3D 打印技术在人工髋关节置换术中的应用现状及前景

李戈 杨礼庆 李岩

作者单位：110004 沈阳，中国医科大学附属盛京医院脊柱关节骨科

随着我国人口不断增长和老龄化趋势与日俱增，需要进行人工髋关节置换术的患者逐年增加。人工关节置换技术的进步和假体设计及工艺的改进，使人工全髋关节置换术 ( total hip arthroplasty，THA ) 已成为治疗髋关节终末期疾病 [ 股骨头坏死，先天性髋关节发育不良 ( development dysplasia of hip，DDH )，股骨颈骨折，退行性髋关节炎，类风湿关节炎，强直性脊柱炎等 ] 最有效的治疗方法之一。相关调查显示：2014 年全年我国人工关节置换术总量已达近 40 万例，其中近 60% 为人工髋关节置换[1]。该手术方式对于减轻患者疼痛，恢复髋关节活动度，提高髋关节功能，改善患者生存品质意义重大而深远。髋关节翻修术则是初次置换后由于各种原因导致假体不能继续使用所进行的补救措施，包括清除感染灶，更换假体等，患者骨盆往往存在较大的骨缺损，甚至骨盆不连续。而 3D 打印技术的出现，对于那些髋关节发育不良，髋关节术后出现骨盆缺损的患者，无疑是开辟了一条个体化医疗，精准医疗的全新道路。

3D 打印技术是一种材料快速成型技术。不同于传统的减材加工技术，它是以“分层制造，逐层叠加”为原理，通过计算机辅助设计及制作技术 ( CAD )，数控技术，利用激光束或电子束将热塑性材料或液态金属等可黏合材料，逐层堆积，叠加成型为三维实体的打印方法[2]，又称“增材制造”。近几年来，由于 3D 打印材料科学的不断发展，操作控制系统的不断完善，3D 打印技术不只在工业设计，零件制造等方面大放异彩，同时也越来越受到医疗行业者的关注与重视[3]。现将结合国内外文献，对现阶段 3D 打印技术在全髋关节置换 / 翻修术的临床应用进行回顾，并对其未来发展方向进行探讨与展望。

一、3D 打印技术在全髋关节置换 / 翻修术中应用的现状

1. 髋关节发育不良患者的骨盆 3D 打印及导航模板的使用：DDH 是一种目前病因尚不明确的先天性髋部疾病。患者其典型影像学表现为髋臼对股骨头的覆盖减少，髋臼壁浅而薄，多存在髋臼骨缺损，骨质硬化[4]，出现假臼等改变并伴有不同程度的臀中肌萎缩。而对于 Crowe III / IV 型的发育不良患者，由于其髋臼缺损严重，股骨头脱位明显，临床治疗常面临巨大挑战[5]。目前，对于成人中、晚期 DDH 患者，THA 已经成为其手术治疗的最优选择[6]。但是由于 DDH 患者解剖学的变异以及人为主观因素，髋臼重建位置往往并不完全精确，存在相对较高的假体松动可能。

根据患者术前三维 CT 影像学结果，利用计算机软件进行骨盆三维重建。将导出 STL 文件输入 3D 打印机中，即可获得 1∶1 骨盆模型。骨盆模型可以很好地展示 DDH患者髋关节的解剖形态，更加直观地让术者了解髋臼壁缺损状况[7-8]，真假臼的位置关系。进而有效地帮助术者完善术前规划，获得精确的髋关节旋转中心，利用髋臼锉预计打磨深度，初步获得臼杯 ( 股骨头 ) 直径数据，精确髋臼前倾角，外展角大小[9-11]。3D 打印骨盆不仅能够指导手术计划，模拟手术操作，更是提高了手术精度和安全性[12-13]，减少手术时间，降低了手术的难度[8]。而对于患者而言，通过个性化的骨盆模型与患者进行病情介绍和术前交代，使患者和家属对病情，手术方式，手术风险有了更深刻的理解[7]。患者反馈表示满意，提升了患者的依从性和医疗评价[14]。由于术前的充分规划以及术中风险的充分预知，进行骨盆 3D 打印患者的手术结果相对较好，并发症出现率显著降低[9,14-16]。

近几年来，快速打印导航模板的使用也在不断增多，利用患者术前三维 CT 结果设计出假体的最佳固定方向，并提取髋臼表面解剖形态拟合成定位模板。快速成型制作后，在术中按照导航模板的指引，快速确定真臼位置，并按照设计角度打磨髋臼，可缩短手术时间，提高手术精度，取得很好疗效[17-18]。

2. 髋关节翻修术的 3D 打印应用：随着髋关节置换术数量逐年上涨，由于感染，假体松动等术后并发症所导致的需要翻修的患者也在悄然增加[19]。假体无菌性松动与不稳定 ( 66% ) 和感染 ( 15% ) 是全髋关节置换术后两种最严重的并发症[20]。它们不仅影响患者的身心健康，生活质量，更增加了骨科医生的治疗难度[21]。髋关节翻修术，无论是髋臼侧，还是股骨侧，骨缺损通常都会非常严重，手术难度较大。

