王 進 趙廣雷 黃鋼勇 陳 杰 石晶晟 陳飛雁 魏亦兵 王思群 夏 軍

（復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院骨科 200040 上海）

膝骨關(guān)節(jié)炎（knee osteoarthritis，KOA）是導(dǎo)致中老年人膝關(guān)節(jié)疼痛、功能障礙的一種退行性疾病，而全膝關(guān)節(jié)置換（total knee arthroplasty，TKA）術(shù)是治療終末期KOA最有效的手段之一。隨著TKA手術(shù)數(shù)量的劇增，在初次或翻修TKA術(shù)中問題（如骨缺損）也隨之增加。尤其是脛骨平臺缺損，導(dǎo)致常規(guī)膝關(guān)節(jié)假體缺乏有效的支撐，大大增加了假體植入的困難及手術(shù)失敗率［1］。目前，臨床上對于TKA術(shù)中脛骨平臺缺損，常用的修復(fù)方法包括自體骨或異體骨移植［2］、單純骨水泥技術(shù)［3］、骨水泥聯(lián)合螺釘技術(shù)［4］等。但是，這些方法都有缺陷，如自體骨移植存在取骨區(qū)疼痛、功能受損等問題；而供體骨來源及感染、免疫排斥反應(yīng)則是異體骨移植需要解決的問題［5-6］；單純骨水泥技術(shù)一般適用于面積較小（最大缺損直徑不超過5 mm）的骨缺損病例［7］，并且比較適合處理包容性缺損；雖有報道［8］骨水泥聯(lián)合螺釘技術(shù)能夠修復(fù)面積較大的骨缺損（直徑達30 mm），并且在一定程度上增加了骨水泥的強度，但是螺釘數(shù)量、螺釘植入的角度和深度等問題均有待進一步研究，且該方法對于術(shù)者的技術(shù)有較高的要求，因此限制了其在臨床上的應(yīng)用。

近年來，金屬加強塊及鉭金屬小梁加強塊由于能夠有效修復(fù)較大的骨缺損，且操作相對簡單，得到越來越多的關(guān)注。Kamath等［9］報道采用多孔鉭金屬處理骨缺損，5～9年的隨訪結(jié)果顯示出良好的臨床效果；國內(nèi)沈奕等［10］報道應(yīng)用組合式金屬墊塊修復(fù)脛骨近端AORIⅡ型骨缺損，也取得了較好的療效。但是，由于臨床骨缺損形態(tài)復(fù)雜多樣，而目前使用的金屬加強塊多為固定型號大小，因此難以滿足臨床需求。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，根據(jù)患者的骨缺損特點，個性化定制金屬墊塊是目前較為理想可行的方法之一，但目前國內(nèi)相關(guān)報道較少［11］。三維有限元分析是骨科生物力學(xué)研究的重要工具，通過計算機模擬相關(guān)力學(xué)參數(shù)及加載條件，既可以減少人為操作帶來的實驗誤差，又無需復(fù)雜的設(shè)備條件，被學(xué)者們所廣泛采用。為了增加研究的可靠性及合理性，本研究選擇在大體標(biāo)本上進行實際骨缺損造模，這也是本研究的優(yōu)勢之一。本研究是基于三維有限元分析的方法，并通過尸體骨缺損造模，從而初步探索3D打印金屬墊塊用于修復(fù)TKA術(shù)中脛骨平臺骨缺損的可行性。

材料和方法

材料及儀器Smith&nephew全膝關(guān)節(jié)置換工具包；西門子64排螺旋CT；Mimics、IMAGEWARE（version 12.1）等三維有限元分析軟件。本研究所采用的新鮮冰凍尸體（男性，70歲，無膝關(guān)節(jié)手術(shù)史）；由復(fù)旦大學(xué)華山（國際）應(yīng)用解剖研究與培訓(xùn)中心提供，尸體標(biāo)本相關(guān)處理通過復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)，本研究的主要工作于2018年8月至2019年3月完成。

尸體造模將新鮮冰凍尸體提前化凍處理，采用膝前正中切口，切開關(guān)節(jié)囊，根據(jù)常規(guī)TKA將骨贅、半月板及交叉韌帶切除后，進行標(biāo)準(zhǔn)股骨遠(yuǎn)端及脛骨平臺截骨。隨機選擇一側(cè)膝關(guān)節(jié)作為墊塊組，在其脛骨平臺內(nèi)側(cè)進行骨缺損造模（AORIⅡ型非包容性缺損），另一側(cè)膝關(guān)節(jié)不做處理，作為對照組。隨后對雙側(cè)膝關(guān)節(jié)進行CT掃描，獲取影像學(xué)數(shù)據(jù)。

