3D打印技术在全肺切除术后的应用

李晓军，秦思达，张 佳，张 靖，崔晓海

(西安交通大学第一附属医院胸外二科，陕西西安 710061)

全肺切除术的风险极高，术后往往伴发较多并发症[1]。其中，术后早期并发症如急性出血、血栓、支气管胸膜瘘、脓胸等的发病率达到40%[2-3]。由于这些并发症发病早、症状明显，容易引起医生的重视，往往可以得到很好的干预治疗。而全肺切除术的迟发型并发症往往出现在术后几个月甚至几年后，容易被忽视或误诊。尽管这些迟发型并发症的发病率较低，但常常引起严重后果，甚至导致患者死亡。目前，消除全肺切除术后残腔最常用的方法就是假体填充，不仅可以使纵隔复位，还能预防残腔持续存在引起的胸廓塌陷及反复发作的胸腔感染。在假体选择上，当前国际上最常用的是乳腺假体和组织扩张器[4]，但这两种假体并非专门为胸腔移植设计，临床使用时常发现很难通过调节液体量达到纵隔精确复位，植入胸腔后常需要多次调节大小，且存在假体移位、破裂的可能[5]。传统假体的缺点是导致全肺切除术后综合征(postpneumonectomy syndrome, PPS)治疗失败的重要因素。因此，迫切地需要一种新的特异性假体来降低这些风险，提高治疗效果。

3D打印又叫累积制造技术，是一种以计算机的数字模型为基础，使用粉末状金属、塑料或其他可粘合材料，通过逐层堆叠累积的方式来构造物体的技术[6]。与传统的机械制造主要通过削除材料完成产品的方式不同，3D打印可以简单地做成很多以前不太可能做出或复杂无比的产品[7]。鉴于3D打印任意形状、快速成型等优点，以及在医学领域中的应用前景，本研究拟利用该技术，在犬动物模型中，以高分子材料打印出拟切除肺的模型，并以此替代传统假体植入全肺切除后的胸腔中，研究3D打印的肺假体预防及治疗全肺切除术后并发症的作用，并分析其临床应用的可能性。

1 材料与方法

1.1 实验材料及试剂 选用健康成年犬48只(西安交通大学实验动物中心提供)，体质量13～22 kg，应用随机数字表法，将实验犬随机分为4组：单纯左肺切除组(G1，12只)，左肺切除假体移植组(G2，12只)，单纯右肺切除组(G3，12只)及右肺切除假体移植组(G4，12只)。本研究获得西安交通大学伦理委员会批准，于西安交通大学动物实验中心实施。所有动物的相关术前准备、术中操作及术后护理遵循NIH发布的《实验动物使用操作指南》。实验中所用3D打印机由清华大学研制(型号：MEM-300-E)，打印材料为聚乙烯(永丰橡塑有限公司)。麻醉用的戊巴比妥钠为德国Merck公司生产。

1.2 3D打印步骤 肺假体的3D打印步骤由3部分组成：解剖结构成像、3D数字重建及打印出成品。首先对待切除肺进行CT扫描，利用计算机软件(Mimics 10.0, Materialise公司)重建肺组织3D图像；然后把重建后的图像数字化后输入3D打印机；最后由3D打印机打印出肺模型。打印过程中使用聚乙烯作为原材料，并在模型成型后进行消毒灭菌，以备下一步的体内移植。

1.3 动物麻醉及手术操作 实验动物常规术前12 h禁食，6 h禁饮。0.03 mg/kg戊巴比妥钠静脉麻醉后气管插管，动物呼吸机辅助呼吸，持续给氧并监测。开放隐静脉作为输液通道，术前及术后分别给予160万IU的青霉素预防感染。常规皮肤准备后，由第5肋间隙开胸。分离结扎肺动、静脉及主支气管后切除一侧整个肺组织，支气管残端使用2-0尼龙线加固缝合，检查有无漏气，关闭胸腔并放置负压引流装置。对于假体植入组，3D打印的肺模型直接植入胸腔。以上所有手术步骤均遵循无菌原则，并由同一团队完成。

1.4 组织病理学检测 术前针管穿刺获得正常状态下犬的肺、胸膜、心包、纵隔等组织，术后1年后处死手术动物并获取手术侧及健侧相应的胸膜、心包、纵隔及肺组织。常规40 mL/L甲醛溶液固定、脱水、蜡块包埋，病理切片至5 μm，并进行HE染色，中性树脂封片后，显微镜下观察各组织的病理特点，如有无炎症、坏死等。所有病理切片均由2位病理医师独立观察、双盲鉴定。

1.5 统计学分析 使用SPSS 19.0软件进行统计学分析，计量资料用均值±标准差描述，配对样本或独立样本的两两比较采用配对或独立样本t检验，多组间比较采用ANOVA；计数资料采用卡方检验。生存分析使用Kaplan-Meier曲线描述，Log-rank检验用于比较不同组别之间生存率的差异。以P<0.05为差异有统计学意义。

2 结 果

2.1 实验动物一般情况 实验犬平均年龄(3.4±0.7)岁，平均体质量(17.9±2.6)kg，各组动物在年龄及体质量参数上无统计学差异。在手术过程中，单纯肺切除组(G1和G3)的平均手术时间为(52.0±12.3)min，肺假体植入组(G2和G4)平均手术时间为(52.3±12.5)min，两者相比无统计学差异(P>0.05)，表明假体植入并未延长手术时间。各组动物术中出血量无统计学差异(表1)。

