引用本文： 崔宇韜, 李祖浩, 萬謙, 王香港, 李升揚, 任震曉, 王中漢, 楊帆, 劉賀, 吳丹凱. 3D 打印金屬假體在關節外科的臨床應用. 中國修復重建外科雜志, 2019, 33(6): 774-777. doi: 10.7507/1002-1892.201901022 復制
關節外科手術中采用關節假體重建關節功能時，假體的相關特性對手術效果有很大影響[1]。雖然傳統假體已廣泛應用并取得了良好的臨床效果，但仍存在一些問題：① 形狀不匹配：傳統內植物的形狀與大塊骨缺損不匹配[2-3]。② 結合強度和初始穩定性：內植物-骨界面強度不夠，尤其是關節假體與骨髓腔不匹配。內植物-骨間接觸點可產生應力遮擋，導致骨萎縮和松動[4]。③ 骨長入：骨長入不理想會導致假體松動和下沉，造成疼痛甚至翻修。針對傳統假體存在的不足，3D 打印技術提供了一個很好的解決途徑。
目前，3D 打印技術已用于醫藥、汽車和航空航天工業、建筑等領域[5-6]。在醫學方面，3D 打印技術在骨科具有最大的潛在市場份額。一些標準化 3D 打印金屬植入物產品已通過美國食品藥品監督管理局（FDA）批準，如內鏡腰椎椎間融合器（EndoLIF? On-Cage）、鈦腰椎后路椎間融合器（Tritanium? PL Posterior Lumbar Cage）、骶髂關節融合器（iFuse ImplantTM）等。國內北京愛康宜誠醫療器材公司的 3D 打印髖臼、頸椎椎間融合器也獲得了中國國家食品藥品監督管理總局（CFDA）認證。
3D 打印技術具有以下優點：① 3D 打印技術可將植入物制成任何形狀，精確匹配復雜骨缺損[5]。② 3D 打印假體表面的微孔增加了接觸面積，增強了內植物-骨界面的結合強度和初始穩定性，減少了內植物-骨界面的微運動[7-9]。③ 3D 打印假體的孔隙結構有利于軟組織附著，具有更好的生物力學穩定性，并且能促進成骨細胞的黏附和增殖，維持細胞形態，達到更好的骨長入和長期穩定性[10-11]。④ 相對于傳統定制假體，3D 打印個性化假體制造周期縮短，約 1 周[2]。因此，對于一些特殊患者，如嚴重髖關節發育不良、關節及髓腔畸形以及存在嚴重骨缺損的翻修手術，與傳統假體相比，3D 打印假體在精確匹配性和穩定性方面具有不可替代的優勢。現對 3D 打印金屬假體在關節外科的臨床應用進展綜述如下。
1 肩關節
3D 打印全肩關節假體尚無報道，但肩關節周圍部位，如肩關節盂、鎖骨和肩胛骨的 3D 打印假體已有 2 年以上隨訪資料，結果顯示效果滿意。3D 打印肩關節盂假體用于治療全肩關節置換術后關節嚴重骨缺損，其多孔結構能很好地填充骨缺損，組件的附加螺紋孔允許轉換成反向結構，在平均 2.5 年隨訪中取得了良好的功能評分[12]。3D 打印金屬假體也被用于鎖骨和肩胛骨尤文肉瘤切除后的精確重建，假體的多孔結構可降低其彈性模量，并有利于新骨的長入，維持假體的穩定性。隨后 3 年的隨訪結果證實了 3D 打印金屬假體的安全性和有效性，并且肌肉骨骼腫瘤協會（MSTS）評分顯示鎖骨和肩胛骨腫瘤患者的療效優良率分別為 93% 和 73%，無手術并發癥發生[13]。
2 腕關節
對于橈骨遠端和腕部巨大腫瘤或嚴重外傷所致的復雜骨缺損，目前臨床主要采用自體腓骨移植進行腕關節融合術或腕關節置換術[14]，存在腓骨畸形等問題，術后并發癥也不容忽視[15]。傳統定制腕關節假體術后并發癥發生率較高、定制成本較高、等待時間長，不是最佳的手術方式[16]。3D 打印允許個性化設計和制造金屬假體，不僅避免了自體腓骨移植存在的弊端，而且能精確修復重建因骨腫瘤切除或嚴重外傷等造成的較大骨缺損。
