3D 打印钛合金胸骨治疗传统钛板胸骨重建术失败患者1 例报告及文献复习

刘 帅, 商圣涛, 尹腾程, 薛锦儒, 刘曦宇, 侯奕楠, 王 岩

（1.吉林大学中日联谊医院胸外科，吉林 长春 130033；2.东北师范大学校医院电诊科，吉林 长春 130024）

原发或继发的胸骨恶性肿瘤罕见［1］。目前手术切除是胸骨恶性肿瘤最佳的治疗方式。胸骨切除术目前应用广泛，但手术切除后的胸骨重建非常具有挑战性［2］。对于行胸骨切除手术的患者，胸骨重建应考虑重建后结构的稳定性和通气功能［3］，此外也应当重点考虑胸骨重建后患者的外观及舒适度［4］。目前对于胸骨重建材料的选择仍无金标准。对于如何稳定重建手术切除后遗留的巨大的骨性缺损仍是研究的热点和难点之一。国内外对该领域研究缺乏明确的临床证据，国外病例少见，而现代三维重建技术给胸骨切除术后重建提供了新的策略，被正畸和颌面外科医生广泛应用［5］。随着3D 打印技术的发展，2019 年至今采用3D 打印胸骨重建胸壁的报道逐年增加。因为中国人口基数大，因此大部分报道集中在国内，国外报道少见。本研究探讨采用传统修补和3D 打印钛合金胸骨重建胸骨及胸锁关节，对比患者术后上肢功能恢复情况和围术期恢复状态，阐明个体化3D 打印技术对患者预后的作用，为胸骨重建提供依据。

1 资料与方法

1.1 一般资料患者，男性，59 岁，2017 年无明显诱因出现前胸部疼痛不能缓解，于当地医院就诊，行胸部CT 检查提示胸骨占位性病变，2017 年10 月18 日于吉林大学中日联谊医院就诊，行胸部增强计算机断层扫描（computed tomography，CT）检查，结果显示：胸骨柄内见低密度团块影，边界清晰，动脉期CT 值为102 HU，静脉期CT 值为85 HU，最大横截面为2.1 cm×3.8 cm，邻近骨皮质变薄，部分显示不清，局部与其后方左侧头臂静脉分界较清晰。患者以“胸骨肿物”收入吉林大学中日联谊医院胸外科。入院后进一步完善相关检查。

1.2 体格检查和影像学检查患者体温36.5 ℃，心 率78 min－1，血 压102/78 mmHg， 呼 吸 频 率20 min－1，一般状态良好，睡眠饮食正常，二便正常，精神尚可，体质量无明显变化，查体配合。患者双上肢活动自如，活动后胸骨疼痛无缓解。进一步行CT 检查提示无全身转移迹象，考虑胸骨单发恶性肿瘤。完善术前和入院常规检查均未见异常。胸部增强CT 检查和肋骨重建结果均可见胸骨明显占位。见图1。

图1 胸骨肿瘤患者术前胸部CT 和肋骨重建CT 图像Fig.1 CT images of chest and rib reconstruction of patient with sternum neoplasm before operation

1.3 常规治疗方法患者未见明确手术禁忌证，2017 年10 月25 日于全麻下行沿两侧锁骨小头领形切口，胸骨正中“T”形切口，电刀分离至肋骨表面，探见胸骨肿物。结合影像学检查，给予距离肿瘤安全切缘下离断左右第1 和2 肋软骨、锁骨与胸骨结合处，并在胸骨角处横断胸骨。离断纵隔面粘连，完整取下肿物。局部骨缺损较大，以钛板置入，螺钉与周围肌肉组织及肋软骨、锁骨固定。见图2。术后石蜡病理回报为胸骨浆细胞瘤。患者术后仅出现上肢活动受限。常规换药可见皮肤切口愈合良好，未见红肿和渗出，患者术后体温正常，各项指标未见明显异常，患者无特殊不适主诉，未见明确免疫排斥反应。术后康复锻炼期间，患者未出现呼吸困难，可脱氧状态维持指脉氧为98%。术后1 年，出现术区疼痛，且前胸壁可触及钛网折断及变形，严重影响肢体活动。随后再次对患者予以胸部CT 和胸部三维重建检查，可见钛板塌陷断裂凹陷。见图3。

图2 胸骨肿瘤患者术中置入钛板与周围组织固定Fig.2 Titanium plate fixed with surrounding tissue of patient with sternum neoplasm during operation

图3 接受传统钛板胸骨重建术后患者胸部CT 和肋骨重建CTFig.3 CT images of chest and rib reconstruction of patient after sternal reconstruction with traditional titanium plate

1.4 3D 打印个体化治疗方法采用患者在吉林大学中日联谊医院原始CT 数据和特殊的数据处理软件，包括CAD 制图软件，Mimics （Materialize 公司，比利时） 和Geomagic Design X （3D Systems公司，美国），在2 周内制作出1 个电脑3D 模型，包括胸骨和肋骨植入物的3D 模型。见图4。采用直接金属激光烧结（direct metal laser sintering，DMLS）技术（EOSINT M280 机器，EOS GmbH Electro Optical Systems 公司，德国），制作出人工3D 打 印 钛 合 金 植 入 物［6］。3D 打 印 胸 肋 骨 质 量 为83.07 g，体积为180 mm×170 mm×28 mm。上下幅度：左胸锁关节90°、右胸锁关节45°；前后幅度：左和右各30°。见图5。

