3D打印人工椎体在脊柱转移瘤整块切除后脊柱稳定性重建中的应用

王林 高嵩涛 刘继军 罗建平 张俊娟 钟楚楠 张瑜哲 牛科润

河南省人民医院骨科（郑州450003）

脊柱转移瘤是脊柱最常见的肿瘤，约有30%～70%的恶性肿瘤会出现脊柱转移［1］。脊柱转移瘤可造成严重的骨质破坏，影响脊柱稳定性和脊髓的神经功能［2］。据研究［3］显示，5% ～10%的脊柱转移患者会出现脊髓及神经根的压迫症状，严重者可导致截瘫，大大影响患者的生存质量。

手术仍然是切除肿瘤组织、解除神经压迫最有效、最直接的方式。随着外科技术的不断提高，多数脊柱转移瘤病灶均能够有效切除边界，其有利于降低肿瘤局部复发率并延长患者的远期生存时间［4］。然而整块切除创伤大，切除了脊柱的骨性结构、小关节、韧带、椎间盘等，脊柱彻底失稳，需要对脊柱连续性、稳定性进行重建。传统的重建材料有自体髂骨块、人造骨柱、钛网等，但存在着融合率低、界面吸收、塌陷、移位等问题［5］。

随着3D 打印技术的发展，3D 打印植入物在骨科的应用范围不断拓展。3D 打印人工椎体具有与人体自身椎体相似的弹性模量、良好的组织相容性和机械强度、适合骨长入的微孔结构，这些均使个体化人工椎体重建脊柱转移瘤术后骨质缺损成为可能［6］。国内外对于脊柱转移瘤整块切除后使用钛网和3D 打印人工椎体重建其稳定性的对比研究鲜有报道，本研究回顾性分析我科2016年5月至2020年5月脊柱转移性肿瘤整块切除术后行3D 打印人工椎体材料和钛网材料重建患者的资料，并对两种重建材料术后疗效、并发症情况进行对比，现报告如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料根据纳入与排除标准，选取自2016年5月至2020年5月于我院行脊柱转移性肿瘤整块切除手术的患者。纳入标准：（1）病理结果明确为脊柱转移性肿瘤；（2）出现病理性骨折或有明确脊髓压迫症状；（3）脊柱转移病灶仅累及单个椎体；（4）于我院行椎体整块切除手术治疗，并接受3D 打印人工椎体或钛网重建脊柱。排除标准：（1）临床评估患者预期寿命较短，小于6 个月［7］；（2）合并其他脏器多发转移患者；（3）脊柱转移为复发病灶或累及多个椎体；（4）一般情况较差，合并严重糖尿病、肾病、心血管系统（如高血压、心梗、心律失常）、免疫系统及血液系统疾病无法耐受手术。

根据术中使用的重建材料分为两组。使用3D打印人工椎体材料重建的为观察组，共24 例患者，男14 例，女10 例，年龄45 ～72 岁，平均（55.2 ±5.3）岁；使用钛网材料重建的为对照组，共24 例患者，男13 例，女11 例，年龄42 ～75 岁，平均（52.4 ±6.2）岁。手术前对所有患者均进行了预后评估，包括Tomita 评分［8］和Tokuhashi 评分［9］。两组一般资料差异无统计学意义（P＞0.05，表1）。

表1 两组患者一般资料对比Tab.1 Comparison of general data between the two groups例

1.2 植入材料 3D 打印人工椎体：由北京爱康宜诚医疗器材有限公司提供，材料为多孔型钛合金（金钛-6 铝-4 钒），孔隙率为80%左右，孔隙结构为（800 ± 200）μm，杨氏模量为（2.5 ± 0.2）GPa，前凸角为0/4/8 度。规格：颈椎人工椎体直径12/14 mm，高度12 ～90 mm（2 mm 递增）；胸腰椎人工椎体直径12×18 mm～18×24 mm，高度25 ～120 mm（5/10 mm 递增）。钛网：由北京理贝尔生物工程研究所有限公司提供，材料为钛合金，圆柱形状，直径为12/14 mm，厚度1 mm，最大高度为100 mm。颈前路钛板螺钉系统：由北京理贝尔生物工程研究所有限公司提供，材料为钛合金，钛板长度为22 ～88 mm，螺钉直径为4/4.5 mm，长度为12 ～18 mm。胸腰椎钉棒系统：由上海锐植医疗器械有限公司提供，材料为钛合金，螺钉长度30 ～50 mm，直径为3.5 ～7.5 mm。