我們科室設計并打印了腕關節假體，治療 3 例腫瘤切除后及嚴重外傷引起的復雜骨缺損[17]。① 在 1 例橈骨骨巨細胞瘤切除后的重建中，3D 打印金屬假體有明顯優勢。硬化涂層可將假體設計為光滑表面，保證肌腱的平滑運動，防止損傷，并且在制作過程中將原有肌間溝位置的隆起壓低，保證了腕關節與正常腕骨的摩擦運動。采用常規手術方法以 3D 打印假體重建腕關節，獲得較好療效。在術后 6 個月隨訪中，假體穩定性良好，患者滿意度較高，腕部活動度部分恢復；術后 6 個月和 12 個月 Cooney 評分分別達 80 分和 85 分，Gartland & Werley 評分分別下降至 6 分和 5 分。② 除了關節面涂層，組合假體的設計也有著良好療效。組合假體的關節面采用鈷鉻鉬合金制造，再和非關節面部分進行搭配；柄和橈骨遠端下段部分采用 Ti6Al4V 進行打印，除柄以外進行網格狀設計，降低質量的同時也直接提供了縫合孔的位置。該假體很好地重建了患者腕關節的解剖結構，恢復了部分功能。術后 6 個月該例患者由術前刺刀樣手、疼痛活動受限，恢復至可完成對掌動作、自主使用手機、書寫等。術后 6 個月和 9 個月時，Cooney 評分從術前 20 分分別提高到 40 分和 50 分，Gartland & Werley 評分從術前 27 分分別降低至 14 分和 13 分。③ 在嚴重骨折所造成的復雜腕關節骨缺損中，3D 打印金屬假體也有成功應用。在 1 例高能量創傷造成的嚴重骨缺損并繼發骨髓炎患者治療中，3D 打印定制化全腕關節假體滿足了重新建立解剖結構、恢復部分功能的要求。該假體根據患者自身解剖結構進行設計，將遠端關節面拋光后進行耐磨涂層，遠端假體柄根據上述患側髓腔的直徑和形狀確定，而遠端涂層下面部分采用對側仿生結構，除關節面所在位置，其余部位噴砂處理成不光滑面。術后 6 個月患者由術前垂腕狀態恢復至可自主使用手機。術后 6 個月和 12 個月 Cooney 評分從術前 30 分分別提高到 60 分和 65 分，Gartland & Werley 評分從術前 28 分分別降低至 11 分和 6 分。
3 髖關節
內植物-骨界面的骨長入極大地影響著全髖關節置換術后髖臼杯的長期穩定性[18]。目前許多表面處理技術被應用到傳統的臼杯假體上，微孔結構的臼杯由于具有與正常松質骨類似的孔隙直徑、孔隙率和彈性模量，取得了良好的骨長入和長期穩定性[19-20]。然而，假體主體與涂層之間的機械力較弱，表面涂層有脫落的可能性。3D 打印鈦臼杯的微孔結構具有良好的把持力，可促進骨的生長和提供長期穩定性[21]。
近年來，髖關節翻修術有了很大發展，其中許多翻修患者伴有復雜的髖臼缺損，甚至出現骨盆不連續。因此，3D 打印髖臼籠在翻修手術中的應用獲得了巨大關注。2016 年 Li 等[22]報道了 24 例應用 3D 打印個性化髖臼假體治療 Paprosky ⅢB 型嚴重髖臼骨缺損的患者，術后平均 67 個月隨訪表明療效顯著，髖關節中心恢復，髖關節 Harris 評分由術前平均 36 分提高到平均 82 分，手術并發癥發生率降低，未見假體松動及移位。Li 等[23]也報道了應用 3D 打印髖臼假體修復復雜髖臼骨缺損，術后平均 4.4 年隨訪結果表明，25 例患者假體無機械故障或松動，術后功能恢復良好，滿意度較高。上述研究表明 3D 打印技術處理復雜髖臼骨缺損是有益的臨床補充。另一項涉及 26 例（28 髖）的研究也顯示，3D 打印髖臼假體對于修復復雜骨缺損是十分有利的[24]。此外，Wong 等[25]采用 3D 打印技術制作了孔隙率和孔隙直徑分別為 70% 和 720 μm 的個性化帶髖臼杯的鈦合金骨盆假體，用于重建骨盆軟骨肉瘤切除后引起的復雜缺損。本設計可促進骨長入，獲得穩定生物固定，并有一個與正常骨類似的彈性模量；康復后患者可獨立行走，髖關節功能恢復良好。
