3D打印技术在上颌骨切除术后缺损修复中的应用

赵珍珍 皇甫辉

(1.山西医科大学第一临床医学院 太原 030001；2.山西医科大学第一医院耳鼻咽喉头颈外科 太原 030001)

上颌骨参与眶底、眶下裂、颧骨上颌骨复合体、鼻腔底部和外侧壁等重要结构的构成，对面中部美学形态及功能具有重要意义。颌面部骨缺损常因肿瘤切除、外伤、感染等原因引起，各种原因造成的上颌骨缺损会严重影响吞咽咀嚼、咬合发音、通气等重要生理功能[1-2]。上颌骨缺损的修复方法主要包括自体组织修复和赝复体修复[3-4]。近20年来，3D打印技术的逐渐成熟使得自体组织瓣修复法日趋精准化、个性化。本文主要就3D打印技术在自体组织瓣修复上颌骨缺损中的应用现状进行论述和展望。

1 重建目标

重建目标[2,5-6]：①分隔口-鼻腔、鼻腔-颅内；②修复眼眶和(或)保留鼻泪管系统以防溢泪，避免术后睑外翻、下眼睑松弛；③修复面中部的骨性支架以保持上下颌的正常颌位关系，实现良好的吞咽和咀嚼功能；④为术后种植义齿以修复牙列提供骨性支撑；⑤恢复颌面部美学形态。

2 缺损分类

自Ohngren提出应对上颌骨缺损进行分类后，至目前国内外学者提出了10余种独立的分类方法[7-8]。Brown分类法[3,8]虽相对复杂，但缺损类型之间定义明确，易于区分；同时将修复方法和功能预后联系起来，对上颌骨的三维缺损进行了较为准确的分类。Brown分类法在垂直方向上自牙槽突至颅底将缺损分为Ⅰ～Ⅵ类：Ⅰ，上颌骨低位切除术后，牙槽缺损不伴有口鼻瘘或口腔上颌窦瘘；Ⅱ，口腔上颌窦相通但眶底完好的上颌骨次全切术后缺损；Ⅲ，去除眶底板但保留眶内容物的全上颌骨缺损；Ⅳ，去除眶内容物的全上颌骨缺损；Ⅴ，去除眶内容物及部分毗邻的上颌骨，但保持牙槽突和硬腭完整性的眶上颌缺损；Ⅵ，保持牙槽突和硬腭完整性的鼻上颌缺损。水平方向上根据腭部和(或)牙槽部的缺损范围分为4类：a，未累及牙槽突的单纯硬腭缺损；b，内外径未过中线，≤50%的单侧上颌骨缺损；c，前后径≤50%的双侧上颌骨前份缺损；d，内外径超过中线且＞50%的上颌骨缺损。

由此可见未涉及软硬腭的缺损可能主要影响颌面外形，而涉及硬腭和牙槽突的缺损主要影响口腔功能。缺损的分类是制订个性化治疗方案的重要依据，过于细致的分类可能会增加不必要的复杂性。Brown分类覆盖了绝大多数临床常见缺损，临床契合度高，是目前国际常用的缺损分类法[3,7-8]，故以下主要讨论数字化3D打印技术辅助不同自体组织瓣在Brown缺损分类中的应用。

3 3D打印辅助血管化皮瓣修复上颌骨缺损

常用于上颌骨修复的自体组织瓣包括颞肌瓣[9]、股前外侧皮瓣[10]、腓骨瓣[11]、前臂肌皮瓣[12]、髂骨瓣[13]，以及异体组织如钛网[14]等。小范围的缺损常用前臂肌皮瓣及带蒂颞肌瓣，而中等至较大范围的缺损则采用带血管蒂骨肌复合瓣修复[3-4,9,11]。使用传统、非计算机辅助技术治疗大型解剖缺陷的复合游离皮瓣，因为与正常解剖结构偏差巨大，可能会导致结果不满意，使得骨骼的正确定位更加困难和复杂[15]。3D打印技术辅助自体组织瓣修复上颌骨缺损的原理是：术前根据影像学及镜像技术获得上颌骨的三维重建外形数据，利用3D打印技术预制骨瓣塑形导板用于术中骨瓣塑形。