1.3 手术方法

1.3.1 术前栓塞术前1 周内，患者在局麻下由介入科医师行血管造影术以明确肿瘤供血情况，为减少术中出血，选择性地给予血管栓塞。为避免栓塞物脱落入颅，一般颈椎肿瘤血管不栓塞。

1.3.2 肿瘤椎体的切除以胸腰椎肿瘤为例，全身麻醉后采取俯卧位，以病椎为中心做后正中切口，长度范围包括病椎上下各两个阶段椎体，依次切开皮肤、皮下、筋膜，分离椎旁肌肉并向两侧牵开，分离软组织时注意避免进入肿瘤组织。于病椎上下两个椎体分别置入椎弓根螺钉，切除肿瘤椎体时交替连接两侧连接杆，整块切除肿瘤椎体，彻底减压脊髓及神经根，蒸馏水、化疗药物交替浸泡灭活术区，处理残留椎间盘组织，刮除上位椎体下终板软骨和下位椎体上终板软骨以准备融合界面，注意保护脊髓、神经根及椎体前方血管，严密止血。颈椎肿瘤采用平卧位，颈前路入路切除肿瘤组织。

1.3.3 重建观察组：测量缺损高度，试模安装，选择合适规格3D 打印人工椎体，制备异体骨颗粒填塞于中央植骨管道内，将人工椎体放置于缺损区并调整位置，适当加压相邻椎体保证骨-人工椎体界面紧密贴合，透视确认假体位置良好。胸腰椎肿瘤病例连接椎弓根螺钉连接杆及横联，颈椎肿瘤病例安装颈前路钛板螺钉固定（图1）；对照组：取异体骨颗粒紧密填塞于修剪后的钛网内，其余步骤同观察组（图2）。

图1 胸椎转移瘤整块切除并3D 打印人工椎体重建Fig.1 Thoracic metastases were resected en bloc and reconstructed with 3D printing artificial vertebral body

图2 胸椎转移瘤整块切除并钛网重建Fig.2 Thoracic metastases were resected and reconstructed with titanium mesh

1.4 术后处理肿瘤标本送常规病理，明确原发肿瘤类型。术后常规卧床，指导双下肢功能锻炼，给予预防感染、消肿、止痛等药物应用，术后1 周内给予甲泼尼龙静脉输液以减轻脊髓、神经根水肿。引流量24 h 少于20 mL 时拔除引流管。切口愈合并拆线2 周后开始原发肿瘤的内科治疗。

1.5 疗效评价标准

1.5.1 一般指标记录患者手术时间（从皮肤切开到皮肤缝合完毕）、出血量（纱布估计出血量+吸引器瓶内液体量-术区冲洗量）。

1.5.2 疼痛评价采用疼痛视觉模拟评分（visual analogue scale，VAS）系统于患者术前、术后1 周对疼痛程度进行评估，并计算缓解度，缓解度=（术后1 周评分-术前评分）/术前评分×100%［10］。

1.5.3 神经功能评价采用JOA（Japanese Orthopaedic Association Scores）评分系统对患者脊髓功能评分，并计算术后1 周、3 个月、6 个月、末次随访时的改善率，改善率=（随访时评分-术前评分）/（17-术前评分）×100%［11］。

1.5.4 术后椎体融合情况6个月后行脊柱X线及

CT 检查，评估人工椎体或钛网与相邻椎体整合情况，具体评估标准如下：（1）确定融合，影像学检查观察到骨重塑，人工椎体或钛网与上下临近终板骨界面处有骨小梁穿过；（2）可能融合，人工椎体或钛网完整，但与邻近椎体未完全重塑和整合，无明显放射透亮带；（3）可能不融合，人工椎体或钛网完整，但与邻近椎体间有明显放射透亮带；（4）确定不融合，人工椎体或钛网断裂、移位或下陷［12］。