我們認為對于傳統髖臼假體無法修復的骨丟失或骨盆不連續，采用 3D 打印個性化假體重建是行之有效的方法，不僅可以解決嚴重骨缺損難題，而且早中期隨訪也證明可獲得可靠的臨床療效。
4 膝關節
隨著假體制造技術的不斷提高，傳統的人工膝關節假體取得了滿意效果，但關節畸形和嚴重骨丟失限制了傳統假體的使用[26]。3D 打印膝關節假體已被應用于股骨遠端和脛骨近端腫瘤及全膝關節置換術后感染所致的嚴重膝關節骨缺損重建[27]。
對于脛骨平臺骨巨細胞瘤患者，傳統的鉸鏈膝關節假體存在一些問題，如活動度差，應力集中，易發生假體斷裂、松動、下沉等。如果使用表面假體進行置換，則無法處理病灶刮除后出現的大塊骨缺損，瘤段切除后再進行常規表面膝關節置換，關節穩定性也不佳。基于上述考慮，Luo 等[28]設計了一種 3D 打印膝關節墊塊，用于腫瘤切除后的半限制性膝關節置換。這一帶有微孔的 3D 打印墊塊，一方面可完美匹配切除部位的骨缺損，維持了周圍軟組織及韌帶的張力；另一方面，墊塊的微孔表面為骨-假體界面的骨長入和韌帶附著提供了環境基礎。墊塊在很大程度上維持了膝關節的穩定性，為應用半限制性假體重建膝關節創造了可能性。同時，帶微孔的 3D 打印墊塊復合半限制性膝關節假體的力學傳導更符合生理狀態，這又對增強假體穩定性、減少松動的發生具有積極意義。Luo 等將該墊塊應用于 4 例脛骨近端骨巨細胞瘤患者的膝關節重建，術中墊塊均完美填充于缺損局部。術后平均 7 個月隨訪顯示，患者關節功能恢復良好，膝關節活動度滿意，內外側應力試驗結果良好，膝關節假體穩定，未發生假體松動、斷裂等情況；MSTS 評分由術前平均 13 分增加到術后 7 個月平均 19 分。上述研究結果提示，通過 3D 打印制作個性化假體可以解決脛骨近端腫瘤切除后軟組織平衡問題。
人工關節置換術后感染遺留的骨缺損大且不規則，翻修手術預后較差。Yin 等[29]在進行翻修手術時使用獨特形狀和高孔隙率的 3D 打印膝關節假體，脛骨和股骨多孔結構給宿主骨提供了微錨定并誘導骨長入，其力學強度（35.8 MPa）與松質骨相似，低彈性模量（0.74 GPa）降低了應力遮擋的危險性；術后 6 個月隨訪顯示獲得了較好的膝關節功能。
5 踝關節
目前，有關 3D 打印踝關節假體的報道較少。Imanishi 等[30]應用 3D 打印鈦合金跟骨假體修復跟骨軟骨肉瘤切除后的骨缺損，術后 5 個月患者完全負重，踝關節活動時無疼痛，與健側踝關節具有幾乎相同的背屈和跖屈功能。最近，我們設計并 3D 打印距骨假體治療 1 例距骨壞死男性患者。以鈷鉻鉬合金為主要材料，打印了 4 種不同尺寸的距骨假體，術中根據具體解剖情況選擇最合適尺寸的假體。植入的假體與周圍骨組織完全吻合，術后恢復情況有待隨訪觀察。
6 小結與展望
3D 打印個性化關節假體能夠精確重建骨缺損，多孔結構可降低彈性模量、增加初始穩定性和誘導長期骨長入，并取得了較好的早中期隨訪效果。但其存在的問題也不容忽視，例如 3D 打印假體的機械強度不確定、醫生與工程師合作不深入、缺乏規范框架和長期隨訪等問題亟待解決。在未來 3D 打印關節假體的發展中，打印工藝的精細化和新型材料的研發將成為重點，針對不同疾病制造個性化假體，例如對骨質疏松患者可定制更利于骨長入的假體、為感染后翻修患者使用具有抗菌性能的材料打印假體等。