有限元模型構(gòu)建將CT掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics（version 15.0）軟件中，利用閥值、區(qū)域增長、光滑化等操作重建膝關(guān)節(jié)三維模型（包括脛骨近端），根據(jù)骨缺損形態(tài)結(jié)構(gòu)重建骨缺損模型，并根據(jù)脛骨平臺的尺寸設(shè)計脛骨平臺、根據(jù)骨缺損設(shè)計3D金屬塊模型（圖1）。在SolidWorks軟件中根據(jù)TKA對脛骨、脛骨平臺、3D金屬模塊進行裝配，以確定它們之間的幾何關(guān)系，裝配體以STL文件導(dǎo)出。在Geomagic軟件中對脛骨平臺偏移加厚2 mm，作為平臺與脛骨之間的骨水泥層，也以STL文件導(dǎo)出。將上述得到的STL格式文件經(jīng)過采樣轉(zhuǎn)化為CAD模型及蒙板，然后基于蒙板對模型進行布爾操作，最后生成有限元模型并參考既往文獻［12-13］賦予各部分以相應(yīng)的材料屬性，最終得到的有限元模型由4部分組成：脛骨、脛骨平臺、金屬墊塊、骨水泥，并將有限元模型以INP格式導(dǎo)出。

圖1 3D打印金屬墊塊及脛骨平臺組件的外觀Fig 1 The appearance of the 3D-printed metal block and the tibial platform prosthesis

在Simpleware軟件中對有限元模型劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸分為1、0.8、0.6和0.5 mm 4種，進行收斂性分析，以得到最佳的網(wǎng)格劃分尺寸。最后將INP格式的有限元模型導(dǎo)入ABAQUS（6.13 version）軟件中，對模型施加均布荷載、邊界條件；其中，脛骨底端施加固定端約束，均布壓力施加在脛骨平臺上，與均布力等效的集中力為2 000 N，載荷以準(zhǔn)靜態(tài)的方式加載到脛骨平臺上。計算模型采用ABAQUS隱式算法進行迭代計算。

應(yīng)力分布及穩(wěn)定性分析根據(jù)上述模擬條件，對墊塊組及對照組的膝關(guān)節(jié)模型分別分析。繪制脛骨平臺上、下表面及3D打印金屬墊塊上、下表面的Mises應(yīng)力云圖及Logarithmic應(yīng)變云圖。在脛骨平臺、脛骨截骨面、3D金屬模塊上分別選取2點，提取所選各點在受力前后的空間坐標(biāo)。求出每一點的空間位移及三維方向上的分量，再對每一模塊上所取的兩點在對應(yīng)方向上的位移取均值，以此均值作為模型各方向上的位移；除外，分別求出變形前后每一模塊上兩點所連成的直線在XY、YZ和XZ坐標(biāo)軸平面內(nèi)所成夾角的差值，此3個夾角差值反映了模型各部分在3個坐標(biāo)軸平面的旋轉(zhuǎn)情況，由此得到每個模塊在三維平面內(nèi)的位移和轉(zhuǎn)角，從而評價其初始穩(wěn)定性。

統(tǒng)計學(xué)方法采用SPSS 22.0統(tǒng)計軟件進行統(tǒng)計分析。計量資料以±s表示，墊塊組和對照組間比較采用配對設(shè)計定量資料t檢驗，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

結(jié) 果

骨缺損造模及有限元模型構(gòu)建為便于分析，本研究中的各部分組件均視為線性彈性材料，其相關(guān)參數(shù)［14-15］如表1所示。

表1 組件的材料屬性Tab 1 The properties of materials

如圖2A～2C所示，在一側(cè)膝關(guān)節(jié)的脛骨平臺內(nèi)側(cè)成功構(gòu)建骨缺損模型（AORIⅡ型），寬度約為2.8 cm，高度約為2.5 cm，約占脛骨平臺面積的45%。圖2D為構(gòu)建的三維有限元模型，共包括3個主要部分：脛骨、脛骨平臺及3D金屬模塊。圖2E為脛骨遠(yuǎn)端施加固定端約束，圖2F為有限元模型中脛骨平臺的受力區(qū)域。

