3D 打印技術(shù)結(jié)合誘導(dǎo)膜技術(shù)在治療大段骨缺損中的應(yīng)用

張來福，盧承印，王孝輝

(1. 河南中醫(yī)藥大學(xué)，河南 鄭州450046；2. 河南省洛陽正骨醫(yī)院/河南省骨科醫(yī)院，河南 洛陽 471002)

0 引言

多種因素導(dǎo)致的骨缺損在臨床中常見，治療中存在手術(shù)創(chuàng)傷大、周期長、花費(fèi)高、骨折部位無法直接愈合等問題，成為醫(yī)患雙方共同面對的難題。目前的治療方法有骨移植、Ilizarov 骨搬移技術(shù)、Masquelet 技術(shù)、以及組織工程技術(shù)。

1 目前技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

對于骨缺損，自體骨移植是最理想的治療方案，具有良好的成骨、骨誘導(dǎo)和骨傳導(dǎo)性質(zhì)，不會(huì)引起免疫反應(yīng)或傳播傳染病，但術(shù)后易出現(xiàn)供骨區(qū)疼痛且取骨量有限，促使學(xué)者不得不尋找替代方案[1]。異體骨移植，能提供足夠的替代骨，但骨傳導(dǎo)性和生物相容性的差異導(dǎo)致其在臨床運(yùn)用中出現(xiàn)愈合緩慢，植骨易吸收，從而難以保證較高的成功率[2]。

Ilizarov 骨搬移技術(shù)[3]，通過骨骼自身的修復(fù)能力而在張力—應(yīng)力的刺激作用下，隨著調(diào)整外固定架推進(jìn)位置和角度而達(dá)到修復(fù)骨及組織缺損的目的，其治療周期與骨缺損的大小呈正相關(guān)，治療周期長，患者佩戴外固定架的時(shí)間增加，在骨推進(jìn)的過程中需要患者及家屬的配合，周期性復(fù)查，及時(shí)調(diào)整推進(jìn)速度與角度，給患者的護(hù)理增加難度。組織工程技術(shù)[4]作為新興技術(shù)，一直是近些年研究的熱門，盡管材料的選擇異常豐富，但是目前為止，仍沒有一種理想的材料能在機(jī)械性能和生物屬性上滿足骨缺損移植材料的理想要求。更沒有一種材料能同時(shí)滿足滿意的機(jī)械強(qiáng)度、良好的骨誘導(dǎo)性、生物降解速度與骨生長速度同步的需要[5]。

Masquelet 技術(shù)在骨缺損區(qū)置入骨水泥形成一個(gè)富含血管、促進(jìn)成骨生長因子的誘導(dǎo)膜，從而在二期治療中為移植物形成一個(gè)密閉的成骨環(huán)境，促進(jìn)新骨形成，修復(fù)骨缺損。但是，在誘導(dǎo)膜制作過程中，因骨水泥等填塞物制作不當(dāng)，后期不易取出，可能造成骨缺損進(jìn)一步擴(kuò)大，損傷誘導(dǎo)膜[6]。因此如何保證誘導(dǎo)膜的完整性成為本技術(shù)的關(guān)鍵因素之一，近些年，隨著3D 打印技術(shù)的興起，給臨床治療骨缺損提供了新思路。

而3D 打印技術(shù)的出現(xiàn)，使體外造模已應(yīng)用于臨床工作中[7]。對于誘導(dǎo)膜技術(shù)存在的問題與不足，利用3D 打印技術(shù)塑造骨缺損模型，并根據(jù)模型制作骨水泥塑型器。本文即根據(jù)3D 打印技術(shù)結(jié)合誘導(dǎo)膜技術(shù)在治療大段骨缺損中的研究進(jìn)展，闡述其在骨缺損治療中術(shù)前、術(shù)中及術(shù)后的應(yīng)用。

