3D打印导板结合3D打印个体化金属骨小梁假体治疗肱骨干骨肿瘤二例

雷青 陈松 陈立 蔡立宏 刘峰 周伟力 蒋明辉 李跃峰 魏平 王康 阳宏奇 肖思顺 刘文前

骨肿瘤切除术后骨缺损的治疗方法多样，包括自体骨移植、同种异体骨移植、异种骨移植、瘤段灭活再植术、定制假体、Masquelet膜诱导成骨技术、伊利扎洛夫外固定支架骨延长术。3D打印技术由于能个体化定制假体，能打印几何形态复杂的物体，其在骨肿瘤外科的术前规划、术中截骨、个体化假体的制造等方面扮演了越来越重要的角色[1]。Pruksakorn等[2]使用3D打印聚甲基丙烯酸甲酯假体治疗肱骨近端骨肿瘤9例、全肱骨骨肿瘤2例、肱骨远端骨肿瘤2例、尺骨近端骨肿瘤1例，平均随访486天，未出现假体松动。3D打印金属骨小梁假体重建肱骨干骨肿瘤切除术后骨缺损临床报道较少，我科于2017年5月～2019年9月应用3D打印个体化金属骨小梁假体治疗肱骨干骨肿瘤2例，现报道如下。

对象与方法

一、对象

2例均为女性病人，病例1年龄69岁，为乳腺癌并右肱骨中下段骨转移；病例2年龄66岁，为左肱骨中段浆细胞瘤。术前均行右肱骨X片、CT三维重建、MRI、骨扫描检查，确定肿瘤范围及截骨长骨。病例1术前行乳腺穿刺活检，病例2术前行左肱骨切开活检，确定肿瘤性质。

3D打印假体的应用经过院伦理委员会审查通过，告知患者手术及3D打印假体应用存在的风险，患者签署知情同意书。

二、方法

1.3D打印截骨导板与3D打印金属骨小梁假体的设计与制造：采集患者全肱骨CT/MRI数据，将CT成像数据输入计算机，使用Materialise Mimics 17.0(Materialise 公司，比利时)加载Dicom格式的数据，参照MRI及骨扫描数据，于肿瘤边界外大于1 cm的水平为截骨平面，以截骨平面骨形态数据为基础，按照逆向工程原理设计截骨导板，将数据输入打印机，使用光敏树脂打印出肱骨肿瘤模型及截骨导板。据肿瘤模拟切除后骨缺损情况，设计3D打印假体，病例1假体近端带2 cm长的金属柄，行骨水泥固定，远端带基于肱骨远端表面形态的金属套，并留置两个侧方螺钉孔用于螺钉固定，病例2远近端均以金属套，并于远近端金属套分别留置两个侧方螺钉孔用于螺钉固定。以钛合金粉末材质打印出个性化金属骨小梁假体，消毒供术中应用。

2.手术方法：患者处健侧侧卧位，行上臂后正中切口，切开皮肤、皮下、深筋膜，于肿瘤外正常肌肉组织内分离肿瘤，保护好桡神经，根据术前确定的肿瘤位置及截骨位置，安装截骨导板，经导板截骨，完整切除骨肿瘤。病例1金属骨小梁假体远端套入肱骨远端，压配固定，并以2枚螺钉斜行固定，修整近端髓腔，骨水泥固定金属骨小梁假体髓内钉；病例2金属骨小梁假体髓腔内填充自体髂骨后，远近端分别套入肱骨远近端皮质，压配固定，远近端分别以2枚螺钉横行固定，并将自体骨处理成骨泥植于假体网状结构周围。

3.术后处理：围手术期24小时内使用头孢唑啉预防感染，术后予以预防感染、消肿、消炎止痛等治疗，术后第一天复查患侧上臂正侧位片及CT三维重建，术后第一天指导患者开始行患肢功能锻炼。

结 果

2例患者伤口均愈合好，无感染、伤口裂开等并发症。术后第1、2、3、6、12个月门诊复查，以后每3～6个月复查。病例1术后6个月MSTS评分为26分[3]，术后14个月复查X片发现假体近端松动，再次手术加用直行锁定钢板螺钉、钢丝捆绑内固定，术后第34个月末次随访X片示假体无移位，骨质无破坏。MSTS评分26分。病例2术后6个月随访时X片及CT三维重建示金属骨小梁假体周围骨痂形成，MSTS评分25分。见图1、图2。

a.右上臂正侧位片示右肱骨下端病理性骨折并移位；b.3D打印模型、截骨导板及金属骨小梁假体；c.术后右上臂正侧位片；d.术后14个月复查右上臂正侧位片示假体近端松动；e.翻修术后右上臂正侧位片；f.末次随访，术后34个月右上臂正侧位片

图1病例1

a.左上臂正侧位片是左肱骨中下段溶骨性骨质破坏；b.3D打印肱骨模型及金属骨小梁假体；c.假体植入术后；d.术后左上臂正侧位片；e.术后6个月左上臂正侧位片示假体两端骨痂形成；f.术后6个月CT三维重建示金属骨小梁假体周围骨痂形成