3.1 3D打印技术结合血管化腓骨瓣 1989年Hidalgo等[16]提出腓骨游离皮瓣，后成为许多外科医师重建上颌骨缺损的主要选择。游离腓骨瓣在腭颌重建中具有以下优势[17-18]:①可提供较长的血管化骨以供截骨塑形；②携带长屈肌，提供足够组织量以填充上颌窦腔，完全封闭口-鼻瘘；③较易获取，供区耐受性良好；④可团队协作手术。血管化腓骨瓣的组织量足够用于BrownⅠ或Ⅱ类和部分Ⅲ类缺损修复[8]。不足包括：细棍状的腓骨瓣塑型较为困难；骨瓣过大，无法固定；骨瓣过小，骨之间连接欠佳可能导致感染性骨髓炎[19]。部分患者可出现供区慢性疼痛，运动灵活性及肌力的下降。在老年患者中，外周动脉的粥样硬化可能会影响腓骨瓣的成活率，所以术前、术中评估血管状况对于减少供区并发症同样具有重要意义。

目前数字化技术及3D打印辅助腓骨瓣修复上颌骨缺损具有下列优势[9,15,20-21]：①很大程度上避免了截骨范围不当、移植骨就位不准、腓骨塑形困难等风险；②简化了手术过程，缩短了手术时间；③手术流程在虚拟手术系统数字量化控制之下，实现了尽可能精准重建上颌骨外形及功能的目的；④极大地提高了患者的术后生存质量；⑤缩小了外科医师之间修复经验和水平方面的差距。

何时知等[11]观察了13例行单侧上颌骨全切或次全切的缺损修复术和术后修复结果，采用3D打印辅助设计个性化游离腓骨瓣修复此类缺损，术后10例(76.9%)患者可正常进食，无鼻腔反流；全部患者均未出现视力下降和复视，眼位正常；11例(84.6%)患者发音效果满意，12例(92.3%)患者对术后外观的恢复效果满意。李文鹿等[20]通过数字化及3D打印技术精确制作个性化钛网，对8例单侧上颌骨缺损患者行修复治疗，随访观察证实术后游离腓骨瓣全部成活。

3.2 3D打印技术结合钛网和前臂皮瓣 前臂皮瓣具有血管蒂较长、管径粗、获取和血运重建较容易的优点，组织薄而软，折叠后可满足软、硬腭修复及磨牙后区软组织缺损修复，术后成活率高[12,22]。

Ferrandis等[12]回顾分析了前臂桡侧皮瓣用于头颈部缺损修复的58例患者，皮瓣的存活率为82.8%。Choi等[23]应用前臂桡侧游离皮瓣修复1例面颈部术后颌面缺损的患者，术后3块前臂串联皮瓣均成活，但患者的面部美学效果较差。

3D打印技术辅助形成个性化钛网最具优势之处是，术后面部外形几乎可以做到完全对称，相较传统钛网，患者口-鼻腔得到更有效分隔，患者语音、吞咽功能等得到最大程度的恢复。但使用个性化钛网增加了二期种植义齿的困难。张彤媚等[24]利用3D技术辅助前臂皮瓣+个性化钛网即刻修复上颌骨Ⅲb类缺损，这部分患者均未能二期种植义齿。

由此可见，血管化前臂桡侧肌瓣联合个性化钛网是修复BrownⅢ类缺损的适宜方法；若为BrownⅡ类缺损，采用血管化组织瓣重建能获得较为满意的外形和发音，口鼻腔封闭。与腓骨肌皮瓣、髂骨肌皮瓣、肩胛骨肌皮瓣相比，血管化前臂肌瓣修复技术难度低、供区并发症少、皮瓣成活率较高[12,17,22]。但由于前臂肌皮瓣不能携带大量骨组织，其可塑性不高，需要后期种植体植入的患者需选择骨肌游离组织瓣；另外取桡侧前臂皮瓣的患者对供区皮肤外观的接受度较低，使得其在头颈部缺损修复中的应用受限。

由上述研究可见，对眶底骨的缺损修复是为了维持鼻腔结构和眼眶容积，避免面中部畸形。3D打印辅助钛网适合用于修复 BrownⅤ和Ⅵ类上颌骨缺损，相较于软组织瓣，带骨组织的复合瓣更具优势。

