3D 打印假體骨融合及其對骨腫瘤術后長期穩(wěn)定性的評價

劉昌靚，田 齊

（1.陜西中醫(yī)藥大學第二臨床醫(yī)學院，陜西 咸陽 712000；2.新疆醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院骨腫瘤外科，新疆 烏魯木齊 830000）

3D 打印技術（3D printed technology，3DPT）是一種將材料逐層堆疊的技術，可以模擬任何復雜的解剖結構形狀[1]。3D 打印假體（3D printed prosthesis，3DPP）特有類似松質骨的3D 打印假體多孔結構（porous structure，PS）可以有效促進骨組織長入假體。3DPT 還可以調整PS 的彈性模量，使其與骨組織相近，避免應力屏障，降低假體不穩(wěn)的可能。與傳統(tǒng)的金屬假體相比，PS 可在短期內改善假體的固定。目前，3D 打印分為傳統(tǒng)構造和增材制造。傳統(tǒng)方法包括溶劑澆鑄、顆粒浸出、冷凍干燥和冷凍凝膠法[2]。增材制造成型技術包括熔融沉積建模（FDM）和直接3D 生物制造。3D 打印的優(yōu)勢不僅可以根據患者特點定制假體，并可以種植細胞和生長因子[3]。通過賦予其特殊功能，如PS 的設計、假體表面改性、藥物裝載等，現在已經研究出具有提高長期穩(wěn)定性、減少感染發(fā)生率、以及減少腫瘤復發(fā)率等功能的假體植入物。本文現對3D 打印假體骨融合優(yōu)勢、功能化假體及3D 打印假體在骨腫瘤術后的應用進行綜述。

1 骨融合優(yōu)勢及評價

傳統(tǒng)的金屬假體主要依靠摩擦力建立短期的穩(wěn)定性，在遠期隨訪中，常出現感染以及無菌性松動，在骨整合之前負荷過重或使用短期穩(wěn)定性差的假體會導致界面微動和超生理應變超過30%[4]，摩擦產生磨屑導致骨整合不足等引起的短期不穩(wěn)定是骨結合不良最常見的原因[5]；而且傳統(tǒng)假體結構對孔隙率、孔徑、形狀控制較差也會導致成骨不佳[6]。3DPP具有類似骨小梁的PS 高效促進骨生物結合，比傳統(tǒng)假體可增加3 倍[7]。有利于細胞黏附、增殖及分化，宿主骨長入其中并相互連接，增加與假體的接觸面積，與假體構成三維綁定，形成無縫連接，達到理想的骨整合狀態(tài)，同時PS 的摩擦力較大，短期穩(wěn)定性也較好，孔隙之間的相連程度應該盡量接近100%，有利于不同孔之間的細胞物質交換及代謝廢物排除[8]，加快宿主骨與再生組織（主要是新生血管和周圍的新生骨）的連接重建。多孔結構的連通性、孔徑和孔隙率應適合細胞附著、增殖和分化[9，10]。而孔徑約600 μm 時最有利于骨向內生長和假體的穩(wěn)定性[11]。其次，骨傳導性、骨誘導性和骨整合能力是影響新生骨生長的重要因素。骨傳導通過毛細血管引導骨生長。骨誘導通過刺激干細胞分化為軟骨細胞和成骨細胞誘導成骨[5]，3DPP 還可通過藥物和生長因子使假體功能化或者進行表面涂層修飾，促進假體周圍的血管生成、細胞黏附及增殖、抗感染等。

3DPP 材料的良好生物相容性、機械特性包括強度和剛度/彈性模量也是骨融合的重要因素[6]。3D 打印的材料包括金屬材料、陶瓷材料和聚合物材料[12]。普通金屬材料由于彈性模量遠高于人骨，會出現應力遮擋現象，影響骨重建。而相關研究使用選擇性激光熔化（SLM）技術制作的鈦合金假體，發(fā)現其與皮質骨或松質骨有類似低彈性模量[13]，陶瓷和鎂鈣磷酸鹽等可生物降解金屬的復合材料在體內可以提供優(yōu)異的生物相容性、生物降解性和更快、更高效的成骨[14]。因此使用復合材料的3DPP 能很好的誘導骨快速生長。

3DPP-PS 與宿主骨融合程度的驗證方法大多還處于動物實驗階段，體外測量方法包括Micro-CT、雙能X 線測量骨密度等方法。Bandyopadhyay A 等[15]將3DPP 植入雄性大鼠股骨，通過顯微計算機斷層掃描（CT）觀察到在骨組織和假體界面之間觀察到良好的粘接，高分辨CT 圖像清楚地顯示了多孔網絡中的骨融合。Palmquist A 等[16]使用多孔結構鈦合金假體重建羊股骨缺損后，利用Micro-CT 觀察到多孔結構內的骨生長，與組織學檢查結果之間有很好的相關性，但是在臨床上還沒有標準的判斷方法，可以根據Harris 和Engh 對穩(wěn)定性的評價標準，即根據術后X 線片所示假體有無移位（下沉、脫位等）及斷裂，有無硬化線或透亮線以及是否≥2 mm。