图4 接受再次手术的传统钛板胸骨重建术失败患者胸骨和肋骨植入物的3D 打印模型Fig.4 3D printed model of sternal and rib implants of patient with failed conventional titanium plate sternal reconstruction who underwent repeat surgery

图5 接受再次手术的传统钛板胸骨重建术失败患者3D 打印钛合金植入物Fig.5 3D printed titanium alloy implants of patients with failed conventional titanium plate sternal reconstruction who underwent repeat surgery

术前准备工作完成后，2019 年2 月27 日在吉林大学中日联谊医院于全身麻醉下行手术治疗，沿原切口取“T”字型切口，切口横径约为16 cm、竖径约为15 cm，切开皮肤、皮下组织，逐层分离。皮下组织形成瘢痕极易渗血，以电刀电凝止血。探查皮下浅筋膜深层可见钛网，钛网边角部分变形及中间部位折断，围绕钛网以电刀锐性及分离钳钝性游离，将钛网完整游离取出。创面少量渗血以电刀电凝及纱布压迫止血。游离两侧近端锁骨长约8 cm，为重建胸锁关节及安装3D 锁骨连接部，以线锯切除部分锁骨头，长约1.5 cm，断端涂抹骨蜡。游离两侧胸大肌至充分暴露第二肋骨及胸骨体，将3D 胸骨各连接部按照患者胸廓形态植入安装，贴合度满意。电钻钻孔，钻取两侧锁骨各3 孔，胸骨体8 孔，测深，后分别拧入螺钉固定。采用3D 肋软骨自带一体式环抱器固定于第二肋骨，给予“Y”字型切口缝合。术后患者上肢活动尚可，恢复良好，复查胸部X 线见对位良好（图6）。

1.5 术后康复治疗方法术后2 d 患者可下地进行简单活动，每日常规换药见伤口愈合良好，胸壁外形正常，伤口无红肿破溃，皮温正常，患者自述较前次术后痛感减轻，术后患者可进行缓慢爬楼实验（因术后疼痛，采用制动措施保证上肢相对固定状态），与术前爬楼试验结果比较无明显差异，肺功能未受影响。早期为防止3D 打印假体与胸锁关节的连接处松动，进一步使肉芽纤维组织与3D 打印假体融合，嘱患者2 周内避免肩关节的剧烈活动，先进行前臂（手指、腕关节和肘关节）和双下肢的活动，在锻炼肌肉力量的同时又可以预防下肢深静脉血栓的发生。2 周后根据伤口恢复情况逐渐开始肩关节的活动，进行外展、前屈和回旋等运动，幅度由小到大，由被动活动过渡到主动活动，逐渐恢复肩关节的正常活动范围。术后3 个月复查显示患者上肢活动较术前改善较多。术后6个月电话随访患者上肢基本恢复正常活动范围。此次手术采取可拆卸式胸锁关节连接，目的在于前期起到固定作用，待形成稳定且结实的纤维结缔组织连接后，拆除人工植入胸锁关节，避免植入物长时间位于体内造成患者不适（图7）。患者由于皮下脂肪较少且相对运动较多，胸锁关节摩擦皮肤导致皮肤破裂并露出植入物，经检查已形成稳定纤维连接，于2020 年11 月6 日行手术治疗，拆除双侧人工打印胸锁关节。术后患者恢复顺利，肩关节活动范围进一步扩大，外展、抬臂、侧平举和上举等动作均有所提升，生活质量大幅提高。

图6 接受3D 打印钛合金胸骨植入物患者术后胸部X 线图像Fig.6 Chest X-ray image of patient treated with 3D printed titanium alloy sternal implants after operation

图7 患者拆除双侧3D 打印胸锁关节后胸部X 线图像Fig.7 Chest X-ray image of patient after removed bilateral 3D printed sternoclavicular joint

2 讨 论

2.1 胸骨肿瘤的治疗方法胸骨肿瘤分为原发性和继发性两大类，临床发病率极低，发病率不到骨肿瘤的1%，仅约占胸壁肿瘤的15%［7］。原发性胸骨肿瘤按照病理类型分类可分为良性肿瘤和恶性肿瘤。胸骨良性肿瘤包括内生软骨瘤、巨细胞瘤、纤维瘤、血管瘤和动脉瘤样骨囊肿。胸骨恶性肿瘤包括软骨肉瘤、骨肉瘤、浆细胞瘤、多发性骨髓瘤、Ewing 肉瘤和淋巴瘤，以软骨肉瘤最常见［8］。手术治疗是目前大部分胸骨肿瘤患者的首选治疗方法，但依据病理类型不同，具体治疗方案选择不同，胸骨肿瘤患者的治疗方案应个体化定制，但骨肉瘤、浆细胞瘤、骨髓瘤、淋巴瘤和Ewing 肉瘤患者的治疗方案应以化疗或放疗为主［9］。因此术前明确患者的病理类型对患者治疗方式选择和预后至关重要。