關節外科手術中采用關節假體重建關節功能時，假體的相關特性對手術效果有很大影響[1]。雖然傳統假體已廣泛應用并取得了良好的臨床效果，但仍存在一些問題：① 形狀不匹配：傳統內植物的形狀與大塊骨缺損不匹配[2-3]。② 結合強度和初始穩定性：內植物-骨界面強度不夠，尤其是關節假體與骨髓腔不匹配。內植物-骨間接觸點可產生應力遮擋，導致骨萎縮和松動[4]。③ 骨長入：骨長入不理想會導致假體松動和下沉，造成疼痛甚至翻修。針對傳統假體存在的不足，3D 打印技術提供了一個很好的解決途徑。
目前，3D 打印技術已用于醫藥、汽車和航空航天工業、建筑等領域[5-6]。在醫學方面，3D 打印技術在骨科具有最大的潛在市場份額。一些標準化 3D 打印金屬植入物產品已通過美國食品藥品監督管理局（FDA）批準，如內鏡腰椎椎間融合器（EndoLIF? On-Cage）、鈦腰椎后路椎間融合器（Tritanium? PL Posterior Lumbar Cage）、骶髂關節融合器（iFuse ImplantTM）等。國內北京愛康宜誠醫療器材公司的 3D 打印髖臼、頸椎椎間融合器也獲得了中國國家食品藥品監督管理總局（CFDA）認證。
3D 打印技術具有以下優點：① 3D 打印技術可將植入物制成任何形狀，精確匹配復雜骨缺損[5]。② 3D 打印假體表面的微孔增加了接觸面積，增強了內植物-骨界面的結合強度和初始穩定性，減少了內植物-骨界面的微運動[7-9]。③ 3D 打印假體的孔隙結構有利于軟組織附著，具有更好的生物力學穩定性，并且能促進成骨細胞的黏附和增殖，維持細胞形態，達到更好的骨長入和長期穩定性[10-11]。④ 相對于傳統定制假體，3D 打印個性化假體制造周期縮短，約 1 周[2]。因此，對于一些特殊患者，如嚴重髖關節發育不良、關節及髓腔畸形以及存在嚴重骨缺損的翻修手術，與傳統假體相比，3D 打印假體在精確匹配性和穩定性方面具有不可替代的優勢。現對 3D 打印金屬假體在關節外科的臨床應用進展綜述如下。
1 肩關節
3D 打印全肩關節假體尚無報道，但肩關節周圍部位，如肩關節盂、鎖骨和肩胛骨的 3D 打印假體已有 2 年以上隨訪資料，結果顯示效果滿意。3D 打印肩關節盂假體用于治療全肩關節置換術后關節嚴重骨缺損，其多孔結構能很好地填充骨缺損，組件的附加螺紋孔允許轉換成反向結構，在平均 2.5 年隨訪中取得了良好的功能評分[12]。3D 打印金屬假體也被用于鎖骨和肩胛骨尤文肉瘤切除后的精確重建，假體的多孔結構可降低其彈性模量，并有利于新骨的長入，維持假體的穩定性。隨后 3 年的隨訪結果證實了 3D 打印金屬假體的安全性和有效性，并且肌肉骨骼腫瘤協會（MSTS）評分顯示鎖骨和肩胛骨腫瘤患者的療效優良率分別為 93% 和 73%，無手術并發癥發生[13]。
2 腕關節
對于橈骨遠端和腕部巨大腫瘤或嚴重外傷所致的復雜骨缺損，目前臨床主要采用自體腓骨移植進行腕關節融合術或腕關節置換術[14]，存在腓骨畸形等問題，術后并發癥也不容忽視[15]。傳統定制腕關節假體術后并發癥發生率較高、定制成本較高、等待時間長，不是最佳的手術方式[16]。3D 打印允許個性化設計和制造金屬假體，不僅避免了自體腓骨移植存在的弊端，而且能精確修復重建因骨腫瘤切除或嚴重外傷等造成的較大骨缺損。
