3D 打印技术结合诱导膜技术在治疗大段骨缺损中的应用

张来福，卢承印，王孝辉

(1. 河南中医药大学，河南 郑州450046；2. 河南省洛阳正骨医院/河南省骨科医院，河南 洛阳 471002)

0 引言

多种因素导致的骨缺损在临床中常见，治疗中存在手术创伤大、周期长、花费高、骨折部位无法直接愈合等问题，成为医患双方共同面对的难题。目前的治疗方法有骨移植、Ilizarov 骨搬移技术、Masquelet 技术、以及组织工程技术。

1 目前技术的优缺点

对于骨缺损，自体骨移植是最理想的治疗方案，具有良好的成骨、骨诱导和骨传导性质，不会引起免疫反应或传播传染病，但术后易出现供骨区疼痛且取骨量有限，促使学者不得不寻找替代方案[1]。异体骨移植，能提供足够的替代骨，但骨传导性和生物相容性的差异导致其在临床运用中出现愈合缓慢，植骨易吸收，从而难以保证较高的成功率[2]。

Ilizarov 骨搬移技术[3]，通过骨骼自身的修复能力而在张力—应力的刺激作用下，随着调整外固定架推进位置和角度而达到修复骨及组织缺损的目的，其治疗周期与骨缺损的大小呈正相关，治疗周期长，患者佩戴外固定架的时间增加，在骨推进的过程中需要患者及家属的配合，周期性复查，及时调整推进速度与角度，给患者的护理增加难度。组织工程技术[4]作为新兴技术，一直是近些年研究的热门，尽管材料的选择异常丰富，但是目前为止，仍没有一种理想的材料能在机械性能和生物属性上满足骨缺损移植材料的理想要求。更没有一种材料能同时满足满意的机械强度、良好的骨诱导性、生物降解速度与骨生长速度同步的需要[5]。

Masquelet 技术在骨缺损区置入骨水泥形成一个富含血管、促进成骨生长因子的诱导膜，从而在二期治疗中为移植物形成一个密闭的成骨环境，促进新骨形成，修复骨缺损。但是，在诱导膜制作过程中，因骨水泥等填塞物制作不当，后期不易取出，可能造成骨缺损进一步扩大，损伤诱导膜[6]。因此如何保证诱导膜的完整性成为本技术的关键因素之一，近些年，随着3D 打印技术的兴起，给临床治疗骨缺损提供了新思路。

而3D 打印技术的出现，使体外造模已应用于临床工作中[7]。对于诱导膜技术存在的问题与不足，利用3D 打印技术塑造骨缺损模型，并根据模型制作骨水泥塑型器。本文即根据3D 打印技术结合诱导膜技术在治疗大段骨缺损中的研究进展，阐述其在骨缺损治疗中术前、术中及术后的应用。

2 Masquelet 技术与骨缺损

2.1 骨缺损

骨缺损的致病因素在临床中较为常见的有：创伤、骨肿瘤切除、感染引起的骨髓炎等。针对骨缺损的临界值尚没有明确的定义，多数人认为，当骨缺损长度大于周径1.5 倍或者大于2cm 时，骨折缺损部位难以自行修复[8,9]。骨缺损的治疗是最大限度恢复患者肢体功能，提高生活质量。如果处理不当，会造成骨折不愈合、感染、短缩畸形、关节僵硬等并发症，在治疗中，存在周期长，技术要求高，花费大的问题。骨缺损的结构不规则、大小不均等、解剖复杂等，增加治疗难度，使术前对于骨缺损进行全面的了解更为重要。

2.2 Masquelet 技术

Masquelet 技术又称诱导膜技术，Masquelet[8]等人最早利用此技术治疗35 例长骨缺损，并取得良好的效果，该方法由两个阶段组成：第一阶段是彻底清创后选择合适的方法固定，置入骨水泥与抗生素混合物作为间隔物，促使其诱导形成纤维膜；第二阶段数周后切开诱导膜取出骨水泥，保留由骨水泥诱导形成的诱导膜，植入自体骨或自体骨与骨替代材料的混合物，随后闭合诱导膜，继续固定数周至骨性愈合。Pelissier[10]等人通过动物实验研究中证实诱导的膜是血管化的并且包含各种生长因子，这取决于其成熟状态。生长因子如VEGF，TGF-β和BMP-2 被分泌，并且该膜在兔中呈现高血管形成，该实验还证明了成骨细胞的增殖和分化受到刺激。Christoph Nau[11]等对于96 只小鼠的对照实验中，发现诱导膜能促进新骨形成，并且加速骨矿物质密度和骨硬度的进展。Michael A[12]等也提到诱导膜防止移植物再吸收并促进骨质向内生长修复缺损。

3 3D 打印技术

3D 打印(Three-dimensional printing)又称快速成型技术，根据ct 扫描健侧和患侧的结果对比提供高质量射线成像数据，利用计算机技术辅助设计、制造，通过“层层叠加，层积成型”的方式，快速精确生成所需要的任何结构的目标模型[13]。为每一个患者针对缺损部位，可以按照1:1 提供切合自身需求的个性化模型，手术方案及贴合的个性化固定物，在术前可以准确的模拟手术，提高手术成功率，减小手术创伤，缩短手术时间，降低术后并发症的发生。21 世纪以来，3D 打印技术越来越多的应用于骨科临床治疗，利用3D 打印作为辅助，可以为诱导膜技术在骨缺损中的应用提供术前、术中、术后的模型及其他支持。