图2病例2

讨 论

肱骨干骨肿瘤切除术后骨缺损重建的目的是恢复肱骨的稳定性、缓解疼痛、改善患者的生活质量。病理性骨折的生理学与正常骨不同。在病理性骨折中，骨固有的愈合能力被破坏，因此大部分骨折需手术固定以获得稳定。间置型假体是一种较好的肱骨骨肿瘤切除术后重建方法，但其常见的并发症包括无菌性松动和假体周围骨折，假体的短节段固定、肱骨髓腔相对于股骨髓腔狭窄，不能充分地与骨水泥交联及较高的旋转应力可能是其引起并发症的原因[4]。文献报道假体松动在应用于肱骨重建中较应用于股骨重建失败率更高[5]。一些研究表明骨水泥固定假体柄的患者术后功能恢复更佳[6-7]。髓内钉固定肱骨干骨折有一些并发症，如由于髓内钉的置入侵犯肩袖引起慢性肩关节疼痛、乏力和活动范围缩小[8]。

3D打印技术在骨肿瘤外科的应用极大地提高了个体化诊治水平和精度。3D打印模型能直观地显示骨肿瘤的形态及与邻近解剖结构的的关系，便于制定详细的手术方案。3D打印截骨导板能用于术中引导肿瘤切除，能提高肿瘤切除的效率和精确度，简化手术操作，利于肿瘤切除术后重建[9]。3D打印技术设计并打印个体化金属内植物用于骨切除是后的重建，使内植物能完美地匹配缺损的骨组织，利于骨组织的解剖重建，简化了手术操作，可延长内植物的使用寿命。Yitian等[10]应用3D打印假体重建桡骨远端Campanacci Ⅲ期或复发性骨巨细胞瘤，短期随访发现较同种异体骨移植更好地保留了腕关节功能Hongzhi等[11]使用3D打印钛合金肩关节盂假体，结合定制肱骨近端假体完成骨肿瘤切除、个体化反式肩关节置换术7例，显著改善了肩关节功能，减少了并发症。

随着3D打印技术的发展，可能打印出可控的空隙及与人体骨骼弹性模量接近的金属内植物，从而减少应力遮挡相关的问题[12]。钛合金粉末是目前应用较为广泛的3D打印金属材料。通过孔径变化率的多样化，不同的空隙，形成空隙间的3D穿透，金属假体的弹性模量能通过设计而改变[13]。研究表明，多孔钛合金内植物有好的骨长入能力，支持人体骨细胞的生长，在内植物和骨之间形成有力的交锁，显著提高内植物的成功率[14]。临床组织学试验表明，3D打印金属较传统金属有更快的骨整合率[15]。

本报道中2例患者根据术前肱骨CT、MRI数据设计截骨导板，根据截骨后骨缺损形态设计假体，术中使用3D打印截骨导板实现肱骨精确截骨，将模拟手术转化为现实手术，3D打印钛合金假体实现了与截骨端的紧密贴附，重建肱骨的长度及形态，获得了良好的初始稳定性，利于患者早期开始肢体功能锻炼。钛合金金属骨小梁假体多孔表面利于骨长入，为假体的远期稳定性创造了条件。本报道中病例2术后5个月随访X片即显示假体端与骨面有骨痂形成。3D打印导板结合3D打印钛合金个体化假体简化了手术操作，可节约手术时间，减少术中出血量。

术中要严格按照无瘤操作的原则物广泛切除肿瘤，显露过程中应注意保护桡神经，充分显露病灶两端正常的骨皮质，实现截骨导板与骨面的紧密贴附，利于经过导板精准截骨。通过3D打印假体与骨端形态的匹配，避免出现肢体旋转畸形。假体植入过程中需牵张软组织，操作过程中需保护软组织特别是桡神经。

病例1假体近端髓内柄长度有限，未能充分充填髓腔[16]。由于髓腔内骨水泥量有限，不能实现骨水泥的加压固定，虽然辅助锁定钢板螺钉固定，但由于扭转应力的作用，患者于术后第14个月出现假体松动。但假体远端稳定性良好，通过增加钢板螺钉及钢丝捆扎固定重新恢复了假体近端稳定性。病例2远近端均通过压配固定及螺钉辅助固定，髓腔内外均植骨，为骨长入创造条件。通过假体设计的改进及固定方式的改进，提高假体的初始稳定性，通过假体界面的改进，促进骨长入，改善假体的远期稳定性，提高假体的使用时间。

3D打印技术应用于生物医学领域尚处于早期，广泛应用于临床之前存在很多挑战。首先，3D金属打印技术不如传统金属生产技术那么成熟。目前即使是最常用的金属EBM技术，也存在很大的改进空间。电子束和金属粉末的相互作用、残余应力的控制、产品表面粗糙度、内部结构的缺陷、其他关键技术问题和稳定性问题均需优化。目前，3D打印金属产品的精度和效能不够。而且，目前大部分3D打印技术采用的是逐层打印过程，即使层与层之间的交联非常紧密，产品的刚度和强度仍然存在很多缺陷。此外，3D打印需要更多高质量的原材料，缺乏原材料是金属3D打印技术面临的最重要的限制因素。目前3D打印使用的原材料是粉末状或丝状，它们比常用的金属固体材料需要满足更具体的质量要求，但目前仅有很少确定的可用于3D打印的金属材料，如钛合金、不锈钢和铝合金。另一个迫切需要解决的问题是缺少3D打印金属医用装置的生物安全标准。持续的发展和生物医用材料工业，以及3D打印技术的改进，将会为生物3D打印提供更多机会。

本组2例患者应用3D打印导板引导肱骨干骨肿瘤的精确截骨，使用3D打印金属骨小梁假体实现了骨缺损的解剖重建，获得了良好的假体初始稳定性。但病例数较少，随访时间较短，需更大样本量、更长时间的随访验证3D打印导板结合3D打印金属骨小梁假体在肱骨干骨肿瘤手术治疗中的优势。