2 功能化假體

2.1 生物功能化假體 生物打印是一種將干細胞或生長因子與3DPP 結合的方式，將細胞或者生物因子加載在假體特定部位，構建出具有生物功能化的假體，生長因子可刺激某些類型細胞的黏附、增殖和分化，良好的血運有利于營養(yǎng)物質和代謝物的轉運，成骨效率更高。而假體外緣的細胞消耗過多氧氣及營養(yǎng)物質，導致假體中央的細胞成骨不良[17]。Wang C等[18]將血管生成肽（AP）包覆在支架表面不僅促進了血管生成，還促進了其成骨分化。骨形態(tài)發(fā)生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）是種誘骨活因子，能夠有效刺激間充質細胞分化成軟骨細胞、骨細胞，BMP-2 衍生的寡肽（SSVPT）是促進成骨最常用的生長因子，不僅促進細胞的黏附和增殖，還激活轉錄因子RUNX2 和Osterix（OSX）。3DPP 上加載BMP及辛伐他汀能顯著促進骨向內生長[19，20]。

2.2 抗感染功能化假體 假體感染是使假體失效的重要的原因，炎癥及感染破壞骨的連續(xù)性和完整性[21]。同時假體體積大，手術暴露范圍大、時間長，切除后缺乏軟組織覆蓋及放化療引起的免疫抑制都是感染的因素[22]。而導致感染的原因常為假體周圍缺乏軟組織和周圍血供差以及異物表面容易產生細菌粘附和形成生物膜。因為生物膜外存在多糖基質、血管化較差或對抗生素的滲透性差[23]，抗生素和免疫系統(tǒng)都很難有效清除生物膜[22，24]。賦予假體抗感染能力防止生物膜形成可以控制局部感染以及感染擴散[25]?？垢腥净饕绣冦y、生化表面修飾和加載抗生素3 種方法。Schmolders J 等[26]發(fā)現鍍銀假體與非鍍銀關節(jié)假體治療相比感染率較低。生物化學表面修飾是誘導高效抗菌的方法[21]。有研究表明[24]，植入殼聚糖季銨鹽（Hydroxypropyltrimethyl Ammonium Chloride Chitosan，HACC）能有效抗感染，對感染骨缺損有良好修復。但裝載抗生素的假體存在病原菌多樣性和抗生素耐藥的限制[25]，需進一步研究。

2.3 抗腫瘤功能化假體 3DPP 表面或內部都可以植入抗腫瘤藥物，通過抑制腫瘤生長及復發(fā)可避免二次翻修等一系列問題。局部植入抗腫瘤藥比全身給藥更有利于抑制腫瘤誘導的骨溶解，同時全身化療對骨髓的抑制會導致嚴重的感染，而且局部給藥在腫瘤部位的血藥濃度比全身給藥高。有相關研究表明，3DPP-PS 可以將阿霉素高效輸送至腫瘤組織，通過孔隙率控制藥物釋放，有較好的結果。此外可以設計復合支架，內部少釋放，外部釋放更多的藥物來延長釋放時間[27]。還有研究表明裝載5 價鐵或錳的陶瓷玻璃（5Mn-BGC，bioactive glass-ceramic，5Fe-BGC）支架在抗腫瘤同時可明顯促進骨再生[28]；但是，目前加載抗腫瘤藥物相關的報道很少，可能因為抗腫瘤藥物會影響新生骨和新生血管形成以及宿主骨與假體之間的整合，對遠期穩(wěn)定產生消極影響，因此需要制造出同時具備既抗腫瘤又促進假體長期穩(wěn)定性的3DPP。

3 骨腫瘤術后長期穩(wěn)定性評價

對于惡性骨腫瘤，使用傳統(tǒng)假體重建在術中需要反復塑性才能的匹配宿主骨復雜的解剖外形，手術時間長、難度大均增加假體感染風險。同時傳統(tǒng)假體與骨的彈性模量不匹配還造成骨硬化，并對骨造成磨損導致假體疼痛、不穩(wěn)定、假體松動甚至翻修[29]。大型假體失效分類[20]：軟組織衰竭（1型），無菌性松動（2型），結構性骨折（3型），感染（4型）和局部腫瘤復發(fā)（5型）。無菌性松動在當前假體置換中是假體失效最常見的原因[30，31]。Healey JH 等[32]報道由于無菌性松動導致的骨界面融合失敗達9.7%。術前根據影像學量身定制的3DPP 能夠“精確貼合截骨面”，從而解決解剖和病理的限制[33]。3DPP 的精確匹配以及多孔結構明顯增加假體-骨接觸面積，不僅初始穩(wěn)定性好，更有利于骨長入[29]，實現長期穩(wěn)定性。因此，3D 打印在骨科最適合的還是骨腫瘤切除后大段骨缺損的重建。目前已開展的手術包括四肢關節(jié)周圍骨腫瘤切除重建、骨盆腫瘤切除后半骨盆假體重建等。

