3D 打印植入物在人工髋关节翻修中应用的研究进展

李钊 孙庆治 周成福

佳木斯大学附属第一医院骨科，黑龙江佳木斯 154002

全髋关节置换术（total hip arthroplasty，THA）是指用人工的股骨假体及髋臼假体置换病损髋关节，从而纠正畸形的关节，减轻患者疼痛，恢复其功能。THA 被誉为20 世纪的标志性手术，每年全球超过100 万例患者因此而受益。随着髋关节疾病年轻化与人口老龄化加重，THA 例数不断增加，导致人工髋关节翻修术例数也不断增加，美国每年进行5万多例人工髋关节翻修术，预计2030 年较2014 年人工髋关节翻修例数将增加43%～70%。THA 术后翻修最常见的原因是无菌性松动，其次是假体脱位、假体周围感染、假体周围骨折、聚乙烯内衬磨损等。需要翻修患者的髋臼常伴随着不同程度骨缺损，使手术难度增加，对外科医师是一个挑战，给需要翻修尤其是可能需要多次翻修的年轻患者增加了个人经济负担与社会医疗保险负担。然而，随着3D 打印技术的应运而生，并随着该技术的不断发展，为人工髋关节翻修处理骨缺损增加了新的选择。

1 传统翻修假体处理骨缺损在人工髋关节翻修术中应用的不足

髋臼骨缺损Paprosky 分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型，Ⅰ、Ⅱ型骨缺损通过假体处理，在临床中远期随访中取得了较好的临床效果。Ⅲ型骨缺损修补是关节外科最为棘手的手术之一，除了植骨还需要应用钛网加强环或加强块及特制三翼臼杯等，这些以标准尺寸和形状批量生产的植入物不是总能符合骨缺损形态，这些装置放置角度的调整影响了假体安放的准确度，往往需要绞削髋臼的残余骨量，增加了手术的难度，术后患者疼痛增加，髋臼旋转中心（hip center of rotation，HCOR）恢复不佳，严重影响患者的下肢功能和生活质量，患者满意度低。这些辅助装置虽然能提供有效的初始力学支撑，但机械的固定方式无法实现骨与假体的长入，远期面临疲劳松动风险。

2 3D打印植入物在髋关节翻修中的优势及在临床、基础中的研究进展

3D 打印技术根据制造方法类型又叫做增材制造或快速原型技术，它实现了从虚拟三维模型到实物模型的1∶1 复刻，在骨科制造假体方面有着广泛应用。

2.1 3D 打印在制造翻修植入物中的优势

2.1.1 个体化治疗 针对骨缺损，个体化治疗能匹配多种多样的骨缺损形状，按照原有的髋臼外展角和前倾角安放假体，恢复HCOR 和腿长，避免了传统假体翻修时因假体不匹配需要绞削髋臼使骨量二次缺失，并且减少了术中时间，也更加适合老年患者。

2.1.2 有利于早期骨长入和增加稳定性 3D 打印植入物有着比传统假体更高的孔隙率、更大孔径、更厚的多孔结构，相互连接的孔隙与天然骨结构相似，在早期有利于骨长入。另外可以为特定的杯子直径制造更薄的杯壁，即意味着为特定的头部尺寸选择较小的杯子，从而节省更多的骨量。多孔植入物的粗糙表面具有初始稳定性，而与骨相匹配的机械强度减少了应力屏蔽的发生，从而避免松动。Klasan等通过X 线测量表明，在翻修术2 年后，3D 打印小梁钛髋臼杯的周围骨矿物质密度与对侧原生髋关节表现相似，间接显示了3D 植入物的骨长入能力，而Dall'Ava等通过回收患者的髋臼3D 植入物进行组织学检查直接观察到3D 打印植入物中的骨向内生长较传统植入物骨量占据可用多孔空间几乎增加了1 倍（63%37%），背侧表面上的骨压力范围更大（91%74%），多孔结构中骨达到的骨–植入物接触（56%26%）和最大深度范围增加了1 倍以上（52%19%），直接证明了3D 打印植入物可增强骨的整合，从而实现充分地固定，显示了3D 打印支架作为髋部位置支架的优势。

2.1.3 提高置钉的安全性和准确性 借助3D 技术重建的虚拟模型精确设计钉孔的位置、角度和螺钉的长度，避开了重要解剖结构，降低血管、神经损伤的风险，减少术后并发症。

2.2 3D 打印植入物在临床应用中的研究进展

3D 打印植入物具有个体化优势，可以根据骨缺损的形态定制植入物，在临床应用广泛。

2.2.1 垫块 Fu等使用3D 打印垫块治疗PaproskyⅢ型髋臼缺损，显示髋关节功能评分（harris hip scores，HHS）由术前40.3 分提高到术后88.4 分，平均肢体长度差异术前为（31.7±4.2）mm，术后为（7.7±1.4）mm；HCOR 距耳坠线的平均垂直位置由术前的（50.7±3.9）mm 变为术后的（22.9±1.9）mm。