1.5.5 沉降情况及稳定性评价由融合节段的高度及曲度变化作为评价指标，通过脊柱X 线侧位片测量术后1 周、3 个月、6 个月、末次随访时融合节段椎体前缘高度（height of anterior bone，HAB）、椎体后缘高度（height of posterior bone，HPB）和cobb 角数值，并计算其与术后1 周（等同于术后即刻）的差值［13］。

1.6 统计学方法采用SPSS 24.0（IBM，美国）统计软件包进行统计分析，计量资料用均值±标准差表示，两组间比较统计分析采用两独立样本t检验，同一组内不同时间点间计量资料的比较采用配对样本t检验；两组间计数资料的统计分析采用卡方检验。P＜0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 一般指标手术时间：观察组（322±42）min，对照组（355 ± 30）min，观察组手术用时少于对照组，差异有统计学意义（P= 0.003）；术中出血量：观察组（2 229±231）mL，对照组（2 420±273）mL，观察组术中出血量少于对照组，差异有统计学意义（P=0.012）。

2.2 疼痛评价VAS 评分：观察组由术前（7.4 ±1.4）分降至术后（2.2±0.8）分，对照组由术前（6.8±1.1）分降至术后（2.4 ± 1.0）分，两组患者术后VAS评分均较术前明显下降（P＜0.001）。观察组疼痛缓解度（70.4 ± 11.5）%，对照组疼痛缓解度（65.8 ±11.2）%，差异无统计学意义（P=0.164）。

2.3 神经功能评价两组患者术前JOA、术后1 周JOA 评分及改善率差异无统计学意义，术后3、6 个月、末次随访JOA 评分及改善率观察组均高于对照组，差异有统计学意义（P＜0.05）。见表2。

表2 两组患者JOA 评分及改善率Tab.2 JOA score and improvement rate of two groups x±s

2.4 术后并发症48例患者随访时间为10 ～45个月（平均20.4 个月），所有患者术中无脊髓或大血管损伤或排异反应出现。观察组与对照组术后出现脑脊液漏各2 例，改变体位、延迟拔管后均顺利愈合；观察组1 例胸7 椎体转移瘤患者术后出现切口浅表感染，加强换药、延长敏感抗生素应用后顺利愈合，对照组1 例肺癌并胸4 椎体转移瘤患者术中出现胸膜破裂，术后肺部感染，转ICU 治疗后感染得到有效控制。

2.5 术后椎体融合情况两组患者植入物与相邻椎体融合情况见表3，两组融合情况差异有统计学意义（P=0.020）。

表3 两组患者植入物与相邻椎体融合情况Tab.3 Fusion of implants and adjacent vertebral bodies in two groups 例（%）

2.6 沉降情况及稳定性评价术后3、6 个月及末次随访时，观察组HAB、HPB 及cobb 角度的减小值均小于对照组，差异有统计学意义（表4）。

表4 两组患者沉降高度及曲度变化Tab.4 Changes of settlement height and curvature in two groups ±s

表4 两组患者沉降高度及曲度变化Tab.4 Changes of settlement height and curvature in two groups ±s

注：减小值均为与术后1 周的差值

术后3个月术后6个月末次随访HAB减小值（mm）HPB减小值（mm）cobb角减小值HAB减小值（mm）HPB减小值（mm）cobb角减小值HAB减小值（mm）HPB减小值（mm）cobb角减小值观察组1.10±0.29 1.00±0.23（0.5±0.4）°1.38±0.31 1.27±0.30（0.7±0.5）°1.57±0.42 1.51±0.46（0.9±0.6）°对照组2.11±0.45 2.00±0.34（1.4±0.2）°2.46±0.48 2.30±0.37（1.9±0.4）°2.64±0.49 2.49±0.44（2.2±0.6）°P值＜0.001＜0.001＜0.001＜0.001＜0.001＜0.001＜0.001＜0.001＜0.001