3.1 四肢骨腫瘤 四肢長骨的干骺端是骨惡性腫瘤發(fā)病率最高部位，傳統(tǒng)重建方法在術后有再次骨折、骨不連、延遲愈合、假體無菌性松動或感染等并發(fā)癥，難以實現長期穩(wěn)定性。3DPP 可以彌補了這些缺點。Beltrami G[34]和Feng D 等[35]的研究均發(fā)現，3DPP 重建后隨訪X 線片顯示假體放置良好，未見松動。假體與宿主骨之間有良好長期生物整合。Fang X 等[29]對1例距骨肉瘤行瘤段切除及3DPP 置換，隨訪發(fā)現假體與相鄰關節(jié)精確適配可實現踝關節(jié)的長期功能和穩(wěn)定性。

3.2 骨盆腫瘤 骨盆腫瘤整塊切除對延長患者生命、降低復發(fā)率具有重要意義。由于骨盆解剖結構復雜并且為人體主要負重部位，腫瘤切除后有較大的骨缺損，傳統(tǒng)模塊化假體術中假體失配和術后松動的發(fā)生率較高[36]，而骨盆3DPP 在術后隨訪中已被證實可恢復良好的功能[37，38]。因為其對骨盆及髖臼周圍骨缺損精準重建，確保從骨骼到下肢軸向生物力學的穩(wěn)定[39]。同時術中簡化手術步驟也減少了并發(fā)癥的發(fā)生，并加快功能恢復[40]。Liang H 等[41]使用3DPP 重建骨盆，假體與骨盆精確匹配，具有短期穩(wěn)定良好的功能，無假體松動及周圍感染。Ji T 等[42]在3DPP 骨盆重建后發(fā)現骨小梁向假體方向延伸，并在多孔內長出骨。Wang J 等[43]發(fā)現3DPP 與截骨面高度匹配，多孔結構實現了預期的骨長入及和初始穩(wěn)定性。3DPP 在骨盆腫瘤切除重建中具有廣闊的應用前景。

3.3 其他部位骨腫瘤 重建不規(guī)則骨骼（如鎖骨）在骨腫瘤外科難度較高，不合適的假體在術后常存在假體松動，甚至假體周圍骨折進一步導致骨量丟失以及殘疾，Zhou HZ 等[44]在胸骨肉瘤重建后發(fā)現假體能夠完全重建解剖結構，固定牢固且穩(wěn)定，功能活動良好。Zou Y 等[45]在1 例肩關節(jié)軟骨肉瘤術后假體松動患者行3DPP 翻修術，術后X 線片顯示骨折愈合滿意，假體位置無改變，3DPP 能根據患者獨特的解剖特點預留軟組織附著孔，完美恢復術后解剖結構。傳統(tǒng)的全肩關節(jié)置換術（TSA）由于解剖復雜，在TSA翻修或肱骨腫瘤切除術中很難準確配比骨缺損。而3DPP 很好的解決了此類問題。Fan H 等[46]在使用3DPP 重建鎖骨尤因肉瘤后的長期隨訪中未見肢體長度不均、螺釘松動、假體斷裂和關節(jié)塌陷等，在重建復雜解剖結構骨缺損處具有更好的長期效果。

4 總結與展望

3D 打印假體以及功能化假體主要優(yōu)勢有促進假體長期穩(wěn)定性、抗感染以及抗腫瘤，最重要的是促進假體的遠期穩(wěn)定性?？垢腥炯翱鼓[瘤等最終也是為了實現假體的長期穩(wěn)定以及實現良好的功能，但是任何附加的功能都不能影響長期穩(wěn)定性，而長期穩(wěn)定的前提又是宿主骨良好的長入假體并有良好的骨融合，多孔結構有助于假體和宿主骨之間的相互連接。3D 打印假體目前的不足在于制作周期長，在此期間腫瘤可能繼續(xù)生長，3DPP 術中可能存在與術前規(guī)劃不適配。同時兒童患者的增長潛力會使術后下肢長度不等的情況增加，將3D 打印與可擴張假體相結合，使3DPP 能夠與患者的生理性長高相匹配，或許可以解決此類問題。3D 打印假體也可以和藥物及生物因子的結合形成功能化3DPP，進一步實現骨腫瘤外科的2 個主要治療目標，即完整手術切除和具有良好功能恢復。雖然3DPP 不一定是所有骨缺損重建的最佳解決方案，但它在重建復雜解剖結構以及青少年保留骨骺的手術中具有一定優(yōu)勢。目前已經廣泛應用于各部位惡性骨腫瘤的切除重建，但是相關功能化假體應用研究報道較少，因此，需要更多的臨床研究來進一步驗證功能化3DPP在骨腫瘤外科的應用。