2 Masquelet 技術(shù)與骨缺損

2.1 骨缺損

骨缺損的致病因素在臨床中較為常見的有：創(chuàng)傷、骨腫瘤切除、感染引起的骨髓炎等。針對骨缺損的臨界值尚沒有明確的定義，多數(shù)人認(rèn)為，當(dāng)骨缺損長度大于周徑1.5 倍或者大于2cm 時(shí)，骨折缺損部位難以自行修復(fù)[8,9]。骨缺損的治療是最大限度恢復(fù)患者肢體功能，提高生活質(zhì)量。如果處理不當(dāng)，會(huì)造成骨折不愈合、感染、短縮畸形、關(guān)節(jié)僵硬等并發(fā)癥，在治療中，存在周期長，技術(shù)要求高，花費(fèi)大的問題。骨缺損的結(jié)構(gòu)不規(guī)則、大小不均等、解剖復(fù)雜等，增加治療難度，使術(shù)前對于骨缺損進(jìn)行全面的了解更為重要。

2.2 Masquelet 技術(shù)

Masquelet 技術(shù)又稱誘導(dǎo)膜技術(shù)，Masquelet[8]等人最早利用此技術(shù)治療35 例長骨缺損，并取得良好的效果，該方法由兩個(gè)階段組成：第一階段是徹底清創(chuàng)后選擇合適的方法固定，置入骨水泥與抗生素混合物作為間隔物，促使其誘導(dǎo)形成纖維膜；第二階段數(shù)周后切開誘導(dǎo)膜取出骨水泥，保留由骨水泥誘導(dǎo)形成的誘導(dǎo)膜，植入自體骨或自體骨與骨替代材料的混合物，隨后閉合誘導(dǎo)膜，繼續(xù)固定數(shù)周至骨性愈合。Pelissier[10]等人通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究中證實(shí)誘導(dǎo)的膜是血管化的并且包含各種生長因子，這取決于其成熟狀態(tài)。生長因子如VEGF，TGF-β和BMP-2 被分泌，并且該膜在兔中呈現(xiàn)高血管形成，該實(shí)驗(yàn)還證明了成骨細(xì)胞的增殖和分化受到刺激。Christoph Nau[11]等對于96 只小鼠的對照實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)誘導(dǎo)膜能促進(jìn)新骨形成，并且加速骨礦物質(zhì)密度和骨硬度的進(jìn)展。Michael A[12]等也提到誘導(dǎo)膜防止移植物再吸收并促進(jìn)骨質(zhì)向內(nèi)生長修復(fù)缺損。

3 3D 打印技術(shù)

3D 打印(Three-dimensional printing)又稱快速成型技術(shù)，根據(jù)ct 掃描健側(cè)和患側(cè)的結(jié)果對比提供高質(zhì)量射線成像數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助設(shè)計(jì)、制造，通過“層層疊加，層積成型”的方式，快速精確生成所需要的任何結(jié)構(gòu)的目標(biāo)模型[13]。為每一個(gè)患者針對缺損部位，可以按照1:1 提供切合自身需求的個(gè)性化模型，手術(shù)方案及貼合的個(gè)性化固定物，在術(shù)前可以準(zhǔn)確的模擬手術(shù)，提高手術(shù)成功率，減小手術(shù)創(chuàng)傷，縮短手術(shù)時(shí)間，降低術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生。21 世紀(jì)以來，3D 打印技術(shù)越來越多的應(yīng)用于骨科臨床治療，利用3D 打印作為輔助，可以為誘導(dǎo)膜技術(shù)在骨缺損中的應(yīng)用提供術(shù)前、術(shù)中、術(shù)后的模型及其他支持。