3 讨论

随着恶性肿瘤临床治疗效果的提高，大约有70%的恶性肿瘤患者会出现脊柱转移［14］。脊柱转移性肿瘤手术成功的关键在于周密的术前规划、术中彻底切除肿瘤以及重建脊柱的稳定性［15］。手术切除脊柱转移瘤后能否有效重建，其中一个重要因素就是重建材料的选择。传统的重建材料包括自体髂骨块、异体骨或人造骨柱，以及各种金属重建材料如钛网、人工椎体等。自体髂骨取材方便、价格低、融合率高，但自体髂骨取材后可导致供区感染、血肿、疼痛和感觉障碍等并发症［16］。异体骨或人造骨柱同样存在排异、融合率低、弹性模量不匹配等缺点［17］。钛合金由于其良好的生物相容性、高强度和耐腐蚀的特点已经被广泛应用于椎体切除后的重建。然而，钛网由于其与相邻椎体接触面积较小，弹性模量较高，其术后并发症如钛网沉降、移位以及不融合等并不罕见［18］。

近年来随着数字化技术在骨科的广泛应用，3D 打印为脊柱转移瘤切除术后重建带来了新的选择方案，其具有更好的个体化设计，与相邻椎体解剖形态匹配良好，生物稳定性强，但有关其与钛网在脊柱转移瘤切除术后重建的对比研究较少。本研究对脊柱转移性肿瘤切除术后行3D 打印人工椎体材料和钛网材料重建患者的临床资料进行了对比分析，发现3D 打印人工椎体组手术时间和术中出血量均小于钛网组（P= 0.003 和P= 0.012）。手术操作中需要经历撑开相邻椎体-测量高度-植入重建物-加压的过程，因此手工截取相应长度钛网存在因测量导致的误差，而3D 打印人工椎体可以根据术前测量预先制备相应高度的假体，与真实缺损高度误差较小；且钛网和3D 打印人工椎体生产工艺存在区别，钛网需要反复修剪并测试与相邻终板的契合度，3D 打印椎体上下缘的弧形或斜坡形设计能更好地与邻近终板吻合，大大降低了安装的难度和时间［19］，同时减少了术中的出血量。

为了评估3D 打印人工椎体和钛网在脊柱转移瘤术后解剖和功能重建的差异，本研究对两组术后椎体融合情况、沉降情况及稳定性评价进行了评估。结果显示，术后6 个月，3D 打印人工椎体组总体融合率为87.5%，钛网组总体融合率为62.5%，两组融合情况差异有统计学意义（P= 0.020）。术后3、6 个月及末次随访3D 打印人工椎体组塌陷速度均小于钛网组，生理曲度恢复速度大于钛网组，差异有统计学意义（P＜0.05）。YOSHIOKA 等［20］对47 例食管癌脊柱转移患者行全椎体切除术并钛网植骨重建，其研究发现30 例患者（63.8%）发生下陷，其中22例术后1个月CT即发现下陷。钛网与终板因无法完全契合易导致应力不均、局部点状压强过大，不仅容易高度丢失且延长愈合时间。3D 打印人工椎体与相邻终板吻合度高、接触面积大，有利于分散承重力量，进而降低塌陷率。且3D 打印人工椎体的海绵状微孔结构更接近于人体骨组织中的哈氏管，更易于骨长入，有利于提高愈合率、降低愈合时间［21］。而术后脊髓神经功能的恢复有赖于椎体高度的维持和曲度的恢复，这也解释了本研究中虽然术后1 周JOA 评分及缓解率两组无明显差异，但是术后3、6 个月及末次随访时3D 打印人工椎体组JOA 评分及改善率均高于钛网组。

本研究仍存在一定的不足：（1）随访时间较短，未对患者术后肿瘤控制率、生存时间和预后影响因素进行相关统计；（2）随访病例较少且仅为单中心研究，之后需要扩充样本量并联合多中心研究；（3）影像学检查中因存在金属伪影导致测量存在一定偏差，因此尚需要优化影像技术及测量精度。

综上所述，3D 打印人工椎体作为脊柱转移瘤切除术后重建材料，能降低手术时间、减少术中出血，且不易出现假体下沉并发症，能更好地维持脊柱高度和曲度，提高总体融合率，在脊柱转移瘤的手术治疗中有较好的临床效果。