劉冰川 孫 川 侯國(guó)進(jìn) 楊鐘瑋 劉忠軍 田 耘 周 方

(北京大學(xué)第三醫(yī)院骨科 骨與關(guān)節(jié)精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)教育部工程研究中心，北京 100191)

隨著精準(zhǔn)醫(yī)療的概念在基礎(chǔ)研究與臨床實(shí)踐等方面的影響力逐漸擴(kuò)大，各專業(yè)領(lǐng)域也逐漸形成了具有學(xué)科特點(diǎn)的精準(zhǔn)醫(yī)療計(jì)劃[1,2]。王巖[3]總結(jié)了骨科精準(zhǔn)醫(yī)療(簡(jiǎn)稱“精準(zhǔn)骨科”)流程的內(nèi)容：基因測(cè)序?qū)ふ抑委煱悬c(diǎn)、大數(shù)據(jù)生物技術(shù)分析分類、精準(zhǔn)外科和藥物治療干預(yù)和精準(zhǔn)康復(fù)療效跟蹤調(diào)整等，這為精準(zhǔn)醫(yī)療在骨科領(lǐng)域的實(shí)施與發(fā)展提供了重要的指導(dǎo)。

3D打印技術(shù)，又稱增材制造技術(shù)，是一種基于計(jì)算機(jī)三維數(shù)字成像輔助設(shè)計(jì)并逐層疊加制造三維實(shí)體的新技術(shù)。作為精準(zhǔn)骨科的重要組成部分，3D打印技術(shù)已從最初的依靠打印模型來輔助診斷疾病或制定手術(shù)計(jì)劃，發(fā)展到現(xiàn)在愈發(fā)成熟的直接應(yīng)用可植入打印假體修復(fù)骨缺損[4,5]。特別是針對(duì)特殊類型的骨缺損，如腫瘤或感染源性骨缺損，大段骨缺損(長(zhǎng)度>6 cm)，以及形態(tài)不規(guī)則的骨缺損等，3D打印技術(shù)能充分發(fā)揮其個(gè)性化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，為每位患者定制更“貼身”的缺損重建假體。

本課題組自2018年開始3D打印假體修復(fù)四肢骨缺損臨床應(yīng)用的前瞻性研究，探索個(gè)性化3D打印假體的設(shè)計(jì)與制備流程，總結(jié)3D打印技術(shù)治療四肢骨缺損的臨床可行性及有效性，并進(jìn)一步挖掘其臨床推廣的潛能?，F(xiàn)將2018年1月～2019年10月期間進(jìn)行手術(shù)的隨訪時(shí)間不少于1年15例資料報(bào)道如下。

1 臨床資料與方法

1.1 一般資料

本前瞻性研究獲得北京大學(xué)第三醫(yī)院醫(yī)學(xué)科學(xué)研究倫理委員會(huì)審批[(2018)醫(yī)倫審第(414-03)號(hào)]。

納入標(biāo)準(zhǔn)：年齡>18歲，骨髓炎源性或無菌性骨不愈合源性四肢骨缺損，骨缺損長(zhǎng)度>5 cm，簽署知情同意書。

排除標(biāo)準(zhǔn)：腫瘤源性骨缺損，關(guān)節(jié)翻修手術(shù)骨缺損，病理性骨折。

本組15例，男9例，女6例。年齡27～79歲，平均52.7歲。致傷原因包括車禍傷12例，重物砸傷3例，其中開放性骨折10例，均在外院行骨折切開復(fù)位及內(nèi)固定手術(shù)。由受傷至來我院就診間隔3～35個(gè)月，中位數(shù)8.5月。均完善X線、CT、MRI及骨三相顯像等檢查以明確骨缺損病因及范圍，有皮膚竇道溢液者行分泌物微生物培養(yǎng)。造成骨缺損的病因包括骨髓炎12例，無菌性骨不愈合3例。骨髓炎包括單一細(xì)菌感染8例，混合細(xì)菌感染4例，病原菌主要包括金黃色葡萄球菌6例，陰溝腸桿菌3例，表皮葡萄球菌3例，大腸埃希菌2例，摩氏摩根菌1例，銅綠假單胞菌1例，化膿性鏈球菌1例，肺炎克雷伯菌1例。骨缺損部位包括股骨合并脛骨1例，股骨7例，脛骨6例，肱骨1例。骨缺損長(zhǎng)6～31.2 cm，中位數(shù)12.7 cm。