3.3 3D打印技术结合旋髂深动脉游离皮瓣 对于BrownⅡb～Ⅲ d类且伴有面中部皮肤缺损，游离骨肌皮瓣难以提供更大的皮肤软组织瓣，或者无法在修复面部皮肤缺损的同时很好地充填上颌骨缺损。股前外侧皮瓣虽有组织丰富、可携带阔筋膜、设计形态多变等优点，但无法提供一个稳定的骨架平台以关闭口鼻交通恢复口腔功能，为眼球提供骨性支撑。腓骨游离皮瓣在颧骨复合体、眶底和牙槽嵴等较大的上颌缺损的应用是有限的。而相较腓骨骨肌瓣，即使是在眶内容物缺失的情况下，旋髂深动脉(deep circumflex iliac artery，DCIA)游离皮瓣也可以获得更自然的面部轮廓[13]。根据Brown等[8]的观点，对于Ⅲa类缺损患者应优先考虑重建硬腭和眶底，而腓骨及肩胛骨瓣的高度和骨量都不足以支撑整个上颌骨。因此涉及软硬腭且缺损超过同侧颧部皮肤的上颌缺损重建术需要大量的骨骼和软组织，骨皮复合游离皮瓣则必不可少。

1979年Taylor等[25]首次报道了以DCIA为蒂的血管化骨骼瓣的优越性，后被广泛应用于下颌骨缺损的修复，但上颌骨的重建远难于下颌骨。DCIA皮瓣修复较大上颌骨缺损具有以下优势：①足够的骨量来重建眶缘底部、上颌骨前壁和牙槽突；②髂嵴的自然曲度利于重现上颌骨的轮廓；③供区并发症少，携带腹内斜肌时重建腭体，能很好地进行黏膜化，为种植体的康复提供了一个理想的软组织平台。1996年Brown[26]将以DCIA为蒂的髂骨-腹内斜肌瓣应用于上颌骨Ⅲ类缺损，效果良好，使得髂骨复合组织瓣逐渐成为修复上颌骨较大缺损的主要组织瓣之一；2004年廖贵清等[27]利用血管化髂骨复合组织瓣对2例分别为BrownⅡa类和Ⅲb类缺损的患者行上颌骨修复重建，经术后随访，组织瓣均成活，总体临床效果满意。2015年Grinsell等[13]回顾分析了11例利用改良DCIA皮瓣行上颌骨缺损修复的患者，术后皮瓣大多成活、吞咽及言语功能均恢复良好，2例复发，仅1例出现皮瓣相关并发症，1例对颌面外形的恢复不满意。

目前为了实现个体化、微创和功能性重建上颌骨缺损，在3D打印手术导板引导下收集并成形的DCIA皮瓣广泛应用于单侧或者双侧上颌骨较大缺损的修复。

Jang等[28]报道了1例因上颌窦鳞状细胞癌行单侧全上颌骨切除术后，3D打印技术辅助血管化髂骨瓣成形，骨瓣与缺损部位几乎重叠，确定了合适的三维解剖位置来支撑眶缘和面颊，同时实现了上颌弓形状的重建。对于双侧上颌骨缺损的患者，3D打印技术辅助血管化髂骨瓣修复可获得比较精准的颌位关系；白石柱[29]报道了1例典型双侧上颌骨缺损修复病例，其利用3D打印技术将血管化自体髂骨瓣骨块准确塑形并固定于缺损区，术后患者及家属对外形容貌恢复效果满意，同时咬合功能恢复良好。Breik等[30]通过利用3D打印技术精确塑造髋部DCIA节段重建了1例左侧上颌骨缺损，2周后黏膜化良好，术后6周移植部位美学及功能均恢复满意。

总之，DCIA皮瓣可用来修复BrownⅡ～Ⅳ类缺损[13，28]，主要通过调整髂骨的截取深度，必要时利用钛网辅助重建眶底，携带腹内斜肌来填充眶腔。主要不足之处有2点：其一，血管蒂较短，吻合后过大的血管张力可能是导致吻合口出血或血管闭塞和血栓形成的主要原因；其二，对于肥胖患者获取DCIA瓣较为困难。值得注意的是，髂骨的骨质多为松质骨，要保证种植体良好的一期稳定性，选定适当的截骨范围尤为重要。

4 3D打印在鼻内镜联合传统手术路径切除部分上颌骨术中的应用前景

对于部分上颌窦恶性肿瘤患者，传统开放式手术难以发现鼻窦“腔洞”或隐窝内的病变。单纯鼻内镜入路又难以明确切除肿物的安全界。采用鼻内镜联合传统开放式上颌骨切除术可使腔洞内微小病灶及可疑病灶得以放大，以期达到彻底清理恶性肿瘤病灶的目的。李慧等[31]联合鼻内镜和传统手术完整切除上颌窦恶性肿瘤及部分上颌骨29例，3年存活率和5年存活率分别为72%和61%，生存率与传统手术相比未见下降，且尽可能保全了上颌骨结构及鼻窦功能，可见内镜辅助上颌骨部分切除术或上颌骨全切术治疗上颌骨恶性肿瘤是可行的。陈敏等[32]回顾分析了9例采用3D打印辅助鼻内镜下经鼻入路开放鼻窦手术，术后随访6月余，均未见肿瘤复发。3D打印辅助鼻内镜下行鼻颅底手术，实现了术前设计、模拟及术后预测，有助于肿瘤切除范围的确定和缺损重建，可提高手术治疗的精确度及患者术后的生活质量。陈秀峰等[33]报道了1例3D打印联合内镜辅助下巨大含牙囊肿切除+上颌骨重建手术，打印材料选择聚醚醚酮(polyetheretherketone，PEEK)，术后未出现面容畸形、面颊部麻木、牙齿脱落、鼻腔黏膜粘连等并发症。