2.2 全肺切除术后并发症的发生情况 所有实验动物手术过程平稳，未出现术中或术后动物立即死亡。术后3～5 d拔出负压引流管，记录引流量(192±33)mL。术后持续观察动物是否出现并发症，结果发现，25%(12/48)的动物出现早期并发症。各组间早期并发症的具体分布见表2，统计学分析显示，单纯全肺切除术与假体植入组相比，早期并发症的发病率无统计学差异(P>0.05)。

表1 实验动物的一般情况

组别年龄(岁)P值体质量(kg)P值手术时间(min)P值出血量(mL)P值G13.3±0.70.12318.2±2.40.08450.7±10.80.29712.4±4.70.361G23.4±0.717.6±2.451.3±12.812.8±3.4G33.3±0.718.6±2.553.3±13.912.7±3.9G43.5±0.617.6±3.053.4±12.712.8±3.7

对于晚期并发症的观察发现，其发病率为12.5%(6/48)，并且主要发生在单纯全肺切除组(5例)，而假体植入组仅有1例。全肺切除术后晚期并发症主要表现为全肺切除术后综合征(PPS)，且主要出现在右全肺切除术后的动物(表3)。G1组1例实验动物出现反复发作的脓胸并导致了迟发型支气管胸膜瘘。而对于假体植入组动物，除1例可能因假体与胸膜摩擦导致的慢性胸膜炎症，未观察到由假体引起的其他并发症。

表2 术后早期并发症分布

* 1只犬出现切口感染诱发健侧肺炎。

2.3 CT扫描及病理检查结果比较 所有实验动物术后每隔3个月做1次胸部CT扫描，结果显示，单纯全肺切除组(G1和G3)的动物均出现一定程度的纵隔动态偏移，而假体植入组(G2和G4)动物的纵隔未见明显变化，各组实验动物典型的CT影像变化如图1所示。为了进一步探讨3D打印的肺假体与受体之间的组织相容性，所有的存活实验动物在1年后处死，对胸膜、心包、纵隔及肺组织进行病理切片观察。结果显示，肺切除侧胸腔内假体周围的膈膜、胸膜及心包组织有大量成纤维细胞、中性粒细胞浸润，表现为慢性炎症反应(图2)。值得注意的是，在健侧胸腔内，这些组织同样具有轻度的慢性炎症出现，特别是健侧肺组织，表现为气管周围淋巴细胞增多，纤维组织及间皮细胞增生。除这些慢性炎症的表现外，未出现坏死及其他严重的免疫排斥反应，表明3D打印的肺假体具有良好的组织相容性。

表3 术后晚期并发症的分布

Tab.3 Late complications of the operated dogs

并发症类型G1 G2P值G3G4P值总计(n)2∗00.225310.590全肺切除术后综合征101.000300.225迟发型支气管胸膜瘘101.000001.000反复发作的胸膜腔感染或脓胸101.000011.000

* 1只犬反复脓胸导致迟发型支气管胸膜瘘。

图1 各组实验动物术后3个月典型的CT影像变化

A：术前正常的胸部CT影像；B：左肺全切组；C：左肺全切+3D打印假体植入组；D：右肺全切组；E：右肺全切+3D打印假体植入组。

图2 3D打印肺假体植入术后胸腔组织病理改变

Fig.2 Microscopic histological examination of thoracic tissues (HE, ×100)

3 讨 论

到目前为止，全肺切除术仍然被认为是一种风险极高的手术，其术后并发症的高发病率严重影响了患者的生存时间及生活质量[8]。在本实验中，共有4例动物出现全肺切除术后综合征，其中左肺全切组1例(G1，8.3%)，右肺全切组3例(G3，25.0%)，右肺多于左肺。在人类患者中，全肺切除术后综合征也多见于右肺切除后，原因可能是右肺的体积大于左肺，切除后纵隔偏移的幅度更大[9]。此外，全肺切除术后残腔的存在不仅可以导致健侧肺体积代偿性增大，纵隔偏移，还可以引起胸廓塌陷、反复发作的胸腔感染等副作用[10]。

避免出现全肺切除术后迟发型并发症的最好办法就是消除术后残存的空腔。为了达到该目的，利用假体填充残腔的办法已被广泛应用于临床[11-12]。然而，传统假体在临床应用过程中也出现了许多不尽如人意的地方。首先，假体的体积大小对于维持纵隔的原有位置而不致发生偏移显得至关重要[13]。假体体积的过大或过小，都会影响治疗效果，甚至产生其他的副作用，如假体过大压迫健侧肺组织[14]。本实验中，在对原肺进行CT扫描3D重建的基础上，我们利用3D打印技术成功制作了与原始肺组织外形类似的假体，在对其体积、表面积、重量等参数比较后发现，肺假体与原始肺脏具有很高的一致性。当把3D打印的肺假体植入全肺切除后的胸腔后，可以完美地支撑起胸廓并保持纵隔在原位，避免传统假体过大或过小的问题。其次，我们利用聚乙烯打印出的3D肺假体具有很好的组织相容性，植入机体后未出现明显的排斥反应。但值得注意的是，聚乙烯制作的肺假体质地较硬，缺乏弹性，且随着呼吸运动的发生，可与胸膜反复摩擦导致慢性炎症的发生及不适感。因此，摩擦系数低、柔韧性好的材料，如聚四氟乙烯(PTFE)、硅胶等[15]，更适于制造这类假体，我们将在今后的研究中进一步探索。最后，就是制作假体的费用和时间，本实验中，每只动物肺假体的制作时间平均接近30 h，而花费超过500美元，包括人工费、材料费、成像费用等。当这些假体应用于人体时，费用会更高，这将阻碍这项新技术的临床应用。因此，如何降低制作成本，减少患者的治疗费用，将是我们下一步研究的方向。