1.2 治療方法

截骨與控制感染階段：①?gòu)氐浊宄芾鄣能浗M織、死骨及感染骨，范圍為骨感染區(qū)域邊緣外5 mm，截骨邊界以切緣有新鮮滲血(紅辣椒征)界定，軟組織切除大于受累邊界2 mm，移除原有的失效內(nèi)固定。對(duì)于干骺端骨缺損伴附著的肌肉與韌帶，手術(shù)清創(chuàng)時(shí)盡量保留其止點(diǎn)，清理骨表面附著的受感染侵襲的軟組織。②分別在骨與軟組織切緣、可疑感染區(qū)取3處標(biāo)本送術(shù)中病理及術(shù)后微生物培養(yǎng)。③骨缺損區(qū)以抗生素聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA)骨水泥Spacer填充占位，傷口以負(fù)壓封閉引流裝置(vacuum sealing drainage，VSD)覆蓋引流沖洗，肢體以外固定架臨時(shí)穩(wěn)定。臨時(shí)填入的Spacer為表面光滑的圓柱形態(tài)，不需與后期植入的假體形狀完全一致。④如術(shù)中微生物培養(yǎng)結(jié)果為陰性且軟組織病理切片結(jié)果未見明顯的炎癥反應(yīng)，術(shù)后引流液培養(yǎng)連續(xù)3次陰性，且血生化感染指標(biāo)及體格檢查結(jié)果均無異常，則二次手術(shù)移除VSD裝置并關(guān)閉傷口；如存在明確的局部感染，則根據(jù)微生物藥敏結(jié)果足量使用抗生素，并每隔1周進(jìn)行局部清創(chuàng)及更換VSD，直至引流液微生物培養(yǎng)連續(xù)3次為陰性且血生化感染指標(biāo)及體格檢查結(jié)果均無明顯異常，則認(rèn)定局部感染已獲得良好控制，關(guān)閉傷口。如皮膚軟組織缺損嚴(yán)重，則選擇拉皮器或皮瓣轉(zhuǎn)移等方式閉合傷口。

3D打印假體設(shè)計(jì)與制備階段：①進(jìn)行雙側(cè)肢體薄層CT掃描與重建，基于鏡面對(duì)稱原理，依照正常側(cè)肢體的形態(tài)結(jié)構(gòu)以及缺損區(qū)周圍的解剖特點(diǎn)設(shè)計(jì)假體。②依托醫(yī)工交互平臺(tái)，模擬假體重建骨缺損及內(nèi)固定的手術(shù)操作。③應(yīng)用電子束熔融專用程序，逐層打印3D多孔鈦合金(成分為Ti6Al4V)假體，清洗假體并進(jìn)行表面打磨拋光，消毒包裝。

重建骨缺損階段：①此階段手術(shù)距離上次手術(shù)一般6～8周，植入假體前需確認(rèn)皮膚軟組織條件好、無發(fā)熱、肢體局部無紅腫或竇道、影像學(xué)檢查無新發(fā)膿腔或骨質(zhì)破壞等感染復(fù)發(fā)情況。②將3D假體植入骨缺損周圍形成的誘導(dǎo)膜內(nèi)，以髓內(nèi)針固定，鄰近干骺端的骨缺損用螺釘進(jìn)行假體側(cè)耳遠(yuǎn)端固定，將誘導(dǎo)膜嚴(yán)密縫合，逐層關(guān)閉傷口，如皮膚軟組織條件差需進(jìn)行皮瓣轉(zhuǎn)移。

康復(fù)階段：提倡術(shù)后適當(dāng)早期安全地進(jìn)行負(fù)重及康復(fù)鍛煉，由康復(fù)師指導(dǎo)訓(xùn)練，如病程較長(zhǎng)導(dǎo)致關(guān)節(jié)僵硬，行關(guān)節(jié)松解術(shù)。

1.3 療效評(píng)價(jià)