5 3D打印生物材料、3D打印软骨、骨支架在上颌骨术后缺损修复中的应用

鉴于钛网在上颌骨修复应用中存在易变性、抗力不足等缺点，PEEK作为可精确塑形又具有良好生物相容性及抗感染能力的人工骨组织替代材料应用越来越多，它可防止术后组织挛缩和张力增加引起的皮肤破溃和感染，临床中利用PEEK材料对上颌骨术后缺损的患者进行个性化修复,其美学和功能恢复效果较为理想，3D打印技术可辅助PEEK精确塑形。吕明明等[34]利用3D打印辅助制备个性化PEEK，联合股前外侧穿支皮瓣二期修复单侧上颌骨较大缺损，可以完全分割口-鼻腔；联合腓骨肌皮瓣及种植义齿的患者可极大限度重建咬合关系,恢复口腔语音、咀嚼等功能，13例患者修复术后眼球内陷、下移症状均明显改善。Mishra等[35]总结研究发现PEEK的表面修饰似乎能够增强其植入材料的细胞黏附、增殖、生物相容性和成骨性能，PEEK还可影响生物膜结构，减少种植体周围炎症的发生率。在不久的将来，PEEK植入物还需要进一步的研究和更多的临床对照试验，以在未来替代钛,但PEEK的价格较为昂贵,限制了其临床应用。在颌面骨修复领域，钛网、PEEK、高密度聚乙烯等不可降解人工材料用于修复较大面积缺损，对于小面积缺损，常用羟基磷灰石、矿化胶原等人工合成骨修复材料。

对于BrownⅥ类缺损涉及鼻上颌骨及软骨的缺损，传统修复手段的供体并发症较多，对供体组织量和形状的要求较高。目前缺乏用于鼻腔重建的自体软骨类似物。3D生物打印支架是一种将活细胞和生物材料结合在一起生成三维结构的方法，可控制细胞在三维结构中的增殖、附着、分化和迁移，其在鼻软骨缺损修复中的应用促进了上颌骨术后缺损修复的发展。Xu等[36]首次将体外培养的鼻软骨细胞与聚乙醇酸/聚l-乳酸的混合物(3D打印获得的鼻外侧软骨模具)植入裸鼠皮下组织，工程软骨的组织学检查显示，工程软骨的细胞和组织形态学特征与天然鼻外侧软骨相似。结果表明三维打印辅助组织工程可以实现人类鼻翼软骨的精确三维形态。目前最常用的鼻软骨支架材料是聚己内酯(PCL)，用于软骨支架构建的其他材料有明胶-甲基丙烯酰胺和聚l-乳酸[37]。

借助3D打印技术制作个性化骨修复体修复颧眶-上颌复合体骨缺损，为临床颌面部复杂骨缺损修复提供新的选择。一项前瞻性研究[38]报道了5例颧眶-上颌复合体骨缺损的患者，术中对修复体的重建效果进行对比，2种修复体固定端偏移误差为2～3 mm；术后患者面部外形均恢复满意。这表明3D打印个性化修复体修复颧眶-上颌复合体骨缺损效果良好，但针对复杂结构的设计和制备，需考虑多种因素对最终修复效果的影响。

6 展望

实现颌面部功能重建和精准恢复患者容貌是修复的核心目标，也是外科富有挑战性的难题之一。目前用于上颌骨缺损修复的主要是多种血管化骨-肌复合组织瓣，不同皮瓣在不同缺损中的应用不同，对于哪种方法最优尚未形成共识。3D打印技术的逐渐成熟直接或间接提高了自体组织瓣在上颌骨缺损修复中的手术精确度，满足了微创性和个性化要求，复合精准医学的理念。近年来，部分国家已经开始了颌面部手术机器人的研制，该技术的临床应用相信能提供更加精准完美的治疗，同时3D打印器官和组织的准入问题也亟待解决。