4 3D 打印及誘導(dǎo)膜技術(shù)在骨缺損手術(shù)中的應(yīng)用

4.1 術(shù)前

4.1.1 術(shù)前診斷與評估

以往的骨缺損治療，根據(jù)影像學(xué)檢查靠醫(yī)生的臨床經(jīng)驗(yàn)去評判骨缺損的程度及形狀，由于醫(yī)師水平的差異難以對缺損部位全面精確的了解，進(jìn)而影響治療的效果。3D 打印技術(shù)的應(yīng)用，通過ct 掃描數(shù)據(jù)，借助計(jì)算機(jī)建立三維模型，并打印，使術(shù)者全面了解病灶區(qū)的構(gòu)造[14,15]。即使是經(jīng)驗(yàn)欠缺的低資歷醫(yī)師也能在術(shù)前做到熟悉缺損結(jié)構(gòu)，特別對于特定部位的骨缺損，如足部等不規(guī)則骨缺損的設(shè)計(jì)，解決匹配問題，有利于后期功能重建。

4.1.2 固定物選擇的預(yù)制

誘導(dǎo)膜技術(shù)在第一階段多以外固定架為主，術(shù)后護(hù)理不便及可能造成釘?shù)栏腥?，部分研究開始改用髓內(nèi)針固定或鋼板等內(nèi)固定，YU 等[16]利用抗生素水泥涂層鎖定板作為股骨骨髓炎缺損的臨時(shí)固定器，患者能早期進(jìn)行功能鍛煉且不會(huì)增加感染率。但骨缺損區(qū)域不固定、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，內(nèi)固定裝置多數(shù)需要術(shù)中調(diào)整，既增加手術(shù)時(shí)間，術(shù)中反復(fù)折彎鋼板會(huì)降低機(jī)械性能。骨水泥的填充形狀、大小也同樣依據(jù)術(shù)者的經(jīng)驗(yàn)，術(shù)中根據(jù)缺損制作凝固、塑型，也會(huì)增加手術(shù)時(shí)間、還會(huì)造成熱損傷[17]。而3D 打印技術(shù)的引用：①應(yīng)用于術(shù)中骨水泥的設(shè)計(jì)、分塊設(shè)計(jì)及置入，根據(jù)模型制作與之更匹配的間隔物，避免在取出時(shí)破壞誘導(dǎo)膜。為解決骨水泥填充困難及去除時(shí)誘導(dǎo)膜損傷的問題，有學(xué)者在體外構(gòu)建塊狀骨水泥并組裝入體內(nèi)。雷鳴等[18]在骨髓炎骨缺損患者采用體外制作多根骨水泥棒填塞物方法，于骨缺損端和缺損區(qū)采用誘導(dǎo)膜技術(shù)治療。②由于骨缺損創(chuàng)面的不規(guī)則性，可應(yīng)用于內(nèi)植物的匹配塑型。根據(jù)模型制作個(gè)性化固定裝置，使之更貼合骨骼，Chen 等[19]在術(shù)前通過3D 打印技術(shù)對于骨盆骨折部位進(jìn)行實(shí)物打印，并進(jìn)行鋼板預(yù)制，術(shù)中證實(shí)預(yù)制鋼板完美貼合。術(shù)前的充分準(zhǔn)備與模擬手術(shù)可以縮短手術(shù)時(shí)間，減小手術(shù)創(chuàng)傷，提高療效，獲得滿意的影像學(xué)效果。同時(shí)能為患者提供更直觀的講解。Ellen 等[20]認(rèn)為3D 模型的應(yīng)用不僅美觀而且實(shí)用，更能受到患者的信賴。

4.1.3 預(yù)手術(shù)模擬

實(shí)體模型的制作會(huì)熟悉手術(shù)，通過模擬手術(shù)操作，明確復(fù)位角度、長度，選擇更優(yōu)的固定位置及置釘位置，確定螺釘?shù)臄?shù)量，測量置釘長度。根據(jù)模型缺損將制作的間隔物置入缺損區(qū)，評估其難易程度及吻合程度并調(diào)整，為術(shù)中做好預(yù)案。多次的模擬為患者提供個(gè)性化的手術(shù)，減小手術(shù)創(chuàng)傷、縮短麻醉時(shí)間，減少并發(fā)癥。Kim 等[21]報(bào)道了對1 鎖骨骨折和髖臼骨折患者3D 打印骨骼模型的經(jīng)驗(yàn)，確認(rèn)了術(shù)前骨骼模型的應(yīng)用，有利于尋找最佳復(fù)位，確定固定板的位置，增加對骨折類型及區(qū)域解剖學(xué)的理解，簡化手術(shù)過程，縮短手術(shù)時(shí)間，減少手術(shù)創(chuàng)傷。