收斂性分析采用不同網(wǎng)格尺寸（0.5、0.6、0.8和1.0 mm）分別劃分網(wǎng)格得到有限元模型，各組所劃分單元總數(shù)見表2。

圖2 骨缺損造模及三維有限元模型Fig 2 The construction of the bone defect model and the finite element model

表2 采用不同網(wǎng)格尺寸劃分網(wǎng)格得到的有限元模型單元總數(shù)Tab 2 Total number of finite element model elements obtained by meshing with different grid sizes

圖3 收斂性分析Fig 3 The results of convergence analysis

進行受力分析，得到Z方向位移云圖（圖3）。由圖3可知，隨著網(wǎng)格尺寸的降低，整個模型在Z方向的位移最大值趨近于0.15 mm；當(dāng)網(wǎng)格大致尺寸達到0.6 mm時，位移數(shù)值就已經(jīng)變得相當(dāng)平緩，說明將0.6 mm的網(wǎng)格尺寸用于對此模型的分析是可行的。因此，考慮到計算量和結(jié)果的收斂性，后續(xù)的分析將采用0.6 mm的網(wǎng)格劃分尺寸。

應(yīng)力分布通過三維有限元模擬人體行走狀態(tài)下的受力情況，繪制兩組脛骨平臺假體及金屬模塊上、下表面的Mises應(yīng)力云圖及Logarithmic應(yīng)變云圖（圖4～6）。由圖可知，脛骨平臺假體與股骨直接接觸的區(qū)域及鄰近區(qū)域Mises應(yīng)力較大，最大應(yīng)力集中在脛骨平臺假體與脛骨相接的卡槽處，最大值為1.276 MPa。并且，由于增加了金屬墊塊，墊塊組脛骨和金屬塊上端主要承力區(qū)域較對照組小，應(yīng)力增大，并且應(yīng)力變化沒有對照組平緩，但兩組應(yīng)力較大值的集中區(qū)域相同。由圖4～5可知，墊塊組和對照組的脛骨平臺應(yīng)力分布沒有較大差異（墊塊組脛骨平臺上、下表面應(yīng)力集中區(qū)域的應(yīng)力代表值分別約為0.65和0.75 MPa；對照組則分別為0.71和0.95 MPa），應(yīng)力分布主要都集中在與脛骨直接接觸的貫通區(qū)域。

圖4 對照組Mises應(yīng)力云圖及Logarithmic應(yīng)變云圖Fig 4 The Mises stress cloud map and Logarithmic strain cloud map in the control group

初始穩(wěn)定性分析在脛骨平臺上端、脛骨截骨面、金屬墊塊上表面各取2點（1點、2點在脛骨平臺假體上表面，3點、4點在金屬墊塊上表面，5點、6點在脛骨截骨面）（圖7）。

圖5 金屬墊塊組Mises應(yīng)力云圖Fig 5 The Mises stress cloud map of the metal block group

圖6 金屬墊塊組Logarithmic應(yīng)變云圖Fig 6 The Logarithmic strain cloud map of the metal block group

圖7 初始穩(wěn)定性分析的取點位置Fig 7 The location of the points the for the initial stability analysis

通過計算得到各點在三維方向上的位移和轉(zhuǎn)角。根據(jù)本次有限元模型的世界坐標(biāo)系，X軸正方向指向內(nèi)側(cè)，Y軸正方向指向后方，Z軸正方向指向上方；X軸上的位移代表內(nèi)移（正向）和外移（負(fù)向），Y軸上的位移代表后移（正向）和前移（負(fù)向）；Z軸上的位移代表上移（正向）和下移（負(fù)向）。同樣，在本次研究中，XY軸平面即代表水平面，XZ軸平面代表冠狀面，YZ軸平面代表矢狀面；對應(yīng)臨床上的解剖學(xué)概念即各模塊在XY軸平面內(nèi)的轉(zhuǎn)角即代表內(nèi)/外旋轉(zhuǎn)，在XZ軸平面內(nèi)的轉(zhuǎn)角代表內(nèi)/外翻，在YZ軸平面內(nèi)的轉(zhuǎn)角代表前/后傾。各模塊的位移和旋轉(zhuǎn)情況見表3。由于3D金屬墊塊的植入，墊塊組中脛骨本身和脛骨平臺假體在3個方向上的位移均略小于對照組；并且墊塊組的脛骨平臺假體和脛骨在內(nèi)/外翻角度方面稍大，而前/后傾及內(nèi)外旋角度均略小于對照組，說明其在矢狀位和水平面上具有更好的穩(wěn)定性。但是在兩組中，無論是脛骨本身還是脛骨平臺假體或3D金屬塊，其位移和旋轉(zhuǎn)的絕對值均非常小，旋轉(zhuǎn)角度均小于0.02度，位移均小于25 μm。