2.2.2 垫块与臼杯 李科伟等通过打印3D 垫块和臼杯修复PaproskyⅡ、Ⅲ型骨缺损，随访1.5～4.0 年，显示翻修后HCOR 与坐骨结节连线的垂直距离与健侧差值均在1cm 以内，假体和宿主骨愈合情况良好，假体周围均未见透亮区。

2.2.3 臼杯–垫块复合假体 冯德宏等通过3D 打印臼杯–垫块复合假体治疗Paprosky ⅡB 和ⅢA 型骨缺损，随访平均17.8（13.0～25.5）个月结果显示，HHS 由术前（32.3±5.1）分变为（82.7±7.1）分，通过电脑比对HCOR 高度和水平距离误差均<0.5cm。

2.2.4 带翼臼杯 Goriainov等通过3D 打印三翼臼杯联合双动头修复Paprosky ⅢB 型骨缺陷，即使在骨盆不连续的情况下，早期也可以实现出色的植入物存活和髋关节功能改善。Tack等发现使用3D打印三翼臼杯相对比传统定制三翼臼杯对于老年人经济负担更小，如果患者年龄较小则优势更大。

在处理感染方面，杨帅根据患者髋臼骨缺损形状，模拟边界+点云精确构建内部多空隙的假体模型，使用3D 打印出含髋臼杯假体，术中向内填充含抗生素的骨水泥治疗髋关节假体感染伴骨缺损，该患者HHS 由术前的34 分提高至植入临时假体术后6个月的75 分，视觉模拟评分由术前的8 分降至术后6 个月的3 分，维持肢体长度和早期关节的活动度，有利于Ⅱ期翻修。

2.3 3D 打印植入物在基础研究中的进展

3D 打印支架的目的是制作一种模拟髋部位置的支架，即具有细胞外基质特性、适宜的机械强度（承重和应力屏蔽）、足够的孔径以用于营养物质的运输和细胞生长。植入物的生物学性能主要取决于其固有的特性和表面结构与形态，而植入物的不同表面形态可能会掩盖真正内在的骨诱导性。在结构方面，Mehboob等设计的多孔股骨柄与致密股骨柄相比，应力屏蔽降低了28%，并得出多孔结构孔隙率会影响疲劳性能的结论。Chen等为了模拟骨骼的最佳结构，通过拓扑优化提出了整体采用渐变设计，微观设计采用不规则微孔设计的思路。Tan等通过拓扑优化在3D 打印下设计保留股骨中主要重塑方向的小梁骨，并选择性挖空股骨髋关节柄，在保持外部植入物形状的基础上，使得只有茎杆的刚度降低，实现了更自然的负载转移，减少应变屏蔽和提高植入物存活率，为设计髋关节植入物提供了一条新途径。在表面结构和形态方面，Molina等选择第2 代氨基末端全脂族酰胺基树突作为共价固定的支架，将三肽精氨酸–甘氨酸–天冬氨酸树枝状结构与钛表面的共价结合，该树枝结构作为多种细胞外基质蛋白中的一个共同结构或可通过整合素受体介导细胞与底物的附着，使成骨细胞增殖显著增加。Hu等通过磺化反应在聚醚醚酮上制备了含有氮化硅和钽微粒的微孔表面，展现出优异的抗菌和成骨的双重生物功能。郑清春等通过仿生学在钛合金关节表面设计出菱形结构，可以实现流体动压润滑，通过降低摩擦因数增强了关节的耐磨性能，并提高了关节的承载力。

在材料方面，镁不会对人体造成任何局部或全身毒性，且有着天然骨的生物相容性，但是不耐腐蚀与低机械性能，使其在假体制造方面应用少。随着技术的发展，Dong等通过基于挤压的3D 打印制备的MgF–CaP 涂层多孔镁，将支架的生物降解率降低到0.2mm/年，并在长达7d 的体外浸泡试验之前和期间，裸露和涂层镁支架的压缩机械性能均在报告的小梁骨值范围内，证明其耐腐蚀性的提高。Xie等通过在兔模型植入3D 打印Mg–Nd–Zn–Zr 植入物，利用镁合金降解维持种植体周围骨组织中的高Mg环境，并诱导巨噬细胞的抗菌活性，展示了良好的抗菌性。Xia等使用激光粉末床融合技术制造的纯锌支架在兔体内表现出设计良好的结构、适当的机械强度和适合骨再生的生物降解行为，其成骨特性展示了可应用于大骨缺损的潜力。与这些传统生物材料相比，纳米材料不仅具有高表面积与体积比，且尺寸范围更接近于天然骨结构，在提高细胞黏附和增殖率方面具有优势。Ren等通过将超声酸蚀与阳极氧化相结合的方法，将直径为40～50nm的纳米管阵列叠加在Ti–6Al–4V 植入物进行表面改性，体内和体外实验表明对成骨细胞增殖和分化有更好的促进作用。Nemcakova等通过物理吸附方法在Ti6Al4V 的氧化纳米晶金刚石（oxidized nanocrystalline diamond，O–NCD）涂层上形成的骨形态发生蛋白7（bone morphogenetic protein–7，BMP–7）均匀纳米结构层对比，仅有O–NCD 涂层的Ti6Al4V在体外及兔体内实验中表明，BMP–7 可在O–NCD涂层上紧密结合，并明显促进成骨细胞成熟和细胞外基质矿化增加。