Zerr 等[22]团队与 Hughes 等[23]团队分别于 2016 年，2017 年进行髋关节翻修患者的骨盆 3D 打印模型研究，在翻修术前使用骨盆模型进行手术预演，逐层打磨，预计臼杯大小。根据骨缺损程度，选择使用结构性植骨或钽金属垫块进行模拟，同时确定螺钉位置和轨迹，既保证了假体稳定，又避免了螺钉伤及血管或神经。使术前计划更加完善，手术时间更短，取得了很好的疗效。

何勇等[24]报道了多例翻修患者，利用 I 期术前三维CT 图像，取健侧股骨数据，应用镜像技术 3D 打印出个体化 Spacer 制作模具。术前预演并术中指导制作个体化Spacer，提高了手术精度。又于 II 期手术前拍摄最新三维CT，3D 打印患侧股骨结构，模拟股骨柄的选择，指导术中假体安放[25]，患者术后控制感染及翻修效果均良好。

3. 个体化订制的 3D 打印髋臼假体：电子束熔融快速成型技术 ( electron beammelting rapid prototyping，EBM RP )是一种新型金属粉末 ( Ti6Al4V ) 快速成型技术[26]。通过CT 或 MRI 提取患者的骨骼信息数据进行个性化假体的计算机辅助设计，并加以仿真模拟及力学验证；最后通过 EBM RP 技术完成个性化假体的快速制作。相关研究表明，孔隙率＞50% 且孔径在 50～500 μm 之间的多孔钛合金假体是符合人类松质骨机械强度且有利于成骨细胞的增殖和分化的。EBM 技术订制假体可以完全满足此材料学要求，其“类骨小梁结构”可支持骨细胞在其中生长，使骨骼与假体之间形成牢固的绞锁，促进骨与假体交界面的骨性愈合，从而延长假体使用寿命。EBM 技术的出现给新型骨科假体的设计和制造带来了前所未有的机遇。

( 1 ) 3D 打印钛合金骨小梁金属臼杯应用于初次髋关节置换：目前，大部分髋臼置换手术均倾向于使用非骨水泥假体，臼杯表面与骨面之间的骨长入能力是维持髋臼假体稳定的最重要因素[27]。传统通用髋臼假体由于技术缺陷，导致孔隙率不足，孔径不均，不利于骨长入[28]。不同于传统臼杯表面采用喷涂和烧结技术，EBM 钛合金臼杯金属基底层与表面多孔层是一次成型。其多孔表层拥有优越的生物学特性，这对于细胞的贴附生长以及干细胞的成骨分化都具有促进作用[29-31]，从而明显增加金属生物材料与细胞的结合能力，获得更好的机械学性能[30]。不仅如此，EBM 金属的硬度与弹性模量与人体松质骨相似，使应力传导更加均匀，早期即可获得良好的骨长入[29]。

陈世柱等[32]利用 3D 打印钛合金金属臼杯为老年患者行初次髋关节置换，实验组术后 6 个月 Harris 髋关节评分平均值为 90.96。相比于使用普通非骨水泥臼杯的对照组，髋关节功能改善显著，骨长入也较为良好，且稳定性良好，短中期预后效果佳。王珊珊等[33]发现订制臼杯患者术后 Harris 评分明显高于常规骨水泥臼杯组，治疗的总效率也显著提升。将订制钛合金假体应用于 DDH 及髋关节结核患者，Wang 等[34]发现，使用订制的 3D 打印钛合金假体的患者，术后负重时间普遍短于常规髋关节置换组，术后 2 年 Harris 评分也相对较高，说明 3D 打印订制假体更贴近人体解剖结构。

( 2 ) 翻修手术中快速打印金属垫块、三翼杯的应用：在髋关节翻修手术中，目前我们所知的处理髋臼骨缺损的方法有很多，如大臼杯，加强环，结构植骨等，目的就是为了重建准确的髋臼旋转中心，使髋臼假体得到充分的稳定。EBM 技术的发展，使髋关节翻修术出现了新的手术方式选择。

2016 年，毛兆光等[35]利用 3D 打印技术设计制作出与患者髋臼高度匹配的臼杯垫块一体式个性化假体，将其应用于 1 例 Paprosky IIIA 型翻修患者，使手术难度下降，手术创伤减小，出血量减少。患者术后康复基本满意，但无随访结果。夏志勇等[27]利用三维 CT 数据和同比例 3D打印骨盆模型，结合计算机模拟和 EBM 技术，打印出个体化钛合金骨小梁臼杯及订制钛合金金属垫块。应用于15 例翻修手术患者 ( Paprosky 分型为 IIB，IIIA 型 )，平均随访 13.6 个月，髋关节 Harris 评分，VAS 评分相较于术前，均有较大改善。截止目前术后无一例出现翻修失败，影像学检查显示骨长入良好。患者下地行走步态良好，可正常行走、下蹲，短期内疗效满意，仍需进一步远期随访。杨振环等[36]将应用 3D 打印的假体、垫块的翻修患者与常规翻修患者的术后 6 个月情况进行比较，得出了订制假体、垫块与髋臼结构吻合度高，臼杯稳定性强的结论。