術(shù)后每隔3個(gè)月復(fù)查評(píng)價(jià)療效，主要內(nèi)容：①觀察骨髓炎有無感染復(fù)發(fā)，根據(jù)Gupta等[6]的報(bào)道及我們的臨床經(jīng)驗(yàn)，判斷局部感染復(fù)發(fā)的證據(jù)主要包括手術(shù)部位再次出現(xiàn)紅腫熱痛等癥狀，血白細(xì)胞計(jì)數(shù)、C反應(yīng)蛋白、血沉等指標(biāo)升高且排除其他部位感染，手術(shù)部位再次出現(xiàn)竇道或滲液等。②每次復(fù)查X線片，每隔半年復(fù)查CT，評(píng)估假體及內(nèi)固定有無斷裂、松動(dòng)、移位或沉降等以評(píng)價(jià)其完整性及穩(wěn)定性，評(píng)估新骨再生的距離、厚度及濃密度以評(píng)價(jià)新骨再生進(jìn)度。③用視覺模擬量表(Visual Analogue Scale，VAS)評(píng)定疼痛程度，0分代表無痛，10分代表劇痛。④用日常生活能力量表(Activity of Daily Living Scale，ADL)評(píng)定日常生活狀態(tài)，滿分100分，60分以上為生活基本自理，40分以下為重度功能障礙[7]。⑤上肢功能量表(Disability of Arm，Shoulder and Hand，DASH)[8]或下肢功能量表(Lower Extremity Functional Scale，LEFS)[9]評(píng)定上肢、下肢手術(shù)患者的術(shù)后功能。DASH總分0～100分，0分表示上肢功能完全正常，100分表示上肢功能極度受限，得分越低代表上肢功能越好；LEFS總分0～80分，得分越高代表下肢功能越好。⑥用患者滿意度評(píng)分綜合評(píng)定治療效果，滿分10分，0分為非常不滿意，10分為非常滿意。

2 結(jié)果

15例3D打印假體植入重建骨缺損手術(shù)后，開始進(jìn)行如肢體屈伸、抬高、輔助負(fù)重行走等功能鍛煉的時(shí)間為5～20 d，中位數(shù)8 d。2例骨髓炎患者分別在術(shù)后6、8個(gè)月發(fā)生局部感染復(fù)發(fā)，表現(xiàn)為局部皮膚再次出現(xiàn)竇道伴持續(xù)滲液，X線檢查顯示2例均未出現(xiàn)內(nèi)固定或假體松動(dòng)或斷裂，但新生骨痂生長(zhǎng)不明顯，其中1例行肢體局部再次清創(chuàng)截骨控制感染并同時(shí)植入PMMA骨水泥Spacer出院，等待復(fù)查結(jié)果同時(shí)制備3D打印假體，另1例仍在住院進(jìn)行局部控制感染的相關(guān)治療。其余13例無內(nèi)固定及假體松動(dòng)或斷裂，骨缺損端有新生骨包繞假體生長(zhǎng)，術(shù)后隨訪12～26個(gè)月，平均18.0月。13例末次隨訪日常生活肢體疼痛VAS評(píng)分平均2.4分(2～4分)，ADL評(píng)分94.2分(90～95分)，1例肱骨缺損者DASH評(píng)分31.7分，12例下肢骨缺損患者LEFS評(píng)分42.0分(38～47分)，滿意度9.3分(9.1～9.5分)。典型病例見圖1。

圖1 53歲女性，半年前因車禍傷造成右肱骨遠(yuǎn)端骨折(AO-A3)并在外院行切開復(fù)位內(nèi)固定手術(shù)。3個(gè)月前無明顯誘因右肘外側(cè)出現(xiàn)竇道并持續(xù)溢出黃色分泌物，對(duì)癥治療無緩解。分泌物細(xì)菌培養(yǎng)提示金黃色葡萄球菌感染。無糖尿病、免疫功能不全、營(yíng)養(yǎng)不良等疾病，無特殊口服藥物史。A、B.術(shù)前X線顯示肱骨遠(yuǎn)端骨折未愈合，骨質(zhì)破壞明顯，克氏針?biāo)蓜?dòng)；C、D.術(shù)前CT顯示肱骨關(guān)節(jié)面受侵蝕破壞明顯，骨折未愈合，伴骨質(zhì)疏松；E.骨三相顯像顯示血池相右肱骨遠(yuǎn)端放射性濃聚明顯(箭頭所示)，提示局部慢性骨髓炎；F.肱骨遠(yuǎn)端感染灶經(jīng)清創(chuàng)截骨后，遺留的骨缺損區(qū)(長(zhǎng)11.2 cm)用PMMA骨水泥Spacer占位(箭頭)，肘關(guān)節(jié)以外固定架臨時(shí)固定；G.基于鏡面對(duì)稱原理，參照健側(cè)肢體的三維重建CT設(shè)計(jì)重建患肢骨缺損假體的大小及形態(tài)；H.設(shè)計(jì)假體的正面與背面觀，此假體實(shí)現(xiàn)了側(cè)耳及髓內(nèi)針的一體設(shè)計(jì)打??；I.基于醫(yī)工交互平臺(tái)，可視化模擬假體置入及內(nèi)固定的手術(shù)操作；J、K.假體置入術(shù)后7天的正側(cè)位X線，可見假體與骨缺損區(qū)匹配度良好；L、M.術(shù)后6個(gè)月的正側(cè)位X線，可見假體保持穩(wěn)定；N、O.術(shù)后14個(gè)月的正側(cè)位X線，見假體穩(wěn)定，無松動(dòng)及斷裂；P、Q.假體植入術(shù)后返回病房后的肘關(guān)節(jié)屈伸活動(dòng)范圍；R、S.術(shù)后14個(gè)月，右肘屈伸功能恢復(fù)良好，可滿足日常生活需求，DASH評(píng)分31.7分