表3 兩種模型中脛骨、脛骨平臺和3D金屬塊的位移和旋轉(zhuǎn)情況Tab 3 The displacement and diversion of the tibia，tibial platform prosthesis and 3D metal block in the two groups

討 論

各種原因如創(chuàng)傷、畸形、感染等導(dǎo)致的骨缺損，尤其是脛骨平臺缺損不僅是初次復(fù)雜TKA面臨的一大難題，在TKA翻修手術(shù)中也是亟待解決的重要問題。對于骨缺損的分型，使用較多的標(biāo)準(zhǔn)是Anderson骨科研究所分型系統(tǒng)（Anderson Orthopedic Research Institute，AORI）。主要分為 3型：Ⅰ型，骨缺損區(qū)周圍皮質(zhì)完整，脛骨結(jié)節(jié)以上骨質(zhì)完整；Ⅱ型，骨缺損區(qū)周圍皮質(zhì)完整或部分缺失，脛骨干骺端短縮，干骺端的中心性或周圍性骨結(jié)構(gòu)缺失；Ⅲ型，骨缺損區(qū)周圍皮質(zhì)骨大量缺失，缺損至脛骨結(jié)節(jié)水平［16-17］。

通常局部的小缺損（深度＜10 mm）可以通過加深脛骨平臺截骨來處理，但有文獻報道更多的脛骨截骨會導(dǎo)致截骨線更加遠(yuǎn)離關(guān)節(jié)線，脛骨近端受力增加，增加手術(shù)失敗的風(fēng)險［18-19］。而臨床上復(fù)雜多樣的骨缺損導(dǎo)致自體/異體骨和骨水泥不能完全滿足臨床需求。目前關(guān)于金屬加強塊修復(fù)骨缺損的報道逐漸增多。Girerd等［20］報道了采用鉭金屬錐形骨小梁加強塊修復(fù)骨缺損，通過回顧性分析發(fā)現(xiàn)其能夠提供穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)重建，具有可靠的臨床療效。Lee等［21］報道了46例使用矩形金屬墊塊修復(fù)脛骨平臺缺損，術(shù)后平均隨訪78.6個月，均取得較好的效果。但是由于目前所使用的單一或組合式金屬加強塊多為商品化的產(chǎn)品，其尺寸雖然是根據(jù)大樣本解剖數(shù)據(jù)進行的均一化設(shè)計，但是未必和每例患者的解剖形態(tài)相吻合，并不能完全匹配臨床上的骨缺損，尺寸偏大可能會導(dǎo)致周圍軟組織結(jié)構(gòu)的損傷，而尺寸偏小則需要輔助植骨或骨水泥填充，這就增加了手術(shù)操作的復(fù)雜性和臨床效果的差異性。