4 3D 打印及诱导膜技术在骨缺损手术中的应用

4.1 术前

4.1.1 术前诊断与评估

以往的骨缺损治疗，根据影像学检查靠医生的临床经验去评判骨缺损的程度及形状，由于医师水平的差异难以对缺损部位全面精确的了解，进而影响治疗的效果。3D 打印技术的应用，通过ct 扫描数据，借助计算机建立三维模型，并打印，使术者全面了解病灶区的构造[14,15]。即使是经验欠缺的低资历医师也能在术前做到熟悉缺损结构，特别对于特定部位的骨缺损，如足部等不规则骨缺损的设计，解决匹配问题，有利于后期功能重建。

4.1.2 固定物选择的预制

诱导膜技术在第一阶段多以外固定架为主，术后护理不便及可能造成钉道感染，部分研究开始改用髓内针固定或钢板等内固定，YU 等[16]利用抗生素水泥涂层锁定板作为股骨骨髓炎缺损的临时固定器，患者能早期进行功能锻炼且不会增加感染率。但骨缺损区域不固定、结构复杂性，内固定装置多数需要术中调整，既增加手术时间，术中反复折弯钢板会降低机械性能。骨水泥的填充形状、大小也同样依据术者的经验，术中根据缺损制作凝固、塑型，也会增加手术时间、还会造成热损伤[17]。而3D 打印技术的引用：①应用于术中骨水泥的设计、分块设计及置入，根据模型制作与之更匹配的间隔物，避免在取出时破坏诱导膜。为解决骨水泥填充困难及去除时诱导膜损伤的问题，有学者在体外构建块状骨水泥并组装入体内。雷鸣等[18]在骨髓炎骨缺损患者采用体外制作多根骨水泥棒填塞物方法，于骨缺损端和缺损区采用诱导膜技术治疗。②由于骨缺损创面的不规则性，可应用于内植物的匹配塑型。根据模型制作个性化固定装置，使之更贴合骨骼，Chen 等[19]在术前通过3D 打印技术对于骨盆骨折部位进行实物打印，并进行钢板预制，术中证实预制钢板完美贴合。术前的充分准备与模拟手术可以缩短手术时间，减小手术创伤，提高疗效，获得满意的影像学效果。同时能为患者提供更直观的讲解。Ellen 等[20]认为3D 模型的应用不仅美观而且实用，更能受到患者的信赖。

4.1.3 预手术模拟

实体模型的制作会熟悉手术，通过模拟手术操作，明确复位角度、长度，选择更优的固定位置及置钉位置，确定螺钉的数量，测量置钉长度。根据模型缺损将制作的间隔物置入缺损区，评估其难易程度及吻合程度并调整，为术中做好预案。多次的模拟为患者提供个性化的手术，减小手术创伤、缩短麻醉时间，减少并发症。Kim 等[21]报道了对1 锁骨骨折和髋臼骨折患者3D 打印骨骼模型的经验，确认了术前骨骼模型的应用，有利于寻找最佳复位，确定固定板的位置，增加对骨折类型及区域解剖学的理解，简化手术过程，缩短手术时间，减少手术创伤。

4.2 个性化手术方案

由于个体化的差异，根据患者打印的骨骼模型，详细了解受伤区域的解剖结构，通过模拟手术，寻找最优的手术入路及手术方案，根据受伤类型为患者制定个性化的手术方案。根据术前模拟的切口位置，逐层切开软组织，充分暴露缺损区，彻底清创后按模拟角度、位置对骨折进行复位，置入已完成塑型的骨水泥。同时将个性化固定物固定骨折端。Xia 等[22]对3D 打印技术制备模型在髋关节病例术前术中应用的总结中发现，进行术前造模、模拟手术，可明显缩短时间，提高成功率，减少辐射暴露。

4.3 Ⅱ期植骨

最新研究[23]发现在诱导膜中，在造膜术后4-6 周微血管化及促成骨因子达到最大值。故选择在此时进行第二次手术，有利于促进植骨愈合。术中切开形成的白色纤维膜，取出骨水泥，由于术前的塑型，有效了避免了传统骨水泥造膜取出时对诱导膜的损坏，置入松质骨或松质骨与骨替代品的混合物。诱导膜的完整性缩短愈合时间，提高愈合率。丁强等[24]认为诱导膜的不完整易造成骨折不愈合或愈合不全。

5 存在的不足

3D 打印技术作为辅助手段在骨科临床运用中具有众多优势，然而现实中诸多因素限制了该技术的推广应用。第一，3D 打印技术模型的制作大多需要专业的团队，设备及材料的价格相对高昂，而对于基层医院而言，通常不具备这样的条件；对于患者而言，难以承受。目前，难以广泛的普及；第二，从获得数据到模型制作往往需要几小时至几天不等的时间，限制了它在急诊手术时的应用[25]；第三，骨缺损往往需要彻底清创，在制备骨缺损模型中结合影像学资料确定合适的截骨面成为手术的关键环节。

6 结论与展望

诱导膜技术在过去的几十年里，发展的越来越成熟，临床中取得了显著的效果。3D 打印技术的出现，术前精准的评估，模型制作，手术预案、模拟，固定装置的个性化设计、制作，缺损区塑型的设计与应用，使手术更加精确、符合患者个体化的需求。更能明显缩短麻醉时间、减少术中出血量、增加安全性及成功率，降低术后并发症的发生。