3 討論

四肢骨缺損的治療一直是棘手問題。Lasanianos等[10]的研究表明，當(dāng)骨缺損的長(zhǎng)度超過其周長(zhǎng)的2～2.5倍時(shí)，則難以自行修復(fù)。Haines等[11]關(guān)于開放性脛骨干骨折的研究顯示，當(dāng)缺損的長(zhǎng)度超過2 cm時(shí)難以實(shí)現(xiàn)骨愈合。骨缺損的治療不僅要求重建骨骼的完整性，還應(yīng)強(qiáng)調(diào)早期安全的肢體負(fù)重及功能鍛煉，有助于患者早期回歸正常社會(huì)生活。

骨缺損治療的傳統(tǒng)方法主要包括骨移植技術(shù)、Ilizarov牽張成骨技術(shù)、Masquelet膜誘導(dǎo)技術(shù)等[12]。3D打印技術(shù)作為創(chuàng)新的治療選擇在骨缺損的臨床治療中發(fā)揮著越來越大的作用。我們?cè)赑ubMed及Web of Science數(shù)據(jù)庫(kù)檢索近10年發(fā)表的應(yīng)用3D打印假體重建四肢骨缺損的臨床應(yīng)用報(bào)道共9篇[13～21]，包含17例患者，其中5例是本課題組報(bào)道。本前瞻性研究包含15例患者，隨訪結(jié)果顯示，3D打印技術(shù)治療四肢骨缺損，適用于大段(中位長(zhǎng)度12.7 cm)，多種原因(包括骨不愈合、骨髓炎)，多部位(包括肱骨、股骨及脛骨)骨缺損。基于缺損周圍形態(tài)特點(diǎn)并參考對(duì)側(cè)肢體正常解剖結(jié)構(gòu)的3D打印“定制化”假體，可有效匹配骨缺損的形態(tài)結(jié)構(gòu)。同時(shí)，假體的多孔內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可通過調(diào)節(jié)孔隙大小及孔隙率實(shí)現(xiàn)對(duì)假體生物力學(xué)性能的調(diào)控，有利于快速重建肢體的機(jī)械強(qiáng)度和生物力學(xué)傳導(dǎo)需求。

個(gè)性化3D打印假體的設(shè)計(jì)與制備流程主要包括4部分：①收集臨床影像資料并數(shù)字化成Mimics軟件可讀數(shù)據(jù)；②基于圖像數(shù)據(jù)建立假體模型，設(shè)計(jì)假體的內(nèi)固定方式及釘孔位置(圖H)；③依托醫(yī)工交互平臺(tái)模擬假體植入及固定等手術(shù)操作，優(yōu)化手術(shù)策略(圖I)；④對(duì)金屬假體進(jìn)行后期處理與性能測(cè)試，合格產(chǎn)品進(jìn)行消毒并無菌密封包裝。同時(shí)，我們對(duì)用于不同解剖部位的3D打印假體也進(jìn)行了一些特別的設(shè)計(jì)：①單純長(zhǎng)骨干部骨缺損，設(shè)計(jì)為近圓柱形態(tài)的假體，假體中心預(yù)留髓內(nèi)針穿行通道；②長(zhǎng)骨干骺端骨缺損，在假體兩端額外一體打印側(cè)耳結(jié)構(gòu)，以增加假體與靠近關(guān)節(jié)端的松質(zhì)骨的固定強(qiáng)度；③靠近長(zhǎng)骨干骺端且跨度較長(zhǎng)的骨缺損，可進(jìn)行假體-髓內(nèi)針-側(cè)耳結(jié)構(gòu)的一體打印(圖H)，假體局部固定強(qiáng)度進(jìn)一步提高。