表1 三翼臼杯假体在髋关节翻修术中的应用研究汇总Tab.1 Summary of the use of custom triflange acetabular components in revision THA

个体化三翼臼杯对于 Paprosky IIIB 型骨缺损，甚至骨盆不连续的翻修患者，带来了福音。个体化钛合金三翼臼杯最早由 Christie 等[37]提出，是一种臼杯外缘连接三个翼状突起，分别可以用螺丝固定于髂骨，耻骨，坐骨的订制髋臼假体。它可以精确稳定地复原髋臼解剖结构，恢复强力的骨接触和髋关节生物力学[38]。Christie 等[37]对订制三翼臼杯的置换 78 例骨盆不连续患者，进行了 24～107 个月的随访，平均 Harris 评分从 33.3 分提升至 82.1 分，但是其中 6 例发生脱位。Holt 等[39]在针对 Paprosky IIIB 型骨缺损患者的手术中，使用了 26 次订制三翼臼杯，通过建立宿主骨的即时稳定，恢复正常的髋关节中心，在短中期随访中，有 23 例疗效满意。但是价格与手术延迟的缺点却不容忽视。在 Taunton 等[40]报道的假体存留率为95% 的 57 例中，在平均为 5.4 年的随访中有 20 髋进行了二次翻修，其团队认为：3D 打印订制三翼臼杯以与其它手术方法相当的经济成本，获得了在短、中期随访中可预知的固定效果，相较于优秀的术后功能而言，手术的延迟缺陷是值得的。Wind 等[41]报告了 19 例，平均随访 31 个月，术后出现 5 例脱位，均发生在股骨侧未进行翻修的患髋。Wind 等认为：术中无法随时修改订制假体组件，成了脱位的高发原因。Colen 等[42]进行了 10～58 个月不等的随访，患者的满意率为 100%，获得了良好的临床及影像学结果。Berasi 等[43]报道 28 例骨盆不连续患者中，3 髋死亡，4 髋进行了二次翻修，随访中期，X 线对假体骨长入的评估仍不完善，同时，安装订制三翼臼杯需要大量暴露髂骨，增加了神经和血管损伤的风险。

既往研究情况表明，订制三翼臼杯的使用，给患者术后的 Harris 评分带来了显著提高 ( 表 1 )，但是术后并发症仍是髋关节手术失败的最重要原因。

最近 Berend 等[44]报道：三翼臼杯置换的 95 个髋关节，平均随访 3.5 年，平均 Harris 评分从术前的 46 分提升至术后的 75 分，但是 21 髋 ( 22% ) 出现了至少一种并发症。因此他认为：3D 打印订制的三翼臼杯的并发症发生率与其它治疗方法相同，提供了可预知的固定效果。

二、3D 打印技术在髋关节置换术中的应用前景

3D 打印技术在髋关节置换中的应用，为高难手术提供了术前预演，使医生术中操作更加精确，为患者设计打印与骨盆缺损高度匹配的订制假体，有力地推动了髋关节置换术的发展。但是 3D 打印技术的应用前景还是面临诸多挑战。( 1 ) 临床方面：快速打印订制股骨柄假体仍处于体外实验阶段[45]；订制假体及导板仍需大量临床试验证明其有效性及安全性；3D 打印价格昂贵，效率低，制作周期长；缺乏相关法律法规，行业标准，监管措施。( 2 )教学方面：理论上，3D 打印模型直观而生动，可以使学生提高诊疗能力。模型上的手术预演，可以培养学生的动手操作能力。但目前医学院较少使用 3D 打印教具，具有巨大的发展潜力。( 3 ) 材料学方面：由于订制假体对材料的无毒性，生物力学性能，生物相容性都有严格要求，导致目前临床上有用的材料仅限于金属，陶瓷和聚乙烯，同时，现阶段使用的股骨柄假体材料其硬度均远高于人体骨骼，极易导致应力屏蔽，继发骨吸收，假体周围骨折等严重并发症。高强度，力学性能可调的多孔材料可能是未来假体材料的发展方向，但是对其研究仍处于实验阶段，研发难度较大[46]。

虽然 3D 打印技术的临床应用受到诸多因素制约，但是随着相关技术的发展，材料学的进步，法律及监管的完善，以上困难将会被逐步解决。3D 打印技术将在未来为关节外科的发展提供更多的动力，更好地服务于患者和社会。