我們科室設計并打印了腕關節假體，治療 3 例腫瘤切除后及嚴重外傷引起的復雜骨缺損[17]。① 在 1 例橈骨骨巨細胞瘤切除后的重建中，3D 打印金屬假體有明顯優勢。硬化涂層可將假體設計為光滑表面，保證肌腱的平滑運動，防止損傷，并且在制作過程中將原有肌間溝位置的隆起壓低，保證了腕關節與正常腕骨的摩擦運動。采用常規手術方法以 3D 打印假體重建腕關節，獲得較好療效。在術后 6 個月隨訪中，假體穩定性良好，患者滿意度較高，腕部活動度部分恢復；術后 6 個月和 12 個月 Cooney 評分分別達 80 分和 85 分，Gartland & Werley 評分分別下降至 6 分和 5 分。② 除了關節面涂層，組合假體的設計也有著良好療效。組合假體的關節面采用鈷鉻鉬合金制造，再和非關節面部分進行搭配；柄和橈骨遠端下段部分采用 Ti6Al4V 進行打印，除柄以外進行網格狀設計，降低質量的同時也直接提供了縫合孔的位置。該假體很好地重建了患者腕關節的解剖結構，恢復了部分功能。術后 6 個月該例患者由術前刺刀樣手、疼痛活動受限，恢復至可完成對掌動作、自主使用手機、書寫等。術后 6 個月和 9 個月時，Cooney 評分從術前 20 分分別提高到 40 分和 50 分，Gartland & Werley 評分從術前 27 分分別降低至 14 分和 13 分。③ 在嚴重骨折所造成的復雜腕關節骨缺損中，3D 打印金屬假體也有成功應用。在 1 例高能量創傷造成的嚴重骨缺損并繼發骨髓炎患者治療中，3D 打印定制化全腕關節假體滿足了重新建立解剖結構、恢復部分功能的要求。該假體根據患者自身解剖結構進行設計，將遠端關節面拋光后進行耐磨涂層，遠端假體柄根據上述患側髓腔的直徑和形狀確定，而遠端涂層下面部分采用對側仿生結構，除關節面所在位置，其余部位噴砂處理成不光滑面。術后 6 個月患者由術前垂腕狀態恢復至可自主使用手機。術后 6 個月和 12 個月 Cooney 評分從術前 30 分分別提高到 60 分和 65 分，Gartland & Werley 評分從術前 28 分分別降低至 11 分和 6 分。
3 髖關節
內植物-骨界面的骨長入極大地影響著全髖關節置換術后髖臼杯的長期穩定性[18]。目前許多表面處理技術被應用到傳統的臼杯假體上，微孔結構的臼杯由于具有與正常松質骨類似的孔隙直徑、孔隙率和彈性模量，取得了良好的骨長入和長期穩定性[19-20]。然而，假體主體與涂層之間的機械力較弱，表面涂層有脫落的可能性。3D 打印鈦臼杯的微孔結構具有良好的把持力，可促進骨的生長和提供長期穩定性[21]。
近年來，髖關節翻修術有了很大發展，其中許多翻修患者伴有復雜的髖臼缺損，甚至出現骨盆不連續。因此，3D 打印髖臼籠在翻修手術中的應用獲得了巨大關注。2016 年 Li 等[22]報道了 24 例應用 3D 打印個性化髖臼假體治療 Paprosky ⅢB 型嚴重髖臼骨缺損的患者，術后平均 67 個月隨訪表明療效顯著，髖關節中心恢復，髖關節 Harris 評分由術前平均 36 分提高到平均 82 分，手術并發癥發生率降低，未見假體松動及移位。Li 等[23]也報道了應用 3D 打印髖臼假體修復復雜髖臼骨缺損，術后平均 4.4 年隨訪結果表明，25 例患者假體無機械故障或松動，術后功能恢復良好，滿意度較高。上述研究表明 3D 打印技術處理復雜髖臼骨缺損是有益的臨床補充。另一項涉及 26 例（28 髖）的研究也顯示，3D 打印髖臼假體對于修復復雜骨缺損是十分有利的[24]。此外，Wong 等[25]采用 3D 打印技術制作了孔隙率和孔隙直徑分別為 70% 和 720 μm 的個性化帶髖臼杯的鈦合金骨盆假體，用于重建骨盆軟骨肉瘤切除后引起的復雜缺損。本設計可促進骨長入，獲得穩定生物固定，并有一個與正常骨類似的彈性模量；康復后患者可獨立行走，髖關節功能恢復良好。