應(yīng)用3D打印假體植入重建骨缺損，不需等待骨愈合再進(jìn)行肢體負(fù)重鍛煉，鈦合金假體可為骨骼提供足夠的機(jī)械強(qiáng)度支撐與生物力學(xué)傳導(dǎo)，使肢體恢復(fù)到接近自然的生物力學(xué)環(huán)境。我們?cè)O(shè)計(jì)的3D打印假體為均一的多孔結(jié)構(gòu)，孔隙大小(625±70)μm，孔隙率68%，彈性模量為(1200±48)MPa，其機(jī)械強(qiáng)度顯著低于皮質(zhì)骨并接近松質(zhì)骨，這有利于假體植入骨缺損區(qū)后減少局部的應(yīng)力遮擋效應(yīng)。本研究15例自3D打印假體植入術(shù)后至開始部分肢體負(fù)重功能鍛煉的時(shí)間間隔中位數(shù)8 d，而傳統(tǒng)方法骨移植技術(shù)及Masquelet技術(shù)因需等待骨融合再功能鍛煉導(dǎo)致其時(shí)間間隔至少要3～6個(gè)月[22,23]，Ilizarov技術(shù)實(shí)現(xiàn)骨愈合部分患者需要1年以上[24]。

假體保持穩(wěn)定與新骨逐漸再生是應(yīng)用3D打印假體植入治療四肢骨缺損獲得中遠(yuǎn)期良好療效的重要保障。本研究13例術(shù)后隨訪X線檢查可見新生骨痂在假體表面自骨缺損斷端向中心逐漸爬行生長(zhǎng)，未出現(xiàn)明顯的新骨斷裂、新骨吸收。對(duì)于不同解剖部位的骨缺損：股骨缺損的新生骨痂生長(zhǎng)更快、更濃密；脛骨缺損的骨痂再生速率相對(duì)緩慢，這可能與脛骨周圍軟組織覆蓋相對(duì)較薄以及脛骨自身血供相對(duì)較差有關(guān)；肱骨缺損的骨痂再生速率與濃密程度也相對(duì)較弱，這可能與上肢缺少負(fù)重訓(xùn)練導(dǎo)致新骨再生缺乏局部應(yīng)力刺激有關(guān)。新生骨痂可與3D打印假體的多孔結(jié)構(gòu)貼合而形成“生物錨定”，持續(xù)維持假體的穩(wěn)定，避免其松動(dòng)或移位。并且，我們?cè)谥踩?D打印假體時(shí)不額外在假體的內(nèi)部或周圍增填任何自體骨或異體骨材料，可擺脫臨床骨缺損治療對(duì)植骨材料來源的依賴，這一創(chuàng)新治療思路也有別于既往的文獻(xiàn)報(bào)道，結(jié)果顯示這樣的治療策略并未顯著影響新骨再生與假體穩(wěn)定，這為骨缺損的臨床治療提供了新的思路。

早期安全有效的肢體負(fù)重功能鍛煉、假體保持持續(xù)穩(wěn)定、新骨逐漸再生三要素保障功能順利康復(fù)。本研究13例末次隨訪肢體功能定量評(píng)分結(jié)果顯示，上肢DASH評(píng)分31.7分，下肢LEFS評(píng)分平均42.0分，ADL評(píng)分平均94.2分，患者滿意度平均9.3分。此臨床療效充分體現(xiàn)了應(yīng)用3D打印假體植入治療四肢長(zhǎng)骨大段骨缺損的早中期可行性及有效性。

本組2例骨髓炎局部感染復(fù)發(fā)，分析其原因主要是骨感染均未行節(jié)段性截骨，而僅骨干側(cè)方骨感染灶清除。由此可見，術(shù)中組織病理及術(shù)后連續(xù)3次沖洗液細(xì)菌培養(yǎng)陰性也不能斷定感染完全獲得有效控制。并且2例骨髓炎均為混合感染(1例金黃色葡萄球菌合并銅綠假單胞菌及表皮葡萄球菌，1例金黃色葡萄球菌合并化膿鏈球菌)，這也導(dǎo)致感染難以徹底有效控制。徹底有效清創(chuàng)及控制感染仍是3D打印技術(shù)治療骨髓炎性骨缺損的關(guān)鍵。由于植入假體的大小及形態(tài)可定制，手術(shù)醫(yī)師可適度充分截骨，減少對(duì)大段異形骨缺損重建困難及大量植骨材料需求的顧慮。

本研究的主要不足為病例數(shù)較少及隨訪時(shí)間較短，從而使研究結(jié)果缺乏更有力的臨床數(shù)據(jù)支持。進(jìn)一步的病例納入及隨訪將有助于改善這一不足。

綜上，基于“精準(zhǔn)骨科”的3D打印技術(shù)治療四肢骨缺損具有良好的臨床可行性及有效性，在徹底清創(chuàng)及控制感染的前提下，可實(shí)現(xiàn)假體穩(wěn)定及新骨再生，患者可獲得較滿意的肢體功能恢復(fù)。