在处理感染方面，Allen等在3D 打印下选择光固化硬质聚氨酯作为原型材料，其中装载有硫酸钙半水合物和庆大霉素，在治疗小鼠感染模型中证明了具有高强度装置的抗生素可以长期释放，以有效治疗假体周围感染。

3 3D 植入物在人工髋关节翻修使用中面临的挑战

3.1 缺乏3D 打印植入物对人工髋关节翻修的长期疗效及对年轻患者疗效的证据

目前，在3D 植入物应用髋关节翻修中小样本、单中心的队列临床试验虽展现了良好的早、中期稳定与骨长入能力，但是3D 打印的钽与钛合金等植入物不足，同时年轻患者THA 数量的增加，导致翻修数量的增加。3D 植入物对患者的长期疗效和对年轻患者的翻修效果，需要大量充足样本和长期随访的随机对照临床试验提供高级别证据。

3.2 3D 打印植入物的结构缺陷

市面上的3D 打印髋臼杯表面上有熔融金属珠，易于细菌黏附和生物膜形成，从而降低骨间充质干细胞的成骨活性，内部均显示出结构性空腔，这些空腔、部分熔融的颗粒和熔合不足缺陷的直径、位置、形状、密度、相互作用和方向将影响疲劳性能，需要提升生产工艺与后处理技术来保证植入物良好的抗菌、骨长入及疲劳性能。

3.3 3D 打印缺乏配套的理论与技术

3D 打印定制假体常用于大型复杂的THA 翻修患者，目前骨缺损最常用的两种分类系统为Paprosky和美国骨科医师学会的分类系统；二者的研究均主要集中在髋臼周围，而对远离髋臼和对髋关节生物力学特性产生重大影响的结构如髂骨翼、耻骨上支等骨盆区域的大型复杂骨盆缺损分类较少，缺乏指导特定的3D 打印假体设计以及如何避免在处理周围软组织时损伤重要神经和血管的理论指导，给医师提出了更高的要求。通过CT 制作的3D 模型是了解骨缺损、制造假体及术后控制的金标准，但是受CT 精度与金属伪影等影响，髋臼周围的硬化、疏松化骨质、坏死骨化和瘢痕化的组织无法被有效分辨，容易对骨缺损的程度造成误判，从而设计出不匹配的植入物以及未在最佳骨骼质量的区域设计螺钉位置，影响精确度，并且造成植入物微动。如何设计一个精准识别骨密度与骨质量的成像系统，从而显示真实髋臼状况成为一个难点。

3.4 人工髋关节翻修术是否需要选用3D 打印的股骨柄有待研究

与初次THA 相比，THA 翻修后股骨假体周围骨折的概率高出3倍。对骨质疏松患者和可能需要多次翻修的年轻患者需要格外重视，是否能在初次髋关节置换和翻修股骨柄时使用3D 打印多孔或选择性挖空的股骨柄，通过调整孔隙率等参数设计出与患者骨质量相适应的机械强度，从而减少应力屏蔽，避免因无菌性松动导致假体周围骨折，提高股骨柄使用年限还要进一步研究。

3.5 纳米材料应用于3D 打印植入物处在基础研究阶段

随着3D 工艺的进步，其精度已升至微米和纳米级，已有报道纳米材料包括金属、陶瓷、高分子等，从微米、纳米精度级别模拟天然骨结构以提高细胞黏附和增殖率。3D 喷墨打印机要在1～500µm 范围使用；电流体动力学打印机需要高度受控的加工环境以及使用表面活性剂和添加剂；立体光刻打印机受固化树脂的强度小与不能批量生产的限制，生产出的3D 植入物如氧化锆基陶瓷、聚乳酸–乙醇酸/二氧化钛纳米复合材料及聚离子复合物/多壁碳纳米管生物混合水凝胶等材料，与生物活性涂层中加入的BMP–2、BMP–7，均展现了在骨缺损中应用的潜力，但其应用于临床仍有很长的路要走。

3.6 定制3D 打印植入物需等待时间长与花费高

微纳米涂层与拓扑优化技术的使用使植入物结构更加复杂和精密，使3D 打印机需要更高的分辨率，要求植入物提高质量的同时需要更多时间来打印，且去除植入物中熔融的金属珠等缺陷会继续增加后处理时间并需要额外的设备。虽然随着3D 技术的不断发展，费用也会不断降低，但就目前来讲，对患者仍是较大的经济负担。

4 总结与展望

传统的翻修假体应对多种多样的严重骨缺损表现欠佳，而越来越多的研究表明3D 打印植入物在髋关节翻修中有着个体化匹配骨缺损和良好的骨长入能力，并取得了良好的早期和中期疗效。但3D 打印植入物面临着工艺流程不佳、花费高和等待时间长等挑战。近年来，3D 打印在材料种类、内部结构、表面改性及辅助技术等方面不断发展，找到最佳代骨骼制品指日可待，未来使用3D 打印的个性化植入物治疗髋关节骨缺损将是常态。