近年來，3D打印技術(shù)在骨科及膝關(guān)節(jié)手術(shù)中的應(yīng)用越來越多，包括3D打印模型用于術(shù)前規(guī)劃［22］、3D打印截骨導(dǎo)板用于全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中的精準(zhǔn)截骨［23-24］及基于 3D 打印技術(shù)的人工關(guān)節(jié)［25］；而目前關(guān)于3D打印的金屬墊塊用于修復(fù)TKA術(shù)中脛骨平臺缺損的報道仍然較少。3D打印墊塊是基于術(shù)前對患者的骨缺損進行CT掃描，獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)，再通過模型重建打印出與骨缺損完全匹配的金屬墊塊，這將大大減少商品化墊塊與患者骨缺損不匹配所帶來的問題，同時便于術(shù)中操作，減少手術(shù)時間。Yin等［26］報道了采用快速成型技術(shù)打印鈦合金填充塊治療膝關(guān)節(jié)嚴(yán)重骨缺損，術(shù)后隨訪18個月未發(fā)現(xiàn)假體松動；Li等［27］通過快速成型技術(shù)打印髖臼假體重建髖關(guān)節(jié)，平均隨訪4.4年，效果良好無假體松動。但是，目前關(guān)于3D打印金屬的應(yīng)用多為臨床研究，缺乏相應(yīng)的生物力學(xué)分析證據(jù)，而有限元分析是研究膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)的重要方法之一，與傳統(tǒng)的力學(xué)實驗相比，不需要昂貴復(fù)雜的實驗儀器，并且可以減少實際操作所帶來的誤差，能夠較好地模擬膝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)狀態(tài)，具有較強的操作性和可重復(fù)性。本研究中載荷為2 000 N，相當(dāng)于體重為80 kg的成年人的3倍，很好地模擬了人在負(fù)重行走狀態(tài)下的應(yīng)力情況［13］，與既往文獻報道一致［28-29］。本次三維有限元分析提示，基于3D打印的金屬墊塊能夠有效重建TKA術(shù)中脛骨平臺缺損，與對照組相比，脛骨平臺假體表面的應(yīng)力集中區(qū)域及應(yīng)力代表值接近，兩組的應(yīng)力分布均主要集中在與脛骨直接接觸的貫通區(qū)域。本次有限元分析中所使用的3D金屬塊材料屬性為Ti6Al4V材料，由于其輕便、強度高及良好的生物相容性，是醫(yī)療領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的鈦合金之一［30-32］；但是其彈性模量（110 000 MPa）高于皮質(zhì)骨（17 000 MPa）和松質(zhì)骨（700 MPa），因此與對照組相比，在同等受力狀態(tài)下，脛骨平臺內(nèi)外側(cè)的Logarithmic應(yīng)變稍有不同，表現(xiàn)為墊塊組各個模塊在三維方向上的位移略?。ū?）；同時，由于外側(cè)金屬墊塊的存在，造成墊塊組的內(nèi)/外翻角度也稍大于對照組（0.009 10vs.0.008 66）。雖然人工膝關(guān)節(jié)假體或植入物與骨床之間的穩(wěn)定性對于手術(shù)成功率及遠(yuǎn)期術(shù)后功能的恢復(fù)有著重要的意義，但是界面之間的微動刺激有助于周圍新骨的生長，文獻報道骨科內(nèi)固定與骨之間的生物學(xué)微動范圍應(yīng)在100～200 μm，假體與骨界面間的微動距離在150 μm～12 mm。而關(guān)于金屬塊或加強環(huán)等在TKA中修復(fù)脛骨平臺缺損應(yīng)用的文獻多為實際臨床應(yīng)用，對于墊塊的穩(wěn)定性多從術(shù)后隨訪的影像學(xué)及患者的功能恢復(fù)方面進行定性評價，具體的位移或旋轉(zhuǎn)角度并無明確討論或規(guī)定。借鑒人工假體的相關(guān)研究，本研究中脛骨平臺假體和3D打印金屬墊塊的微動均在文獻報道范圍之內(nèi)。根據(jù)經(jīng)驗，該數(shù)量級的微動在臨床應(yīng)用中不具有實際意義，因此該3D打印金屬墊塊對于TKA中修復(fù)脛骨平臺骨缺損具有一定的可行性，實際的穩(wěn)定性還需力學(xué)實驗和臨床應(yīng)用進一步探索。

本研究也存在一定的局限性。首先，3D金屬塊的設(shè)計僅使用了單一材料（Ti6Al4V），未能與目前使用較多的如鉭金屬等材料進行對比；其次，由于本次金屬塊的彈性模量參考既往文獻，明顯高于皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨，這可能會造成脛骨平臺內(nèi)外側(cè)應(yīng)變不均及應(yīng)力遮擋效應(yīng)，因此調(diào)整金屬墊塊合適的力學(xué)強度仍然需要進一步研究；本研究中使用骨水泥固定的方式，對于骨張入所帶來的固定效果沒有加以考慮，并且對于假體的微動僅僅參考了文獻報道的數(shù)據(jù)，具體的微動情況及有效性還需實體力學(xué)實驗進一步評估和證明。本研究通過三維有限元的方法，對3D打印金屬塊的可行性進行了初步分析，在后期研究中，我們將繼續(xù)探討如何在保證穩(wěn)定性的前提下，設(shè)計多孔的3D金屬塊以促進骨組織的張入，以實現(xiàn)長期的堅強固定，提高假體的使用壽命，并通過力學(xué)實驗來進一步佐證。

綜上所述，通過本次三維有限元的初步分析，3D打印金屬塊用于修復(fù)脛骨平臺骨缺損具有良好的應(yīng)用前景，與對照組相比，墊塊組膝關(guān)節(jié)假體的初始穩(wěn)定性無顯著差異，由于其個性化定制的特點，能與臨床骨缺損良好匹配。