2.2 传统胸壁重建方法胸骨恶性肿瘤发病率低，尤其是浆细胞瘤更为少见，对于胸骨恶性肿瘤，多数外科医生认为手术切除为最好的治疗方式，手术切除后的胸骨重建是治疗的关键点［10］。修复是传统重建方法之一，如采用自体游离胸壁肌肉对拢缝合，优点是自身融合性好和免疫排斥等不良反应较少，但该方式的缺点是稳定性欠佳，容易造成胸壁软化、反常呼吸和纵隔摆动等严重并发症，术后可能会造成胸壁的塌陷影响美观。另一种方法是骨性重建，适用于胸壁缺损大于6 cm×6 cm 的患者［11］。骨性重建取材分为：①自体组织。因自体组织取材便利和组织相容性好等优点被广泛应用，但取材同时破坏了其他组织结构从而造成更大的手术伤害［12］。杨博等［13］进行了相关病例报道；②人工合成材料。人工合成材料包括钛网、钛板、涤纶布和有机玻璃等［14-18］，部分材料组织相容性差，部分材料硬度不够或塑形困难并且不易剪裁，从而无法保证胸廓的稳定性，易导致胸廓畸形；③生物源性材料。多取材于动物组织，因这些材料有抗原性，易产生排斥反应［19］。目前广泛使用的金属钛网和高分子聚合材料存在各自的优缺点，可成型的材料（陶瓷）和骨移植物应用于胸骨重建的报道也越来越多。植入材料在胸腔中的承受力（胸腔负压及上肢活动扭转力）和稳定性是患者术后恢复的重要因素。该患者采用传统钛板治疗后发生折断变形，原因可能是钛板形状不能与患者胸壁形成完美的解剖适配，导致硬度不足以对抗上肢活动造成的巨大压力；传统钛板与锁骨等连接处不具备正常解剖受力结构，运动时受力传导不均衡；另外患者较瘦弱，胸壁肌肉不够发达，无法进一步加固植入钛板，导致受力不均。

2.3 3D 打印技术个体化治疗方法近年来3D 打印技术开始被胸外科医生应用于胸骨重建，采用的打印材料包括聚醚醚酮［poly （ether-etherketone），PEEK］、钛合金和碳纤维等［20］。3D 打印钛合金胸骨在解剖结构层面上有更稳定的生理结构，而在材料选择性层面上，钛合金结构具有更高强度的硬度，能够承受术后胸腔内长期负压和术后的日常活动力。患者术后恢复状态良好，3D 打印假体与活体组织相融性好，力学性能和弹性性能良好，术后患者胸壁塌陷及阵发性呼吸困难发生率明显降低［21］。研究［22］显示：可用骨移植技术在胸壁重建中的效果较好，但因其取材多从人的尸体中获取，因此应用于临床时，必须注意医学伦理学问题；其次，移植的胸骨仍需进行数据采集和再次加工，才可应用于具体的患者中。采用3D 打印技术能满足个体化需求，实现精准治疗。现已有成功证明3D 打印技术可行性的相关报道［23］。3D 打印技术的优点：①钛合金材料的强度和弹性均符合骨性胸廓替代原则，可与周围骨关节形成有效固定，保持正常的肺功能，防止术后胸壁浮动及反常呼吸；②组织相容性好，排异反应小，不易感染，可长期植入；③假体完全根据患者原有胸廓的生理形态设计，植入后胸廓塑形性良好，无畸形。3D 打印技术的缺点：钛合金胸骨存在结构金属的缺陷。首先，金属材质的胸骨在胸锁关节的衔接处，仍使用金属螺孔装置，与人体肩锁关节比较活动顺畅度较低，容易与皮肤磨损，造成远期皮瘘，可能需要行远期皮瓣移植手术［10］。其次，金属材料更为沉重，因此术后舒适度方面仍有提升的空间。对于3D 假体力学性能和弹性性能来讲，每个假体的等效应力分布是唯一的［24］，针对3D 打印材料的选择和关节连接处的连接方式仍需改进。此外，植入物的数量、位置和方向等参数为术前固定值，需要在术中根据患者情况重新调整，这可能会对患者产生一定程度的创伤及组织磨损，因此对于患者远期愈合来说，存在改进空间［25］。

目前数字医学技术和3D 打印技术在胸外科手术中得到了进一步应用。已有学者尝试将 3D 打印技术应用于胸外科手术并取得了丰硕的成果［26-27］。3D 打印技术能够实现良好的解剖匹配，可避免胸骨植入物翻转、破损和取出等二次伤害。此外，重建胸骨时，钛合金的稳定性使其可以与周围骨关节有效固定，保持正常的肺功能，防止术后胸壁浮动和反常呼吸。但是，钛合金的关节连接和材料自重导致的舒适度方面的劣势是目前3D 打印技术应用于胸壁重建手术亟须解决的问题之一。