成分對人體組織造成損害，依然是醫(yī)學領域中的焦點話題[38]。

3.3 安全充足的打印材料 國內(nèi)髖關節(jié)翻修的患者逐年增加，對假體數(shù)量的需求及安全需求也在增加[3]，打印材料必將面臨著從簡單逐步過度到具有特定生物活性和功能的生物打印材料的困難[39]。3D打印材料的研究目前尚處于基礎階段，用于3D打印的材料多為高分子、金屬等可黏合材料。大部分的打印原料難以滿足高精尖的骨組織生物工程，急需研發(fā)更為安全的材料。生物材料如活體細胞等依然處于研究實驗，進一步的完善成熟很大程度對材料選擇和制造工藝改進提出了更高要求[40]。

3.4 基礎研究向臨床應用的轉變 3D生物打印在傳統(tǒng)的3D打印基礎上，引入細胞生物學和組織工程學概念，在打印支架材料的同時將細胞、生長因子等添加劑復合，打印出具備再生功能的活體支架，達到修復和替換病變組織和器官的目的[41]。作為21世紀快速擴張的、新興的、最具發(fā)展前景、富有生命力的3D生物打印技術，在動物實驗中已獲得很大突破。但構建的生物打印組織中細胞間能否進行信號傳導，人工血管能否長入并存活，局部藥物遞送系統(tǒng)中藥物釋放劑量是否穩(wěn)定，組織能否表達正常表達功能，依然是從研究實驗轉向人體治療的技術難題[42]。

3.5 批量生產(chǎn)的條件限制 3D打印技術最早被應用于工程學而非醫(yī)學領域，在骨組織工程支架的構建和研究中，材料、機械、電子、化學、醫(yī)學、醫(yī)療器械等領域都有被涉及，而當前骨組織工程技術中醫(yī)學研究人員的研究專業(yè)較為獨立，交叉比較少，缺乏交叉學科建設人才，這也是3D打印技術廣泛應用于骨組織工程領域中急需解決的問題之一[36，40]。其他還有打印成本和速度的限制，3D打印技術在臨床中的普及，設備和材料費相對較高，不易實現(xiàn)大批量集中生產(chǎn)。

4 展 望

髖關節(jié)翻修患者的髖臼骨缺損程度不同，解剖形態(tài)不同，治療器材和選用假體也不盡相同。在當代醫(yī)學個體化治療、精準醫(yī)療等治療理念的影響下，對髖關節(jié)翻修中合理處理髖臼骨缺損提出更高要求。相比于首次髖關節(jié)置換術，髖關節(jié)翻修術難度明顯提高，術中修補骨缺損或取出假體時不可避免地出現(xiàn)無法預料的狀況，術后發(fā)生并發(fā)癥的概率較高，翻修不佳則嚴重影響患者的遠期療效及生理功能[9，34，38]。3D打印技術的出現(xiàn)一定程度解決了上述問題，在髖關節(jié)翻修中處理髖臼骨缺損領域具有獨特優(yōu)勢。3D打印技術因個性設計、快速成型等特點，根據(jù)患者的骨缺損情況和局部解剖形態(tài)和結構，定制個性化的髖臼骨缺損模型，并利用建模的結果進行實體打印個體化髖臼假體、髖臼加強環(huán)、關節(jié)感染后的臨時間隔器等實體材料。模型的建立為術中選擇適宜假體及預防突發(fā)事件做足了準備，體外模擬手術過程，熟悉復雜解剖位置，降低術中血管神經(jīng)組織損傷，減少了不必要的假體調(diào)試，縮短手術時間，降低手術成本，多方面提高髖關節(jié)翻修處理髖臼骨缺損手術治愈率及預后恢復水平，有效避免了多次翻修[9，28]。