我們認為對于傳統髖臼假體無法修復的骨丟失或骨盆不連續，采用 3D 打印個性化假體重建是行之有效的方法，不僅可以解決嚴重骨缺損難題，而且早中期隨訪也證明可獲得可靠的臨床療效。
4 膝關節
隨著假體制造技術的不斷提高，傳統的人工膝關節假體取得了滿意效果，但關節畸形和嚴重骨丟失限制了傳統假體的使用[26]。3D 打印膝關節假體已被應用于股骨遠端和脛骨近端腫瘤及全膝關節置換術后感染所致的嚴重膝關節骨缺損重建[27]。
對于脛骨平臺骨巨細胞瘤患者，傳統的鉸鏈膝關節假體存在一些問題，如活動度差，應力集中，易發生假體斷裂、松動、下沉等。如果使用表面假體進行置換，則無法處理病灶刮除后出現的大塊骨缺損，瘤段切除后再進行常規表面膝關節置換，關節穩定性也不佳。基于上述考慮，Luo 等[28]設計了一種 3D 打印膝關節墊塊，用于腫瘤切除后的半限制性膝關節置換。這一帶有微孔的 3D 打印墊塊，一方面可完美匹配切除部位的骨缺損，維持了周圍軟組織及韌帶的張力；另一方面，墊塊的微孔表面為骨-假體界面的骨長入和韌帶附著提供了環境基礎。墊塊在很大程度上維持了膝關節的穩定性，為應用半限制性假體重建膝關節創造了可能性。同時，帶微孔的 3D 打印墊塊復合半限制性膝關節假體的力學傳導更符合生理狀態，這又對增強假體穩定性、減少松動的發生具有積極意義。Luo 等將該墊塊應用于 4 例脛骨近端骨巨細胞瘤患者的膝關節重建，術中墊塊均完美填充于缺損局部。術后平均 7 個月隨訪顯示，患者關節功能恢復良好，膝關節活動度滿意，內外側應力試驗結果良好，膝關節假體穩定，未發生假體松動、斷裂等情況；MSTS 評分由術前平均 13 分增加到術后 7 個月平均 19 分。上述研究結果提示，通過 3D 打印制作個性化假體可以解決脛骨近端腫瘤切除后軟組織平衡問題。
人工關節置換術后感染遺留的骨缺損大且不規則，翻修手術預后較差。Yin 等[29]在進行翻修手術時使用獨特形狀和高孔隙率的 3D 打印膝關節假體，脛骨和股骨多孔結構給宿主骨提供了微錨定并誘導骨長入，其力學強度（35.8 MPa）與松質骨相似，低彈性模量（0.74 GPa）降低了應力遮擋的危險性；術后 6 個月隨訪顯示獲得了較好的膝關節功能。
5 踝關節
目前，有關 3D 打印踝關節假體的報道較少。Imanishi 等[30]應用 3D 打印鈦合金跟骨假體修復跟骨軟骨肉瘤切除后的骨缺損，術后 5 個月患者完全負重，踝關節活動時無疼痛，與健側踝關節具有幾乎相同的背屈和跖屈功能。最近，我們設計并 3D 打印距骨假體治療 1 例距骨壞死男性患者。以鈷鉻鉬合金為主要材料，打印了 4 種不同尺寸的距骨假體，術中根據具體解剖情況選擇最合適尺寸的假體。植入的假體與周圍骨組織完全吻合，術后恢復情況有待隨訪觀察。
6 小結與展望
3D 打印個性化關節假體能夠精確重建骨缺損，多孔結構可降低彈性模量、增加初始穩定性和誘導長期骨長入，并取得了較好的早中期隨訪效果。但其存在的問題也不容忽視，例如 3D 打印假體的機械強度不確定、醫生與工程師合作不深入、缺乏規范框架和長期隨訪等問題亟待解決。在未來 3D 打印關節假體的發展中，打印工藝的精細化和新型材料的研發將成為重點，針對不同疾病制造個性化假體，例如對骨質疏松患者可定制更利于骨長入的假體、為感染后翻修患者使用具有抗菌性能的材料打印假體等。