4.2 個(gè)性化手術(shù)方案

由于個(gè)體化的差異，根據(jù)患者打印的骨骼模型，詳細(xì)了解受傷區(qū)域的解剖結(jié)構(gòu)，通過模擬手術(shù)，尋找最優(yōu)的手術(shù)入路及手術(shù)方案，根據(jù)受傷類型為患者制定個(gè)性化的手術(shù)方案。根據(jù)術(shù)前模擬的切口位置，逐層切開軟組織，充分暴露缺損區(qū)，徹底清創(chuàng)后按模擬角度、位置對骨折進(jìn)行復(fù)位，置入已完成塑型的骨水泥。同時(shí)將個(gè)性化固定物固定骨折端。Xia 等[22]對3D 打印技術(shù)制備模型在髖關(guān)節(jié)病例術(shù)前術(shù)中應(yīng)用的總結(jié)中發(fā)現(xiàn)，進(jìn)行術(shù)前造模、模擬手術(shù)，可明顯縮短時(shí)間，提高成功率，減少輻射暴露。

4.3 Ⅱ期植骨

最新研究[23]發(fā)現(xiàn)在誘導(dǎo)膜中，在造膜術(shù)后4-6 周微血管化及促成骨因子達(dá)到最大值。故選擇在此時(shí)進(jìn)行第二次手術(shù)，有利于促進(jìn)植骨愈合。術(shù)中切開形成的白色纖維膜，取出骨水泥，由于術(shù)前的塑型，有效了避免了傳統(tǒng)骨水泥造膜取出時(shí)對誘導(dǎo)膜的損壞，置入松質(zhì)骨或松質(zhì)骨與骨替代品的混合物。誘導(dǎo)膜的完整性縮短愈合時(shí)間，提高愈合率。丁強(qiáng)等[24]認(rèn)為誘導(dǎo)膜的不完整易造成骨折不愈合或愈合不全。

5 存在的不足

3D 打印技術(shù)作為輔助手段在骨科臨床運(yùn)用中具有眾多優(yōu)勢，然而現(xiàn)實(shí)中諸多因素限制了該技術(shù)的推廣應(yīng)用。第一，3D 打印技術(shù)模型的制作大多需要專業(yè)的團(tuán)隊(duì)，設(shè)備及材料的價(jià)格相對高昂，而對于基層醫(yī)院而言，通常不具備這樣的條件；對于患者而言，難以承受。目前，難以廣泛的普及；第二，從獲得數(shù)據(jù)到模型制作往往需要幾小時(shí)至幾天不等的時(shí)間，限制了它在急診手術(shù)時(shí)的應(yīng)用[25]；第三，骨缺損往往需要徹底清創(chuàng)，在制備骨缺損模型中結(jié)合影像學(xué)資料確定合適的截骨面成為手術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

6 結(jié)論與展望

誘導(dǎo)膜技術(shù)在過去的幾十年里，發(fā)展的越來越成熟，臨床中取得了顯著的效果。3D 打印技術(shù)的出現(xiàn)，術(shù)前精準(zhǔn)的評估，模型制作，手術(shù)預(yù)案、模擬，固定裝置的個(gè)性化設(shè)計(jì)、制作，缺損區(qū)塑型的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，使手術(shù)更加精確、符合患者個(gè)體化的需求。更能明顯縮短麻醉時(shí)間、減少術(shù)中出血量、增加安全性及成功率，降低術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生。